CN103542875B - 用于并行校准至少两个传感器的装置和方法 - Google Patents

用于并行校准至少两个传感器的装置和方法 Download PDF

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Abstract

用于并行校准至少两个传感器的装置和方法。本发明提供一种用于并行校准至少两个传感器的装置，包括：数据处理单元，尤其是用于多传感器系统的测量变送器或计算机，其中所述数据处理单元具有接口，经由该接口至少两个传感器通过各自的用于数据传输的传输线被连接，并且其中，所述数据处理单元被实施为并行且彼此独立地进行所述至少两个传感器校准。

Description

用于并行校准至少两个传感器的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于并行校准至少两个传感器的装置和方法。
背景技术
在自动化技术中，尤其是在过程自动化技术中，传感器被应用于多种用途。特别是，它们用于测量过程变量。例如，基于当前所记录的过程变量的测量值，控制程序能够被指引。经常应用的且公知的并且在过程测量技术中设置的传感器包括例如料位传感器、流量传感器、压力和温度传感器、pH值传感器，pH值-氧化还原传感器、电导率传感器、浊度传感器、氧传感器和用于记录特别是在液体介质中溶解的气体或其他物质的浓度的其他传感器。
这些传感器记录分别待确定的测量变量并将其转换成电信号。在许多具有这样的传感器的测量装置中，其信号通过测量变送器记录，被进一步处理，并且然后以进一步的处理形式，或者经由测量变送器的显示单元例如显示器输出以使使用者能够阅读信息，或者经由测量变送器的接口输出到测量变送器上级的另外的单元。上级单元能够是上级控制系统或控制单元，诸如例如可编程逻辑控制器。除其他之外，这种上级单元能够用于基于借助于传感器所记录的测量值的过程控制（开环或闭环）。在一些应用中，一个或多个传感器还能够被连接到作为上级单元的计算机，例如个人计算机、笔记本计算机、平板个人计算机或智能手机。在这种情况中，测量变送器的功能性的一部分，即模拟原始信号的记录和在给定情况中的放大以及到能够被输出到上级单元的数字测量信号的转换，能够在集成在传感器中的现场电子器件中实现。计算机能够包含操作程序，所述操作程序能够进一步处理和/或显示从传感器转发到计算机的数字测量信号。
测量变送器尤其用于转换从传感器递送的测量信号例如电压并将由传感器所记录的测量值表示成在待由传感器来测量的过程参数的物理单元中的测量值。这在现代测量变送器中最经常发生，原因在于：首先，由传感器产生的模拟信号被转换成数字信号，并且数字信号然后被发送到测量变送器的处理器，在测量变送器的处理器中，操作程序借助于预定的计算方法将数字信号转换成相应的测量值。如果传感器是例如电位pH值传感器，首先，它产生模拟电压信号，所述模拟电压信号是在传感器的测量和参比电极之间被记录的。这个信号借助于模拟/数字转换器被转换成数字信号，所述数字信号由相关的测量变送器的处理器基于预先确定的校准函数转换成pH值，所述预先确定的校准函数常常是由零点和斜率定义的校准线。另外，因为由pH值传感器递送的电压信号还受温度影响，测量变送器能够进行温度补偿。为此，处理器执行相应的操作或测量程序，所述相应的操作或测量程序存储在测量变送器的程序存储器中，由处理器执行。
在过程中将要使用的传感器至少在启动前必须进行校准。某些上述的传感器，尤其是pH值传感器或pH值氧化还原传感器，还有氧传感器和浊度传感器，甚至以有规律的时间间隔被经常重新校准。
在这种情况中，由传感器递送的测量值与标准的偏差被确定。随着校准，能够执行仪器的调整。例如，这意味着，以由传感器在校准中产生的测量信号被转换成正确的测量值的方式，来调节传感器或测量变送器由测量信号确定测量值所根据的计算配方。例如，校准线、相应地其零点和/或其斜率，能够相应地被调节。通常，调整同样被称为校准。在这里和在下文中，调整被认为是校准的可选构成。
为校准pH值传感器，所述pH值传感器被浸入一个或多个已知pH值的溶液，在每一种情况中，由传感器产生的测量值被记录，且被记录的测量值被与相应的所期望的已知pH值进行比较。为此常使用的是缓冲溶液。在以下的调整步骤中，校准线、相应地pH值传感器的零点和斜率的相关值能够被这样调节以使得：根据由在一个或多个已知pH值的缓冲溶液中的传感器递送的测量信号，计算正确的测量值。校准线的零点和斜率也被称为校准参数。如果传感器被用在测量操作中，由最后确定的校准参数定义的校准线被用于从传感器的测量信号导出测量值。
也常经受到定期重新校准的一些最初提到的传感器，特别是pH值传感器或pH值氧化还原传感器、氧传感器和浊度传感器，通常被实施为测量探针，所述测量探针远离测量变送器定位，并经由电缆连接或以经由无线电的无线方式与测量变送器连接。这种分离允许传感器以规律的方式与测量变送器分离，用于校准或更换。
