CN103221789A - 用于确定和/或监测至少一个过程变量的测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定和/或监测至少一个过程变量的测量设备，其包括：传感器单元；第一电子单元（5），其与能量供应单元相关，并具有第一微控制器（1）；以及第二电子单元（6），其与传感器单元相关并具有第二微控制器（2），并且经由电流隔离的传输单元（4）与第一电子单元（5）连接，用于能量和数据传输。根据本发明，第一微控制器（5）产生在至少一个特征方面可变化的至少一个信号（S1、S2）并且将其提供到传输单元（4）；信号（S1、S2）控制能量和数据传输；第一微控制器（1）和/或第二微控制器（2）确定至少一个当前操作参数；并且第一微控制器（1）基于该操作参数调整信号（S1、S2）的至少一个特征。
Description
本发明涉及用于确定和/或监测至少一个过程变量的测量设备，所述测量设备具有传感器单元，所述传感器单元具有对所述过程变量敏感的至少一个传感器。所述过程变量是例如介质的填充水平、密度、粘度、温度、压力或pH值。
在过程和自动化技术中已知许多各种各样的测量设备用于确定和/或监控过程变量。填充水平测量设备的一个示例是由受让人以标志“Liquiphant”制造和销售的测量设备。“Liquiphant”设备利用振动测量原理且其传感器单元具有振荡叉，所述振荡叉能够被激励以进行机械振荡。为在有爆炸危险的区域中使用，这样的测量设备经常具有电流隔离，通过所述电流隔离例如位于有爆炸危险的区域中的接触介质的传感器部分与供电、用户界面等隔离。经过电流隔离不仅发生最常见的传感器单元的供电，还发生与传感器单元的通信。通常，为此，测量设备包括两个电子单元，在所述两个电子单元之间存在电流隔离的接口。例如，这通过至少一个电容器或变压器实现。
DE 10 2006 051 900 A1中描述了一种经由配备有变压器的接口进行的能量和数据传输形式。在这样的情况下，从第一电子单元到第二电子单元的数据传输经由能量传输的频率和/或振幅的调制来进行，从第二电子单元到第一电子单元的数据通过第二电子单元的电流需求的调制传输。两个电子单元均包括处理器。变压器的激活经由模拟部件进行，所述模拟部件设置信号传输的参数，诸如例如，脉冲持续时间或间歇持续时间。固定的参数带来的缺点是能量传输效率仅在特定条件下最大。能够通过改变参数来影响效率的硬件电路的改造会涉及不切实际的电路复杂性。
另一个缺点出现在测量设备启动的情况中。在启动过程中，必须遵守特定的规范。因此，例如4-20mA的设备一定不能采用处于该与测量值相关的区间内的值，以防止触发以下设备的相应反应。由于模拟部件不利用控制功能，因此，不能检测到超过预定极限，其通常利用处于明显低于或高于测量值范围的电流例如<3.6mA，来执行设备的启动。启动则相应地需要更多的时间。然而，测量设备应尽可能快速地投入运行。
本发明的目的是提供一种上述类型的测量设备，所述测量设备的能量和/或数据传输与现有需求匹配。此外，提供一种用于操作这样的测量设备的方法，所述方法能够使能量和/或数据传输与现有的需求匹配。
与测量设备有关的目的通过以下特征实现，所述特征包括：所述第一微控制器产生至少一个信号，所述至少一个信号能够在至少一个特征方面变化，并且所述第一微控制器将所述信号提供到所述传输单元；所述信号控制能量和数据传输；所述第一微控制器和/或所述第二微控制器确定至少一个当前操作参数，并且所述第一微控制器根据所述操作参数设置所述信号的至少一个特征。
优选地，第一微控制器和/或第二微控制器将当前操作状态或能量传输的当前效率确定为操作参数。不同的操作状态是例如启动、测量操作、待机或节能模式。可设置的信号特征是例如频率、脉冲持续时间、间歇持续时间或脉冲持续时间对间歇持续时间的比。
目前在很长一段时间，在电子单元中可能存在的处理器只传送二进制控制信号用于控制下游部件，所述下游部件然后产生实际的信号用于能量和/或数据传输。根据本发明，初级侧微控制器现在直接产生控制信号用于能量和/或数据传输。以这种方式，允许信号形式的高灵活性。通过可变频率或可变的脉冲对间歇的比的方式，信号对于当前存在的需求，诸如例如能量需求，是可适配的。第一微控制器使信号动态适配于当前需求，此外，相应地能使信号适配于变化的环境条件，诸如例如温度。信号的特征不是被固定地预先设置的，而是被有规律地控制的。
