CN101432595A - 用于测量点的传感器以及检查用于测量点的传感器的方法 - Google Patents

Abstract

在由传感器头SK和传感器头相对件SG构成的两部件传感器中，检查是否正确的传感器头与传感器头相对件相连。

Description

用于测量点的传感器以及检查用于测量点的传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量点的传感器以及一种用于检查用于测量点的传感器的方法。

背景技术

在过程自动化技术中，经常使用传感器用于检测测量值。通常，传感器通过测量变送器与控制系统相连，控制系统转发测量数据。测量变送器和控制系统之间的通信根据过程自动化技术中常用的一种标准实现，标准例如为HART数据传输或现场总线系统(Foundationfieldbus、Profibus)等。除了这些开放的传输系统之外，有时在数字数据传输中还应用专有协议，在传感器和测量变送器之间对等连接的情况中特别是这样的。

在特定的传感器类型的情况中，传感器常常由两个部件构成，即，传感器头和与其匹配的传感器相对件。在测量点提供的传感器头相对件固定地与测量变送器相连，而传感器头可以拆卸。在传感器必须规律性地接受维护的情况，这种分为两件的结构特别具有优点。

为了清洁或标定，可以在测量点简单地拆卸传感器头，以便被运送至执行维护的实验室。

这种两部件传感器可以从本申请人(Endress+Hauser Conducta)获得，商标为

该产品已经由本申请人制造并销售多年。

在这种传感器中的问题是，在清洁或标定之后，必须将正确的传感器头在正确的测量点重新安装到传感器头相对件上。通常，用户携带容纳了一组若干传感器头的盒子，必须从中选择对于相关测量点的正确的传感器头。为此，传感器头被标记有测量点说明(TAG-Name)，以方便用户将传感器头与测量点相关联。

然而，由于用户的手动工作，仍然可能出现混淆。不匹配会具有严重后果。于是，在氰化物测量点安装的测量头无论如何不能安装到食品测量点。

错误应用的测量头能够例如导致被测产品的污染，并且因而导致产品后续处理步骤的严重劣化。

当前，已知传感器和测量变送器彼此相距较远的应用情况。未来计划令传感器能够直接与控制系统相连，而无需在其间插入测量变送器。

原则上，错误应用的传感器头能够在测量变送器或控制系统上得到指示。

然而，当传感器和测量变送器或控制系统空间分离较远时，不可能在测量点直接显示。

为了在每次替换中进行检查，用户将不得不走过较远的路程。进一步，在可能有20个传感器头的情况中，这种检查非常耗时，因为用户必须多次返回控制系统以检查是否安装了正确的传感器。

所有至今已知的检查方法都经受可能的误差源，从而不能保证传感器头绝对可靠地安装在正确的测量点。

将来，替换测量头将是不必由技师完成的常规性工作。这样，对于安全替换有更高的需求。

发明内容

于是，本发明的目的是提供一种用于测量点的传感器以及一种检查用于测量点的传感器的方法，其不具有上述缺点，并且其中特别地，对于传感器保证了测量头的安全替换，并且在安装了错误的传感器头的情况，直接以信号向用户报告错误。

这个目的通过权利要求1限定的特征或者权利要求4限定的方法步骤实现。

附图说明

现在根据附图中给出的实施例，详细解释本发明，附图中：

图1是与控制系统相连的多个传感器的示意图；和

图2是具有传感器头和传感器头相对件的两部件传感器的示意图。

具体实施方式

图1显示了一种控制系统L，其与多个传感器T1、T2、T3通过合适的电缆K1、K2、K3连接。传感器T1、T2、T3分别与合适的测量点M1、M2、M3相关联。在传感器和控制系统之间的通信通过具有按照RS485标准的“物理层”的串行数据通信实现。控制系统L还与未详细示出的执行机构连接。控制系统L可以是PLC单元(可编程逻辑控制器)或分散控制DL(分布式控制系统)。通常，控制系统L还与能够实现厂房或公司范围的数据交换的局域网(以太网)相连。

图2是本发明的传感器的框图。传感器由两个部件制成：传感器头SK和传感器头相对件SG。两个部件通过易于解开的卡口连接彼此相连。

传感器头SK主要由测量变送器MA构成，其用于检测物理测量变量，例如，pH值、温度等。测量变送器MA与信号处理单元SV串连，模拟测量信号在该信号处理单元中被预处理，例如，滤波或放大。通过模/数转换器A/D1，测量信号被馈送至微控制器μC1，在这里进一步处理测量信号。通过通信接口S1，微控制器μC1能够发送及接收数据。通信接口S1由转换器W1、电压源单元SVSK和线圈L1构成。

