专利名称：用于过程仪表设施的测量变换器和监测其传感器的状态的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于过程仪表设施的测量变换器，该测量变换器具有用于检测物理的或化学的参数的传感器，并且本发明涉及一种 根据权利要求5的前序部分所述的用于监测传感器状态的方法。
背景技术：
在过程技术方面的装置中，为了对过程进行控制而使用了用于过程仪表设施的 多种多样的现场仪表。测量变换器用于检测过程变量，例如介质的温度、压力、流量、 液位、密度或者气体浓度。通过调节器，可以取决于检测到的过程变量相应于例如由控 制站规定的策略对工艺过程施加影响。作为调节器的实例可以列举出调节阀、加热装置 或者泵。由DE 693 09 123 T2已知了一种具有制成薄板的基板的压力变换器的传感器。一 种配有电子元件的硅制薄膜层安装在敞开的腔室之上。压力的变化导致了薄片偏转进入 腔室或从该腔室中偏转出来。这种偏转引起了电学的参数的变化，通常是电容或者电阻 值的变化，它们可以被测量并转换成对应于压力的信息。在恶劣的工作环境中使用固态 压力传感器经常需要一种壳体，其包围住传感器并防止由介质直接接触该传感器。为此 壳体具有耐压的金属部件，一个或多个测量腔室位于其中，它们分别通过一种柔性的、 介质密封的膜片遮盖�。媚て饬壳皇矣虢橹史指艨⒃诮橹实难沽Ρ浠狈⑸� 变形。在分隔膜片和传感器膜片之间的测量腔室中存在有非腐蚀性的、惰性的填充液 体，例如硅油，该填充液体将所要测量的压力传递给传感器膜片。将信号从传感器引导 至外部的触点的电线穿过压力密封的导线套管从壳体中引出，并且连接到控制-和评估 装置上以用于评估信号，该装置例如通过现场总线将相应于各自压力的测量值输出至控 制站或者可存储编程的控制器。电子元件用来检测由压力引起的、传感器膜片的偏转， 关于这些电子元件的技术构造在该专利文件中未进一步说明。将物理的参数，如压力、温度或气体浓度变换成电信号的传感元件通常安装在 平面的基板上。这种基板然后用作为在支架上的灵敏的传感器的机械固定件，并且此外 用作为对防止外界影响的保护，例如用于改善电磁的兼容性。尤其是在压阻的压力传感 器中，一种可能性在于，将电子元件安装在基板上，使该元件埋入在基板中并在该元件 附近对基板进行掺杂，其中在电子元件和基板之间有一个电触点。一种根据二极管类型 的PN结在合适地加载电压时，确保了元件和基板的电绝缘。PN结的电特性取决于基板 材料和掺杂。例如由于化学的污染引起的传感器材料的变化可能导致测量信号的变化， 并因此导致测量值的误差。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于过程仪表设施的测量变换器，在该测量变换器中可以对基板的状态进行监测，基板承载了用于产生测量信号的电子元件。为了实现该目的，开头所述类型的新型测量变换器具有在权利要求1的特征部 分中所述的特征。在从属权利要求中说明了本发明的有利的改进方案，并且在权利要求 5中说明了一种监测方法。本发明的优点在于，即现在可以例如根据由于化学的污染引起的传感器材料的变化来监测传感器的状态。以前，这样的变化一直不能探测到并可能导致测量值的不可 识别的漂移现象，这种测量值通过测量变换器确定和输出。探测传感器变化的这种可能 性特别有利，这是因为在测量变换器的越来越多的应用中，在测量物理的或化学的参数 时要求非常高的可靠性。这种可靠性通过相应的认证，例如根据IEC61508来证实，其中 由于存在对传感器状态进行监测的新的可能性，在传感器处的诊断测量不必再仅仅限于 测量在电子元件自身中的或者电连接导线中的电的断开。更确切地说现在可以探测到在 电子元件和基板之间的过渡部中以及在基板本身中的变化。如果PN结的电特性取决于温度，这种特性被确定和评估以用于监测传感器的状 态，此外如果设置了用于检测基板温度的温度传感器，并且此外如果用于监测传感器状 态的装置设计用于，根据电特性确定温度的第一值并且与利用温度传感器测定的第二值 进行比较，那么可以以有利的方式附加地实现监测温度传感器的精度。也就是说除了真 正的、设置用于产生测量信号的电子元件之外，温度传感器常常集成在传感器中，这是 因为正是对于带有硅基板的传感器来说不能忽略温度敏感性。在这样的传感器中误差通 常为2% /IOk温度差，而且温度的错误测量不可避免地导致了取决于测量信号测定的测 量值的误差补偿。因为以前对温度的测量只是借助于一个唯一的温度传感器进行，因此 对用于温度测量的电路的诊断必须局限于对温度传感器本身或者在其输入导线中的断开 进行探测。相反地，在以前不能探测到缓慢的漂移现象。因为现在根据PN结的电特性 与温度的相互关系，存在对于利用温度传感器所测的温度的比较值，因此可以控制温度 测量的正确性并探测到误差。