在本发明的解决方案的第一实施例中，所述第一微控制器以这样的方式使所述信号的至少一个特征适配于所述测量设备的当前操作状态和/或以使能量传输的效率最优化的方式设置所述特征。特别地，在连续监测效率的情况下，选择包括：通过使特征最佳地适配和/或考虑到预测性维护作出有关测量设备的状态的声明来控制效率。代替效率，例如，输出电压能够被最优化。
在一个实施例中，由所述第一微控制器所设置的所述信号的特征是所述信号的频率和/或脉冲持续时间对间歇持续时间的比。例如，微控制器中的至少一个将当前效率确定为操作参数，并且所述第一微控制器适配信号的脉冲持续时间对间歇持续时间的比，用于优化效率。
在本发明的进一步发展的情况下，所述传输单元包括至少一个变压器。在这种情况下，其能够是正向转换器或逆向转换器。
在本发明的测量设备的实施例中，所述传输单元是推挽式转换器，优选地是推挽式通量转换器。需要两个控制信号用于推挽式激活，从而使第一微控制器相应地产生第一信号和第二信号，其中第二信号基本上是第一信号的逆。
测量设备的有益实施例提供：所述第一微控制器寄存所述传输单元的当前输入功率，所述第二微控制器寄存所述传输单元的当前输出功率，并且所述第一微控制器和/或所述第二微控制器根据所寄存的输入功率和所寄存的输出功率来确定能量传输的当前效率。优选地，所述第一微控制器确定效率。基于效率确定能量和数据传输的最佳工作点。通过用于控制能量和数据传输的信号的可变性，能够以传输在任何时间均在最佳工作点进行的方式控制信号的特征。这使得测量设备非常具有能量效率。
在特别有利的形式的实施例中，测量设备对效率进行评估，以用于诊断目的，尤其是关于预测性维护的诊断目的。通过持续监测效率，当下降的效率将低于测量设备的操作不受干扰所需的值时能够进行预知，因此，维护或更换测量设备将是必要的。效率的劣化能够由电子单元的部件的老化以及环境条件，诸如例如高水分含量或高温，引起。在一个实施例中，所述测量设备还包括：用于监测温度的温度传感器。关于温度的信息同样能够用于诊断。
在与其相关的实施例中，所述第一微控制器和/或所述第二微控制器根据所确定的效率来确定在所述变压器中是否存在线圈损坏并在线圈损坏的情况下产生相应的故障报告。通过评估所确定的效率，测量设备能够自监测线圈损坏。
本发明的一个实施例提供：所述第一微控制器具有不同的操作模式，所述不同的操作模式以所述信号的至少一个特征的特定值为特征，操作模式与所述测量设备的每个操作状态相关，并且所述微控制器根据当前操作状态设置所述操作模式。对于操作模式，至少一组特征的初始值被定义。随着时间的推移，第一微控制器根据需要使特征适配于当前需求。例如，如果所述传感器单元的能量需求比预期的小，那么较小的能量传输是足够的，则第一微控制器减小信号的脉冲持续时间或脉冲持续时间对间歇持续时间的比，以控制能量传输。如果有必要，第一微控制器使比回退。
在进一步的发展中，所述第一微控制器寄存所述传感器单元的标识或ID，并且以能量传输匹配于相应传感器单元的能量需求的方式根据所述传感器单元的存在，设置所述信号的至少一个特征。此外，所述特征能被动态控制。
此外，本发明的目的通过用于操作具有上述特征的测量设备的方法实现。所述解决方案所包括的特征是：具有至少一个可变特征的至少一个信号被产生并被提供到所述传输单元；能量和数据传输由信号来控制；至少一个当前操作参数被确定；并且所述信号的至少一个特征被根据操作参数来设置。
术语“特征”是指用于信号的可变特征，诸如频率和脉冲持续时间对间歇持续时间的比。在传输单元的优选的实施例中，其包括推挽式转换器。优选地，因此，为进行控制，相应地产生第一信号和第二信号，其中所述第二信号基本上是第一信号的逆。在方法的实施例中，所述至少一个信号匹配于操作条件，即，例如传感器侧的能量消耗被确定并且能量传输被相应地控制。因此，最优化了能量传输效率。在一个变型中，第一电子单元识别所存在的传感器类型，对应于这样的传感器类型的典型需求，诸如例如能量需求，设置特征。随着时间的推移，特征动态地适配于当前需求。在这种情况下，传感器识别典型经由与次级侧的微控制器通信或经由相应设置的端口来进行。在一个实施例中，确定操作状态并相应地产生信号。例如，限定启动例程，利用启动例程系统能够安全地从关断状态或从休眠状态转移到活跃测量状态。
