Selbstüberwachung differenzdruckbasierter Durchflussmessverfahren für Flüssigkeiten

Die vorliegende Arbeit behandelt das Thema der Selbstüberwachung von Sensoren. Nach grundlegenden Definitionen von Begriffen, die diese interdisziplinäre Thematik betreffen, werden die Ziele der Selbstüberwachung von Sensoren hergeleitet. Hauptziel der Selbstüberwachung ist eine Erhöhung der Verlässlichkeit. Die Zuverlässigkeit des Sensors kann durch die Integration einer reinen Selbstüberwachung nicht erhöht werden. Eine Einteilung der Verfahren zur Selbstüberwachung wird anhand einer Recherche kommerzieller selbstüberwachender Sensoren und Patente vorgestellt. Alle gefundenen Lösungswege können den fünf Verfahren Redundan z, Erzeugung einer Referenzgröße, Analyse des Messsignals, Analyse einer Störgröße und Nutzung von Zusatzsignalen zugeordnet werden. Zu jedem dieser Verfahren werden die Eigenschaften anhand von Vor- und Nachteilen dargestellt. Neue Wege zur Implementierung von Selbstüberwachung in Sensoren können anhand dieser fünf Verfahren gezielt gefunden werden, indem für jede Komponente und jede Wandlungsgröße der Messkette Lösungen zu jedem Verfahren aufgestellt werden. Eine Anwendung dieser Lösungsfindung wird am Beispiel der Wirkdruckmessung vorgestellt. Von den gefunden Selbstüberwachungskonzepten werden drei ausgewählte näher betrachtet und anhand von Experimentalaufbauten untersucht. Dies sind die Zusammenführung von Wirkdruck- und Wirbelzählverfahren, die Umschaltung auf einen Bypass und die Überwachung der Wheatstone-Brücke bei piezoresistiven Differenzdrucksensoren zur Durchflussmessung. Eine Beurteilung der Selbstüberwachungskonzepte basiert auf der Anzahl und der Relevanz der jeweils erkennbaren Störungen.

The presented doctoral thesis deals with the issue of self monitoring of sensors. Beginning with basic definitions of this interdisciplinary topic the goal of self monitoring of sensors is achieved. The enhancement of dependability is the main target of self monitoring. It is not possible to increase the reliability of a sensor only by applying self monitoring. A classification of self monitoring means of electromechanical sensors is introduced by an analysis of commercial self monitoring sensors and patents. Self monitoring is able to be realised by redundancy, by adding a reference to the measurand or to another signal of the measuring chain, by analysing the measuring signal, by measuring a disturbance variable or by using internal signals or variables. The advantages and disadvantages of these five ways are given. A possible procedure to find self monitoring algorithms for a specific sensor is to look for solutions for all five means of self monitoring for each component and each signal of the measuring chain. The given procedure is applied to the example of differential pressure flowmeters. From the created concepts three are chosen and examined by experimental systems. These are the combination of differential pressure and a vortex flowmeter, the realisation of a reference of the measurand flow by employing a passive bypass and the supervision of a piezoresistive Wheatstone bridge of differential pressure flowmeters. The appraisement of the presented concepts is based on the detectable malfunctions simulated on a measuring rig.