传感器头相对件SG匹配传感器头SK。它们能够通过未详细示出的卡口连接而易于松开地彼此连接。

传感器头相对件SG包含与通信接口S1相应的相对接口，即，通信接口S2。通信接口S2包括线圈L2、放大器V和转换器W2。转换器W2与微控制器μC2相连。与控制系统L的通信在硬件上通过通信接口S3实现，该通信接口例如由RS-485芯片提供。电缆K具有四条线路LG1、LG2、LG3、LG4，它们由屏蔽AS围绕。两条线路用于通信，两条线路用于对于传感器头相对件SG的能量传输。

于是，对于传感器头相对件SG的能量供应，提供电压源单元SVSG，其通过线路LG1和LG2由控制系统L供电。

到现在描述的结构对应于已知的Memosens传感器。

两个通信接口S1和S2之间的数据传输经由电感耦合实现。同时通过这个连接，能量也无线地传输至传感器头SK。这个能量在电压源单元SVSK中被转换并被转换为对于单个部件合适的电源电压。

控制系统L和传感器(传感器头相对件和/或传感器头)之间传输的是不同测量数据、参数数据和传感器特定的数据，例如，传感器规格，其包括序列号、生产日期、硬件及软件版本；测量值，其包括主要测量值和辅助测量值(通常是温度)；标定数据，其包括零漂/斜率、日期/时间、标定方法；传感器状态，包括在极限条件下的使用寿命、标定周期、用于状态评价的辅助参数；关于测量点的信息，例如TAG数；关于传感器头上的传感器元件的信息，诸如测量范围、首次投入使用的日期、批次。

在所述实施例中，传感器头SK和传感器头相对件SG完全流电隔离。特别是在pH测量的情况中，这个流电隔离具有很大优点；然而，对于本发明，流电隔离并不是必须的。

为了标定，传感器头SK被从传感器头相对件SG上旋下，并被运输至远离测量点M1的实验室，在那里进行实际标定。这可以自动进行并且对于每一传感器头的标定值被唯一相关地存储在数据库中。这个数据库可以例如连接至局域网。之后，传感器头必须在其被拆卸的测量点被重新安装。在替换传感器头时，用户使用一个容纳许多传感器头的盒子B。在图1中非常象征性地显示出这个盒子B。

根据本发明，传感器头SK包括天线A1和与其相连的无线电单元F1。无线电单元F1可以或者通过连接线VL与微控制器μC1相连，或者，在另一实施例中，可以不与微控制器μC1相连。正如在RFID技术中经常使用的，无线电单元F1是转发器。无线电单元F1能够无需外部电源，而仅仅借助无线电波能量而工作。

作为补充，无线电单元F1还与电压源单元SVSK相连。以这种方式，当没有可用的无线电波能量时，也可以从无线电单元F1中提供的存储器(具有512字节存储能力的EEPROM存储器)中读出数据。

另外，在传感器头相对件SG中提供无线电单元F2，其与微控制器μC2相连。无线电单元F2的天线A2在电缆K中，屏蔽AS之外。

现在对于不同实施例详细解释传感器的操作。

传感器头SK不与传感器头相对件相连。

在测量点M1，在连接传感器头SK之前，用户可以借助于便携检查设备PG从还没有组装的传感器T1获得数据。

为此，便携检查设备PG询问传感器头SK的标识，其被存储在无线电单元F1的存储器EEPROM中。在这个询问的情况中，无线电单元的供电通过无线电路径(第一无线电路径EFS)实现。然后，标识通过较长的第二无线电路径ZFS传输至控制系统L。基于标识，控制系统L确认这个传感器头SK所提供至的测量点。然后，测量点特定的数据被传输至检查单元PG并显示在其上。这个数据帮助用户将正确的传感器头SK安装在正确的测量点，这里是测量点M1。

随后，传感器头SK的标识再次由检查设备PG读出，如上所述。基于标识，控制系统L确认传感器头SK要提供至的合适的测量点M1。现在，控制系统L通过电缆连接直接询问相应的测量点M，并确认实际安装在这个测量点M1的传感器头SK的标识。当传感器头SK已经安装在正确的测量点时，由检查设备PG传输至控制系统L的标识以及由控制系统L确认的标识必须一致。如果两个标识一致，则控制系统L将合适的正确性报告(“测量点OK”)发送至检查设备PG。