在由于PN结或者基板的变化引起的误差或者由于温度传 感器的变化引起的误差之间不需要进行区别，这是因为当出现其中一个所述的误差时通 过测量变换器输出误差信息并可以使在其中使用了测量变换器的过程在一定条件下进入 一种可靠的状态。一种这样的行为已经在根据IEC61508的认证中视为可靠地，而且认为 100%诊断了传感器。特别有利的是本发明的一种设计方案，其中PN结的电特性是其在导通方向上 的正向电压。这首先取决于温度和所应用材料的状态，该状态可能例如由于化学的污染 而慢慢变化。因此可以良好地识别到逐渐发展的误差。正向电压例如可以在传感器校 准的范畴中，通过作为变化的参数的温度进行测量，并作为校准曲线存储在微控制器的 EEPROM(电可擦除只读存储器)中。PN结的温度特性因此是已知的，PN结可以承担 被校准的温度传感器的功能，并用于诊断实际的温度传感器。如果用于进行状态监测的装置至少局部地布置在总是存在的控制-和评估装置 中，则具有用于监测传感器状态的新型装置的测量变换器可利用特别少的成本来制造。
根据在其中示出了本发明的实施例的附图，以下对本发明以及设计方案和优点进行详细说明。
具体实施例方式唯一的附图示出了测量变换器1的原理上的电结构，该测量变换器用于过程仪 表设施并且可以连接在现场总线2上以用于和过程技术装置中的上一级的控制站进行通 信。一方面可以通过现场总线2为测量变换器1提供其运行参数、例如在现场总线2上的 地址或者测量值的显示方式，另一方面可经过现场总线2通过测量变换器1输出测量值、 报警信息或者状态信息。传感器3用于检测物理的或者化学的参数，在示出的实施例中用于检测压力。 测量变换器1的其余部分具有控制_和评估单元的功能，A/D转换器4和微控制器5构 成其核心。控制_和评估单元取决于测量信号MS确定物理的或化学的参数的一个测量 值，该测量信号施加在A/D转换器4的输入端VS+和VS-处，并且该单元将该测量值通 过微控制器5的输出端FB输出。传感器3包含四个取决于压力的电阻Rl，R2，R3和 R4，它们连接成一个测量电桥。测量信号MS作为在两个连接点S+和S-之间的电压被 测量，其中测量与供电电压成比例地在传感器3的连接点V+和V-之间进行。电阻R1...R4代表电子元件，它们埋入传感器3的基板中。为了使这些元件相对 于基板实现电绝缘，基板在元件附近进行掺杂，从而在电阻R1...R4之间形成二极管，其 在图中分别以DS表示并且在正常运行时在测量期间关闭。因此通过在电子元件、也就是 说电阻R1...R4和传感器3的基板之间的PN结来实现二极管DS。此外温度测量电阻TS位于基板上，用于测量传感器3的温度，该温度测量电阻 的连接导线通到传感器3的两个连接点T+和T-上，而且温度测量电阻与A/D转换器4 的输入端Tl和T2连接。与地线GND连接的电源7产生经过电阻RB引导的供电电压+Vcc，该电阻允许 监测传感器3的断开。根据这种方式得到基准电压+VR，其连接在连接点V+上，用于 给传感器3供电，以及连接在用于A/D转换器4的基准电压的输入端V R上，以便可以 实现纯粹比例上的测量。A/D转换器4在正常运行时测量了施加在A/D转换器4的输入端VS+和VS_处 的有差别的测量信号MS。附加地，A/D转换器4能够在与传感器3的连接点S-连接 的输入端VA处，测量相对于地线的绝对电位。此外输入端VA用于确定PN结的导通电 压，该PN结在图中通过二极管DS表示。为了测量在二极管DS的导通方向上的、作为 PN结的电特性的正向电压，电流必须流过二极管DS。为此在测试运行时使传感器3的 基板上的连接点S，经过电阻RC和开关K1，通过开关Kl的闭合而接通到地线GND。 电阻RC基本上小于布置在连接点S和供电电压+Vcc之间的电阻RP。电阻RP也称作为 极化电阻，并且大约为电阻RC的值的十倍。并联于电阻RP布置电容C，其确保使基板 连接点S对地线GND的阻抗对于交流电压来说如此地�。灾劣诖衅�3的基板也可以 用作为屏蔽物，用于改进电磁的兼容性。在对于通过微控制器5的测试运行来说借助于 控制信号S闭合的开关Kl中，电流流过二极管DS和电阻RC。在此在基准电压+VR和 基板接口 S之间产生正向电压，其间接地通过A/D转换器4在该转换器的输入端VA处 进行测量。相对于所述的间接测量正向电压来说可替换地，当然可能在传感器3的适合的结构型式和A/D转换器4的电路布置中直接检测正向电压。二极管DS的正向电压主要取决于两个影响因素，也就是传感器3的温度和材料的状态，该状态例如由于化学的污染而可能发生变化。在校准测量变换器1时，测量正 向电压以用于确定其对于不同温度的温度关联性，并根据特性曲线的类型存储在微控制 器5的EEPROM中，该特性曲线具有作为特性曲线参数的温度。根据这样检测到的温度 特性，通过二极管DS表示的PN结可以承担被校准的温度传感器的功能。