Messdatenerfassung Digital kompensierte Drucktransmitter zeigen die Grenzen des Machbaren

Je wichtiger die Messgenauigkeit wird, umso enger sind die am Markt verfügbaren Drucktransmitter auf bestimmte Applikationen fokussiert. Keller hat ein Konzept entwickelt, das die Zwänge der Messaufgabe von den Wünschen der Anwender entkoppelt und eröffnet damit neue Freiheitsgrade.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Keller Marketing

Schon in den ersten Jahren der Mikroprozessortechnik hat die Keller AG für Druckmesstechnik Konzepte der digitalen Temperaturkompensation und Signalverarbeitung untersucht und als einer der ersten am Markt mit der Herstellung von Tauch-Computern und digitalen Manometern umgesetzt. Mit den Serien 33 X, 35 X und 36 X wurde dieses Konzept vor fast 10 Jahren auch für Drucktransmitter realisiert: Schnellere Messung und Analogausgang statt Anzeige, sowie ein erheblich erweiterter Temperatur-Bereich.

Mechanische Verbindungen führen am Sensor zu Schein-Messsignalen

Zeitgleich erforderten immer genauere Elektronik-Messverfahren die kontinuierliche Weiterentwicklung der ölgefüllten Druckmesszellen. Denn jede mechanische Verbindung zwischen dem Silizium-Drucksensor und einem irgendwie gearteten Gehäuse leitet von außen wirkende Kräfte an den Sensor weiter und führt dort zu Schein-Messsignalen.

Das geht soweit, dass sich an unvorteilhaft konstruierten Druckaufnehmern der Nullpunkt während der Montage mit dem Drehmoment am Schraubenschlüssel verändern lässt. Wenn dann noch die Materialien von Druckanschluss und Anschlussstutzen des Messpunktes verschieden sind, kommen im Betrieb durch unterschiedliche Materialausdehnung noch prozessabhängige Kräfte aus Temperaturveränderungen dazu.

Probleme der Silizium-Drucksensoren können heute vorteilhaft genutzt werden

Auch beim schwimmenden Einbau des Silizium-Drucksensors zeigt er zwar nach wie vor die für ihn typische Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals TKN (TK Nullpunkt) und TKE (TK Empfindlichkeit), aber die ist jetzt als charakteristische Eigenschaft des individuellen Sensors zu verstehen und als solche reproduzierbar.

Als Temperatursensor wird idealer Weise die Widerstandsmessbrücke des Drucksensors selbst genutzt. Ihr Gesamtwiderstand ist individuell und gut messbar temperaturabhängig. Was am Anfang der Silizium-Drucksensoren, vor ca. 30 Jahren, erhebliche Probleme verursachte, kann heute vorteilhaft genutzt werden.

Die bei gegebener Temperatur für den einzelnen Sensor typische Nichtlinearität ist beim heutigen Stand des mikromechanischen Sensordesigns hochgradig reproduzierbar. Aber die Effekte sind stark temperaturabhängig. Deshalb müssen Drucktransmitter bei mehreren Temperaturen kalibriert werden. Mögliche Messabweichungen lassen sich am besten über einer von den Koordinaten Druck und Temperatur aufgespannten Fläche darstellen.

Reproduzierbarkeit als Basis zur Berechnung polynomischer Kompensation

Reproduzierbare Daten für Temperatur und Druck sind die Basis der per Mikroprozessor berechenbaren polynomischen Kompensation. Jeder vom Drucktransmitter ausgegebene Messwert wird rechnerisch mit Bezug auf die im Verlauf der Werkskalibration ermittelten Daten der Stützpunkte berechnet. Es hat sich gezeigt, dass die sensor- und temperaturbedingten Abweichungen am besten mit einem Polynom 3. Ordnung kompensiert werden können. Es hat die Form:

P(S,T) = A(T)·S0 + B(T)·S1 + C(T)·S² + D(T)·S³

Die temperaturabhängigen Koeffizienten A(T) ... D(T) werden ebenfalls aus einem Polynom 3. Ordnung berechnet.

Im Betrieb werden die analogen Signale von Druck- und Temperatursensor mittels eines 16 bit A/D-Wandlers dem Mikroprozessor zur Verfügung gestellt. Dieser ermittelt aus der in einem EEPROM abgespeicherten Kalibrierdaten-Matrix die entsprechenden Werte für die Kompensations-Koeffizienten. Die exakten Druckwerte werden dann mit obiger Gleichung berechnet. Bei einer Messzeit von etwa 2 ms werden diese Berechnungen mindestens 400 Mal pro Sekunde durchgeführt.

Das analoge Ausgangssignal ist in weiten Bereichen unabhängig skalierbar

Das zu jedem Messwert gehörende analoge Ausgangssignal wird völlig flexibel entsprechend der vom Anwender durchgeführten Parametrierung mittels D/A-Wandler und nachfolgendem Endverstärker erzeugt. Am verpolungs- und kurzschlusssicheren Ausgang stehen standardmässig 0 ... 10 V oder 4 ... 20 mA (2-Leiter Technik) zur Verfügung, zusätzlich die digitale Schnittstelle RS485.