这个信息在测量点M1直接显示给用户。由此，用户立即看到正确的传感器头安装在这个测量点。

如果安装了错误的传感器头，那么两个标识不一致，并且在这个情况下，控制系统L将合适的错误报告(“错误传感器头”)发送至检查设备PG。

以这种方式，在测量点处传感器头的错误使用被简单且可靠地得到防止。于是，用户在安装之后直接看到是否将正确的传感器头安装在提供的测量点。

对于传感器T1设置在金属容器中的情况，在安装之后仅有传感器头相对件的末端仍然从容器中突出。无线电单元F1和检查设备PG(位于容器之外)之间的通信现在不再可能。

在这种情况中，使用无线电单元F2。现在在检查设备PG和无线电单元F2之间实现通信。无线电单元F2通过微控制器μC2向传感器头SK询问传感器头的标识。从无线电单元F1的EEPROM存储器中读出标识是可以的，因为无线电单元F1能够直接与通过电压源SVSK供电的微控制器μC1通信。由于传感器头SK伸进金属容器，所以由于屏蔽，没有无线电能量能够传输到无线电单元F1。在这种情况中，用户即使在安装状态也能够识别传感器头。

如果许多测量点M1、M2、M3彼此紧邻地设置，那么产生了这样的问题：检查设备PG可能接触不同测量点的无线电单元。在这种情况中，用户不确定检查设备PG实际上与哪一测量点通信。原理上，信息“测量点OK”可能来自邻近的测量点，而不是用户实际希望检查的测量点。

为此，根据本发明，检查设备包括钳状天线APG，其必须密闭围绕天线A2，以实现与恰好这一传感器的通信。

以这种方式，用户可以确定利用直接处于测量点前的传感器T1检查正确的测量点。于是，绝对地排除了混淆。

本发明不仅适用于替换传感器头，而且还适用于初次安装。在这种情况中，必须保证的仅仅是，测量点和其合适的传感器头的标识已经保存在控制系统L中。

原理上，检查设备PG适用于两种不同的无线电通信方法：一方面，根据RFID技术与无线电单元F1通信；另一方面，例如根据ZigBee标准与无线电单元F2或控制系统L通信。

下面，在无线电单元F1和微控制器μC1之间没有通过连接线VL的连接。唯一的ID标识保存在无线电单元F1及微控制器μC1中。在传感器头SK的制造中，必须保证这两个标识相同。

通过这个唯一的ID标识，传感器头SK的序列号可以得到确认，并且由此可以在数据库中存取对于相关传感器头的数据。数据库可以例如直接存储在检查设备PG中。如果不是这样，那么，数据库查询还可以通过无线电路径ZFS进行。

传感器数据(例如，测量值)也可以通过无线电单元F1或F2直接从传感器读出。

对于用户，附加的安全在于，测量值可以借助检查设备PG在线查询并且随后在控制室得到检查。如果两个值一致，就有附加的确定性。

下面，再次系统描述本发明的所有应用情况。通常，本发明关注通过第一无线电路径EFS与传感器的通信。在这种情况中，观察两种方法：1.与无线电单元F1的通信以及从无线电场向无线电单元F1供电；2.通过短范围无线电技术(例如Zigbee、Nanonet)与传感器头相对件SG中的无线电单元F2通信。

对于根据第一种方法的通信，有不同的应用情况：1.无线电单元F1不与微控制器μC1和电压源单元SVSK连接。特定的传感器数据存储在EEPROM并且只有通过微控制器μC1才可存取。在这种情况中，可考虑以下特殊情况：1.1传感器在盒子B中并且不与传感器头相对件SG相连。向传感器头SK询问传感器的标识(唯一的ID)，供电来自无线电场。唯一的ID被检查设备PG中的数据库转换为测量点序号或传感器序号。利用这个信息，可以通过第二无线电路径ZFS向控制系统L询问测量点的正确性。或者，可以使用唯一的ID通过第二无线电路径ZFS在控制系统L直接询问使用的正确性。答案的显示通过第二无线电路径ZFS在检查设备PG上实现。

1.2现在，考虑传感器通过传感器头相对件SG连接至电缆K并且不存在来自电缆铠装的屏蔽的情况。在这种情况中，再次从传感器头SK询问唯一的ID，供电来自无线电场。唯一的ID被检查设备PG中的数据库转换为测量点序号。然后，通过第二无线电路径ZFS向控制系统L询问传感器数据以及测量值。或者，可以使用唯一的ID通过第二无线电路径ZFS在控制系统L直接询问传感器数据(或者测量值)。答案的显示通过第二无线电路径ZFS在检查设备PG上实现。