现在将基于测量设备和方法的附图对本发明进行更详细地说明。附图的图示显示如下：
图1为本发明的测量设备的部件的示意性图示；
图2为电子部件的框图。
图1示出了本发明的测量设备的基本部件。传感器3和第二电子单元6形成传感器单元。传感器3是例如可振荡的单元，具体是振荡叉，所述可振荡的单元由驱动器单元激励以执行机械振荡。其经由以传输单元4的形式的电流隔离的接口与第一电子单元5连接。第一电子单元5将能量提供到传感器单元，由此与传感器3相关电流隔离的侧能够被称为次级侧，与第一电子单元5相关的侧能够被称为初级侧。除电源之外，其他部件，诸如例如显示元件和接口，连接到相互作用元件或维修元件的接口也能够位于初级侧处。
图2公开了第一电子单元5、第二电子单元6和传输单元4的示意性框图。第一电子单元5包括第一微控制器1，第一微控制器1具有数字接口11、定时器12和模拟/数字转换器13。第一微控制器1经由电压调节器55从电压源Vcc获得其所需的能量，电压源Vcc为传输单元4提供电压。传输单元4优选是具有带有中央抽头的变压器的推挽式转换器，具体是推挽式通量转换器。在初级侧，变压器的中间抽头与供电电压Vcc连接。相应的另一端能经由可控开关71、72与地连接。
推挽式转换器的操作利用第一微控制器1以数字方式进行。数字接口11控制定时器12的输入。例如，数字接口11是UART。在另一个实施例中，定时器12内部操作，即通过在第一微控制器1内的信号内部操作。定时器12具有两个输出端，在所述两个输出端输出第一信号S1和第二信号S2。在施加低电平期间，定时器12产生具有频率f1的第一信号S1；在高电平期间，则为频率f2。换句话说，定时器12产生频率调制信号S1，其中，频率f1对应于逻辑0，频率f2对应于逻辑1。第一信号S1控制第一开关71。第二信号S2控制第二开关72，并基本上对应于第一信号S1的逆。然而，第二信号S2的脉冲边沿通过以间歇时间tp偏移的方式与第一信号S1的脉冲边沿相反，以使得两个信号S1、S2在任何时间都不同时处于高电平，因为这会引起短路。开关71、72能够例如通过晶体管的形式实现。
不同的频率f1和f2用于从初级侧到次级侧的通信。对于逻辑0的传输，定时器12产生具有频率f1的信号；对于逻辑1的传输，则为频率f2。在同一时间，还能够利用信号S1和S2控制能量传输。信号S1、S2的脉冲持续时间越长，所供应的能量的量越大，其中该能量的传输具有由变压器铁心的饱和设定的极限。在通信阶段之外，例如，具有逻辑1的信号S1、S2具有频率f2。因此，具有频率f2的信号S1、S2的脉冲持续时间确定所传输的能量。根据本发明，能量传输与当前能量需求匹配。为此，在次级侧上的第二微控制器2确定当前能量需求，并将其通知第一微控制器1，第一微控制器1据此相应地设置脉冲持续时间和间歇持续时间的比。频率f1、f2是第一微控制器1的系统时钟的因数，并能够根据需要调整。由于第二信号S2基本上等于第一信号S1的逆，这意味着，在改变特征的情况下，第一信号S1的特征和第二信号S2的特征同等地改变。
与在第一电子单元5的情况中相同，第二电子单元6包括第二微控制器2，第二微控制器2具有定时器22、数字接口21和模拟/数字转换器23。第二微控制器2的供电来自传输单元4的电压控制器65。
电压控制器65将所传输的电压控制到第二微控制器2的输入电压所需要的电压。第二微控制器2的地电位在这里以Vss标记。
为对所传输的信息进行解码，在次级侧的第二电子单元6包括解调器63。解调器63将频率调制信号转换回二进制信号。例如，解调器63是低通滤波器或带通滤波器，其极限频率、相应的极限频率分别被设置成对应于频率f1和f2。
第二电子单元6包括电流转换器61和电平转换器62。电流转换器61包含电阻器，所述电阻器用于将所施加的电压改变成相应的电流并将该电流引至模拟/数字转换器23。电平转换器62接收所转换的电压并将其转送到模拟/数字转换器23，其中电压被调节到模拟/数字转换器23的可数字化区域，相应地是第二微控制器2的供电电压。根据电流和电压的当前值，第二微控制器2确定当前功率。