Durch die Erzeugung des Ausgangssignals aus den im Mikroprozessor berechneten Werten ist es in weiten Bereichen unabhängig skalierbar. Ein Turndown um den Faktor x10, also die freie Zuordnung von Nullpunkt und Endwert des Ausgangssignals zu einem Anfangs- und Endwert der Messgrösse, oder applikationsspezifische Kennlinien, beispielsweise der Füllstand in liegenden Tanks, sind ebenso machbar, wie ein völlig invertiertes Ausgangssignal.

RS485-Schnittstelle ermöglicht die Parametrierung nach Wunsch

Der Schlüssel zur anwendungsspezifischen Parametrierung ist die RS485-Schnittstelle. Darüber erfährt man beispielsweise Grundinformationen über die Seriennummer oder den Lieferzustand im Druckmess- und Temperaturbereich.

Die aktuellen Druckmesswerte können in unterschiedlichen Einheiten ausgegeben werden. Wird der Transmitter zur Erfassung abgeleiteter druckabhängiger Prozessgrössen eingesetzt, so lassen sich auch diese numerisch korrekt ausgeben. Dazu gehören Durchfluss (Druckgefälle an einer Blende), Füllstand beziehungsweise Pegel (Druck am Tankboden in definierter Tiefe), Differenzdruck (Druckdifferenz ermittelt mit zwei Messzellen) oder Gasdichte (Druck bei gegebenem Volumen). Um den Transmitter optimal in geregelten Prozessen einzusetzen, steht ein digital einstellbarer Tiefpassfilter zur Unterdrückung kurzzeitiger Spitzen zur Verfügung.

Die digitale Schnittstelle arbeitet mit einem offen gelegten Master/Slave-Protokoll wobei die Datenübertragung mit einer CRC16 Prüfsumme abgesichert ist.

Bis zu 128 Transmitter können im Busbetrieb in Serie abgefragt werden. Zur Messdatenerfassung mit Grafik steht ein entsprechendes kostenloses Programm zur Verfügung, zusätzlich eine DLL und Treiber für LabView, um die Einbindung in andere Applikationen zu vereinfachen.

Was heisst genau?

Dieser Beitrag beschreibt die Eigenschaften einer Serie von hochgenau messenden Drucktransmittern. Die in nationalen Referenz-Laboratorien verfügbaren Primärstandards für die Messgrösse Druck (Druckwaagen) bieten Messunsicherheiten („Genauigkeit“) von unter ±0,01 %. In den Kalibriereinrichtungen industrieller Drucktransmitter-Produktion findet man in aller Regel rückführbare, automatische Primärstandards mit einer Messunsicherheit von ±0,025 %.

Sie liefern die Referenzwerte zur Kalibrierung der Drucksensoren. Diese Prozentangaben beziehen sich auf den jeweiligen Druck-Messpunkt und bezeichnen die statistische Abweichung vieler Messungen bei einem gegebenen Druck.

Das Fehlertoleranzband von Drucktransmittern bezieht sich – falls nicht besonders gekennzeichnet – auf den jeweiligen Endwert des Messbereichs (FS = full scale). Bei einigen Herstellern werden die Fehler von Nichtlinearität und Hysterese und die zusätzlichen Fehler durch Temperaturänderungen getrennt angegeben.

Die Keller AG verwendet für die digital kompensierten Drucktransmitter zur Sicherheit der Anwender die (Gesamt-)Fehlerband-Methode für einen spezifizierten Temperaturbereich. Im Temperaturbereich zwischen +10 °C ... +40 °C liegt die maximale Messunsicherheit (statische Bedingungen für Temperatur und Druck) innerhalb ±0,05 %FS. Der außerordentliche Qualitätssprung in Folge der digitalen Kompensation zeigt sich besonders in der geringen Aufweitung des Fehlerbandes auf ±0,1 %FS bei Erweiterung des kompensierten Temperaturbereichs auf -10 °C ... +80 °C, also von ΔT = 30 K auf ΔT = 90 K

Digitale kompensierte Transmitter werden in der Pegel- oder Niveaumessung eingesetzt

Applikationen für exakte Druckmessung sind beliebig vielfältig. Ein typischer Einsatz ist die Pegel- oder Niveaumessung der Wasserversorger zur Beobachtung des Grundwasserspiegels oder zur Steuerung von Pumpen. Der digitale Drucktransmitter kann hier den Erfordernissen der Messstelle entsprechend genau skaliert werden. Mit der vergleichsweise konstanten Umgebungstemperatur lässt sich eine Messbereichsspreizung bis um den Faktor x10 realisieren.

Auch an Motoren- und Getriebeprüfständen ist die Genauigkeit der digital kompensierten Drucktransmitter gefragt. Die starken Temperaturschwankungen im Bereich der Prüfstände werden optimal kompensiert und mit 400 Messungen pro Sekunde überschreiten die Transmitter meist deutlich die geforderte Dynamik.

Der integrierte Mikroprozessor samt digitaler Schnittstelle und damit der Zugriff auf die Parameter des Ausgangssignals (Abbildung der Messwerte auf die Signalwerte) eröffnet noch ganz andere Applikationsfelder. Dazu gehört die Füllstandmessung in nicht-geraden Tanks und ihre Darstellung in echten Mengeneinheiten (z.B. Liter) statt in Füllhöhe. Und durch die Verwendung der Wurzelfunktion samt Verbindung zu einem zweiten Drucktransmitter kann über den Druckabfall an einem Venturi-Rohr der Massedurchfluss ebenfalls direkt angezeigt werden.

* Bernhard Vetterli ist Dipl. El.-Ingenieur

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