为了诊断温度 传感器TS，在测试运行时确定的、取决于温度的二极管DS的正向电压被用来确定一个 用于时间上与之接近的、利用温度传感器TS在正常运行时确定的温度的比较值。在比较 值和借助于温度传感器TS确定的温度之间有偏差时，确定误差，并借助于微控制器5向 出口端FB输出误差信息，并因此经过现场总线2输出，从而可以采用适合的措施来排除 误差。偏差既可能由于传感器3的基板的污染，也能由于温度传感器TS中的误差、例如 由于导线断开而引起。正常运行时通过输出一个相应的控制信号S使开关Kl断开。传感器3的基板通 过电阻RP加上一个电位，该电位高于施加在传感器3的连接点V+上的基准电压+VR。 利用二极管DS表示的、在基板和电子元件、也就是电阻R1...R4之间的PN结因此关闭。 也就是说没有电流从连接点S流入利用电阻R1...R4形成的测量电桥，而且电子元件通过 PN结与传感器3的基板电绝缘。因此可以实现在正常运行时对压力的无误差的测量。以有利的方式在很大程度上使用装置用于监测，它们总之存在于压力测量变换 器的控制-和评估装置中。只是必须补充电阻RC、开关Kl和微控制器5的程序段，其 适合用于实施对传感器3的状态进行监测的方法。可以实现对传感器3的综合诊断的新 的监测方法因此相对于传统的测量变换器与相对较小的附加的投入相联系，这种综合诊 断包括了对所测量的传感器温度的正确性和传感器材料的状态的说明。
权利要求
1.一种用于过程仪表设施的测量变换器，所述测量变换器具有传感器(3)，用于检 测物理的或化学的参数和用于产生测量信号(MS)；和控制-和评估单元(4，5)，用于取 决于所述测量信号确定和输出所述物理的或化学的参数的测量值，其特征在于，所述传 感器(3)具有至少一个电子元件(R1...R4)，所述电子元件埋入在由半导体材料制成的基 板中并且在正常运行时通过关闭的PN结(DS)和所述基板电绝缘；存在用于监测所述传 感器(3)的状态的装置(Kl，RC, 4，5)，所述PN结在测试运行中可通过所述装置在导 通方向上接通，并且所述装置设计用于，确定所述PN结的电特性并且进行评估以用于监 测传感器状态。
2.根据权利要求1所述的测量变换器，其特征在于，所述PN结(DS)的所述电特性 取决于温度；设置温度传感器(TS)，用于检测基板温度；所述监测装置(Kl，RC, 4， 5)设计用于，根据所述电特性确定所述温度的第一值并且与利用所述温度传感器(TS)测 定的第二值进行比较。
3.根据权利要求1或2所述的测量变换器，其特征在于，所述PN结(DS)的所述电 特性是所述PN结的在所述导通方向上的正向电压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量变换器，其特征在于，用于状态监测的所 述装置(Kl，RC, 4，5)至少部分地布置在所述控制-和评估单元(4，5)中。
5.—种方法，用于对用来检测物理的或化学的参数的传感器的状态进行监测，和 用于在用于过程仪表设施的测量变换器中产生测量信号(MS)，所述测量变换器具有控 制-和评估单元(4，5)，用于取决于所述测量信号(MS)确定和输出物理的或化学的参 数的测量值，其中所述传感器(3)具有至少一个电子元件(R1...R4)，所述电子元件埋入 在由半导体材料制成的基板中并且在正常运行时通过关闭的PN结(DS)和所述基板电绝 缘，其中所述方法包括以下步骤在测试运行中使所述PN结(DS)在导通方向上接通；确定所述PN结(DS)的电特性；和评估所述电特性以用于监测所述传感器(3)的状态。
全文摘要
本发明涉及一种用于过程仪表设施的测量变换器，该测量变换器具有用于检测物理的或化学的参数的传感器，该传感器具有至少一个电子元件，该元件埋入在由半导体材料制成的基板中并且在正常运行时通过关闭的PN结(DS)和该基板电绝缘。监测了传感器(3)的状态，其方法是使PN结(DS)在测试运行中在导通方向上接通，并且确定PN结的电特性、尤其是正向电压，并且进行评估以用于监测状态。此外可以监测安装在传感器(3)上的温度传感器(TS)，其方法是根据导通电压的温度关系确定对于利用温度传感器(TS)测定的温度的比较值。如果出现较大的偏差，那么可以推断出传感器(3)的误差并通过现场总线(2)输出相应的误差信息。
文档编号G01D18/00GK102016516SQ200980114419
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月24日 优先权日2008年4月25日
发明者埃里克·谢米斯凯, 德尔菲娜·默尼尔, 托马斯·埃斯尔特, 罗宾·普马尼克, 马丁·施帕茨 申请人:西门子公司
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