为与初级侧进行通信，次级侧利用脉冲状电流调制。为此，在逻辑1存在期间，与数字接口21的信号输出连接的电流调制器64增加次级侧的电流需求。在有益的实施例中，电流需求对于由数字接口21所输出的信号的整个脉冲持续时间不是均匀地增加，而是相反，在脉冲持续时间期间产生多个短电流脉冲，从而保持小的额外电流消耗。
为了解码电流调制且因而解码从次级侧传输的信息，在初级侧第一电子单元5包括电流转换器51。电流转换器51在两个开关71、72之后被连接，并与第一微控制器1的地连接。电流转换器51包含至少一个具有已知值的电阻器，电流经由所述电阻器被转换成相应的电压。为确定电流消耗，电流转换器51将该电压提供到模拟/数字转换器13。此外，电流转换器51包含解调器，解调器准备用于数字接口11的通信信号，然后其将准备好的信号提供到数字接口11。
所确定的电流值除用于确定由电流调制传输的信息内容之外，还确定当前初级侧功率。为此，另外知道当前所施加的电压是必要的。与当前所施加的电压有关的信息从电平转换器52被提供到第一微控制器1。电平转换器52使电压适配于模拟/数字转换器13的可数字化区域并将该电压转发至模拟/数字转换器13。在已知标度比的情况下，微控制器1因而知道实际电压，使得其然后能够确定功率。
优选地，第二微控制器2将在次级侧测量的功率传输到第一微控制器1。第一微控制器1然后确定当前传输效率。如果效率不是最佳，则第一微控制器1以效率提高的方式控制例如信号S1、S2的特征。如果尽管调整了特征但效率增加还是不如预期，则可能存在线圈损坏，微控制器1产生故障报告。在一个实施例中，微控制器1首先使两个线圈分离地工作，并为每一种情况确定效率。在另一个实施例中，在次级侧报告功率或所传输的能量减少时，第一微控制器1使所提供的能量增加。如果功率，相应地所传输的能量，不增加，则第一微控制器1产生错误报告。错误报告例如通过打开设备上的LED实现，或经由总线系统以维护请求的形式发出。
优选地，在第一微控制器1中实现不同的操作模式，所述不同的操作模式由一组特定特征进行区别。于是，与每个操作状态相关的是操作模式。操作状态被自动识别，相应的操作模式组，即信号S1、S2，利用相应的频率f1、f2和相应的脉冲持续时间对间歇持续时间的比来产生。
操作状态是例如使测量设备在启动情况中或从待机状态投入运行。优选地，指定利用动态电流控制的启动例程。4-20mA的电流消耗的设备在启动期间必须处于4-20mA的范围之外。根据本发明，在第一电子单元5中利用电流转换器51实现控制功能，利用电流转换器51可寄存当前电流消耗。因此，优选地，仅利用绝不低于禁止区域的电流，在给定的情况下，如果电流消耗上升，控制电流下降。这加快了启动过程并因此提高了测量设备的可用性。
另一个操作状态是测量操作的操作状态。主要是，在测量操作期间，能量被从初级侧传输到次级侧，其中对应于逻辑1的信号处于传输单元上。相应的频率和脉冲持续时间对间歇持续时间的比匹配于传感器单元的能量需求，相应地匹配于次级侧的能量需求。优选地，初级侧具有用于自动传感器类型识别的功能，并选择对应于传感器具体能量消耗的特征。有益的是，对于能与初级侧连接的每个传感器单元，第一微控制器1具有与该传感器单元的测量操作相关的操作模式，其中一个操作模式还能够与多个传感器单元相关。当然，在测量操作期间，在需要的情况中，例如在增加电流需求或为优化效率的情况下，这里还进行特征的动态适配。
附图标记表
1 第一微控制器
11 数字接口
12 定时器
13 模拟/数字转换器
2 第二微控制器
21 数字接口
22 定时器
23 模拟/数字转换器
3 传感器
4 传输单元
5 第一电子单元
51 电流转换器
52 电平转换器
55 电压控制器
6 第二电子单元
61 电流转换器
62 电平转换器
63 解调器
64 电流调制器
65 电压控制器
71 开关
72 开关
S1 （第一）信号
S2 第二信号
Vss 第二微控制器的基准电位
Vcc 直流电压源
Claims (10)