1.3当传感器通过插塞式相对件SG连接至电缆，但是通过电缆铠装提供第一无线电路径EFS的屏蔽时，得到第三种情况。在这种情况中，可以通过天线A2和无线电单元F2在第一无线电路径上进行传感器数据的询问。询问通过微控制器μC2而在来自通信接口S3/LG3/LG4的数据流中在转换器W2和放大器V以及线圈L2上被引导至传感器头SK。传感器头SK的答案被微控制器μC2引导出并且答案被通过无线电单元F2和天线2传递至检查设备PG。然后，答案的显示由无线电单元F2通过第一无线电路径EFS在检查设备PG上实现。

现在，考虑第二种应用情况。

2.在这种情况中，无线电单元F1通过连接线VL与微控制器μC1电气连接并且还与数据存储器EEPROM以及电压源单元SVSK连接。这里，仍有以下特殊应用情况：

2.1传感器位于盒子B中并且不通过传感器头相对件SG连接至电缆。传感器数据的询问直接在作为无线电单元F1一部分的传感器头SK的EEPROM进行。供电通过无线电场实现。于是，答案的显示通过第一无线电路径EFS在检查设备PG上进行。

2.2在另一特殊情况中，传感器通过传感器头相对件SG连接至电缆K，并且不存在利用电缆铠装的屏蔽。传感器数据和测量值的询问直接在作为无线电单元F1一部分的传感器头SK的EEPROM和微控制器μC1进行。这里，供电也通过无线电场实现。答案的显示通过第一无线电路径EFS在检查设备PG上进行。

特殊情况2.3对应于情况1.3。

附图标记

 

模/数转换器	A/D1
		天线	A1，A2
检查设备的天线	APG
		第一无线电路径	EFS
无线电单元	F1，F2
		电缆	K1，K2，K3
通信接口	S1，S2，S3
		控制系统	L
测量变送器	MA
		测量点	M1，M2，M3
微控制器	μC1，μC2
传感器头	SK
		信号处理单元	SV
电压源单元	SVSG，SVF1，SVSK
		线圈	L1，L2
传感器头相对件	SG
		便携检查设备	PG
传感器	T1，T2，T3
		放大器	V
转换器	W1，W2
		第二无线电路径	ZFS
连接线	VL

Claims (5)

1.用于测量点的传感器，由能够可拆卸地彼此连接的传感器头(SK)和传感器头相对件(SG)构成，其中传感器头(AK)包括用于检测测量值的测量变送器(MA)、用于处理测量值的第一微控制器(μC1)、用于传感器头(SK)的供电的电压源单元(SVSK)以及用于与传感器头相对件(SG)数据交换的通信接口(S1)，其中传感器头相对件与控制系统相连，经过处理的测量值被转发至该控制系统，

其特征在于，

所述第一微控制器(μC1)与无线电单元(F1)相连，该无线电单元连接至所述传感器头的所述电压源单元(SVSK)并且具有附加的独立的电压源单元(SVF1)，

其中所述附加的独立的电压源单元(SVF1)被通过无线电能量供电，并因而即使当所述电压源单元(SVSK)没有为所述传感器头(SK)提供能量时也能够通过无线电进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，传感器头(SK)和传感器头相对件(SG)之间的数据交换无线地进行，并且传感器头(SK)的电压源单元(SVSK)的供电同样无线地进行。

3.根据前述权利要求之一所述的传感器，其中传感器头相对件(SG)包括用于与传感器头(SK)数据通信和/或能量传输的通信接口(S2)、微控制器(μC2)和用于到控制系统(L)的数据传输的通信接口(S3)，其中微控制器(μC2)与无线电单元(F2)相连。

4.检查用于测量点的传感器的方法，该传感器包括传感器头(SK)和传感器头相对件(SG)，它们能够通过插塞连接可拆卸地彼此连接，其中传感器头相对件(SG)通过电缆连接(K)连接至控制系统(L)，其中该方法包括以下步骤：

通过进入便携检查设备(PG)的第一无线电路径(EFS)读取所述传感器头(SK)的标识；

将所述标识通过第二无线电路径(ZFS)从所述检查设备(PG)传输至所述控制系统；

将测量点特定的数据从所述控制系统(L)传输至所述检查设备(PG)；以及

将所述测量点特定的数据显示在所述检查设备(PG)上。

5.根据权利要求4所述的方法，其中传感器头(SK)和传感器头相对件(SG)相连，进一步包括以下步骤：

由控制系统(L)询问分配给传感器头(SK)的标识的测量点(M1)；

在两个标识一致的情况下，将相应的正确性报告作为测量点特定的数据从控制系统(L)传输至检查设备(PG)；以及

在两个标识不一致的情况下，发射相应的错误报告作为测量点特定的信息。

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