1.一种用于确定和/或监测至少一个过程变量的测量设备，所述测量设备包括：传感器单元，所述传感器单元具有至少一个传感器（3），所述至少一个传感器（3）对过程变量敏感；第一电子单元（5），所述第一电子单元（5）与能量供应单元相关并且具有第一微控制器（1）；以及第二电子单元（6），所述第二电子单元（6）与所述传感器单元相关并具有第二微控制器（2），并且所述第二电子单元（6）经由电流隔离的传输单元（4）与所述第一电子单元（5）连接，用于能量和数据传输，
其特征在于
所述第一微控制器（5）产生至少一个信号（S1、S2），所述至少一个信号（S1、S2）能够在至少一个特征方面变化，并且所述第一微控制器（5）将所述信号提供到所述传输单元（4），
所述信号（S1、S2）控制能量和数据传输，
所述第一微控制器（1）和/或所述第二微控制器（2）确定至少一个当前操作参数，并且
所述第一微控制器（1）根据所述操作参数设置所述信号（S1、S2）的至少一个特征。
2.根据权利要求1所述的测量设备，
其特征在于
所述第一微控制器（1）使所述信号（S1、S2）的至少一个特征适配于所述测量设备的当前操作状态和/或以使能量传输的效率最优化的方式设置所述特征。
3.根据权利要求1或2所述的测量设备，
其特征在于
由所述第一微控制器（1）所设置的所述信号（S1、S2）的所述特征是所述信号（S1、S2）的频率和/或脉冲持续时间对间歇持续时间的比。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的测量设备，
其特征在于
所述传输单元（4）包括至少一个变压器。
5.根据权利要求4所述的测量设备，
其特征在于
所述传输单元（4）是推挽式转换器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的测量设备，
其特征在于
所述第一微控制器（1）寄存所述传输单元（4）的当前输入功率，
所述第二微控制器（2）寄存所述传输单元（4）的当前输出功率，并且
所述第一微控制器（1）和/或所述第二微控制器（2）根据所寄存的输入功率和所寄存的输出功率来确定能量传输的当前效率。
7.根据权利要求4-6中的任一项所述的测量设备，
其特征在于
所述第一微控制器（1）和/或所述第二微控制器（2）根据所确定的效率来确定在所述变压器中是否存在线圈损坏并在线圈损坏的情况下产生相应的故障报告。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的测量设备，
其特征在于
所述第一微控制器（1）具有不同的操作模式，所述不同的操作模式以所述信号（S1、S2）的至少一个特征的特定值为特征，
操作模式与所述测量设备的每个操作状态相关，并且
所述第一微控制器（1）根据所述当前操作状态设置所述操作模式。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的测量设备，
其特征在于
所述第一微控制器（1）寄存所述传感器单元的标识，并且以能量传输匹配于相应传感器单元的能量需求的方式根据所述传感器单元的存在，设置所述信号（S1、S2）的至少一个特征。
10.一种用于操作测量设备的方法，所述测量设备用于确定和/或监测至少一个过程变量，并且所述测量设备包括：至少一个传感器单元，所述至少一个传感器单元具有至少一个传感器（3），所述至少一个传感器（3）对所述过程变量敏感；第一电子单元（5），所述第一电子单元（5）与能量供应单元相关并且具有第一微控制器（1）；以及第二电子单元（6），所述第二电子单元（6）与所述传感器单元相关并具有第二微控制器（2），并且所述第二电子单元（6）经由电流隔离的传输单元（4）与所述第一电子单元（5）连接，用于能量和数据传输，
其特征在于
具有至少一个可变特征的至少一个信号（S1、S2）被产生并被提供到所述传输单元（4），
能量和数据传输由信号（S1、S2）来控制，
至少一个当前操作参数被确定，并且
所述信号（S1、S2）的至少一个特征被根据所述操作参数来设置。
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