例如，在专利申请DE 10 2009 029 495 A1中描述了用于多传感器系统的测量变送器，所述用于多传感器系统的测量变送器具有用于处理输入和输出信号的处理器。处理器利用接口连接，一个或多个传感器连接到所述接口，用于经由传输线传输数据，其中在过程传感器和接口（相应地与接口连接的传感器中的每个）之间通信的情况中，能够产生不同的数据传输率。因而，可连接到该测量变送器的是多个传感器，虽然是这样，所述多个传感器根据不同的操作原理工作。为此，接口为每个传感器包括与该传感器关联的功能模块。在每种情况中，与传感器关联的功能模块经由各自的传输线与相应的传感器连接。
通常，传感器由制造者校准，或者，当在传感器的寿命期间需要定期校准时，也由使用者校准。为此，传感器与测量变送器连接到用于校准的传感器的装置，如上文所描述的那样，然后进行校准。
然而，即使是当多个传感器可连接到测量变送器时，到现在为止已知的测量变送器也只允许每次校准一个传感器。尤其是，因为待由制造者提供的所有传感器必须一个接一个的单独校准，传感器制造商进行校准消耗太多的时间。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于校准多个传感器的装置，所述装置能够减少用于校准多个传感器所消耗的时间。
该目的通过用于并行校准至少两个传感器的装置实现。所述装置包括数据处理单元，尤其是用于多传感器系统的测量变送器或计算机，其中所述数据处理单元具有接口，经由该接口至少两个传感器通过各自的用于数据传输的传输线被连接，并且其中所述数据处理单元被实施为并行且彼此独立地进行所述至少两个传感器的校准。
于是，可能彼此独立且并行地，即在同一时间，校准至少两个、优选四个传感器。这使得将与校准多个传感器相关的时间减少到在前面的过程中所用的时间的一小部分。
数据处理单元能够是例如测量变送器或常规的计算机，例如个人计算机、笔记本计算机、智能手机或平板个人计算机。
所述数据处理单元尤其是测量变送器能够具有处理器，所述处理器与所述接口连接，用于处理输入和输出信号。其中所述数据处理单元尤其是测量变送器包含用于所述至少两个传感器的操作程序，并且所述操作程序由所述处理器可执行。
为并行测量和/或校准，与数据处理单元——尤其是测量变送器——连接的传感器中的每个能够具有其自己的测量通道，其中所述操作程序被实施为并行且彼此独立地操作所述测量通道。
为进行多个传感器的并行校准，操作程序尤其能够被实施为同时存储和显示由传感器记录的校准测量值。为此，操作程序例如能够提供选择菜单，使用者能够通过所述选择菜单在操作程序的测量模式和校准模式之间交替。为此目的，数据处理单元，尤其是测量变送器，能够具有相应的输入元件，例如，开关或触摸显示器。在校准模式中，传感器的当前测量值能够被显示在共享的窗口中。
在另一个实施例中，操作程序可实例化多次，其中操作程序的每个实例与连接到数据处理单元——尤其是测量变送器——的传感器中的一个唯一关联，并且与其他实例并行和彼此独立地由处理器执行，以并行且彼此独立地操作传感器，尤其是彼此独立地校准传感器。
例如，操作程序的每个实例能够在数据处理单元尤其是测量变送器的显示器上具有其自己的窗口。利用所述装置进行校准的服务人员能够在与待被校准的传感器相关联的各个窗口之间来回切换或者同时显示所有窗口，以监视传感器中的每个的校准的进展。为此，数据处理单元尤其是测量变送器能够具有相应的输入元件，例如，开关或触摸显示器。
所述至少两个传感器能够被实施为用于测量同一参数，尤其是pH值。为进行校准，待被并行校准的传感器能够同时与校准介质接触。如果待被并行校准的传感器是pH值传感器，它们能够被同时浸入包含缓冲溶液的容器中。
等同的选择是所述装置的所述至少两个传感器被实施为用于测量不同的参数，即，并行校准用于测量不同的参数的传感器，例如一个或多个pH值传感器与一个或多个氧传感器。
传感器能够包括容纳在传感器壳体例如插头中的现场电子器件，所述现场电子器件具有存储器，所述数据处理单元尤其是测量变送器能够访问所述存储器，以用于执行操作程序。所述存储器能够用来将在校准中确定的校准函数的校准参数例如零点和斜率存储在传感器的存储器中以用于调整传感器，从而即使当传感器后来连接到另一个数据处理单元尤其是另一个测量变送器以用于监视使用者的过程时，传感器也带有其自己的校准参数，例如，由制造者所确定的校准参数。
现场电子器件能够被实施为将传感器的模拟原始测量信号转换成数字测量信号。在给定的情况中，测量信号能够在模拟数字转换之前或之后被放大。在本实施例中，传感器将数字测量信号输出到数据处理单元，尤其是测量变送器。
数据处理单元尤其是测量变送器的操作程序可相应实施为将当前确定的校准数据例如校准参数、零点和斜率存储在传感器的存储器中。
本发明还包括尤其是借助于上述装置的、用于并行校准至少两个传感器的方法。所述方法包括：
把所述至少两个传感器通过各自的用于数据传输的传输线连接到用于多传感器系统的数据处理单元的接口——尤其是测量变送器或计算机的接口；以及
借助于所述数据处理单元尤其是测量变送器或计算机并行且彼此独立地校准所述至少两个传感器。
对于其中所述至少两个传感器被实施为用于测量同一参数（例如pH值、氧浓度、固体含量或导电性）的情况，所述至少两个传感器能够被同时放置成与校准介质相接触。例如，它们能够被同时浸入包含在容器中的校准液体中。在这种情况中，由所述传感器所记录且被输出到所述数据处理单元的测量值能够被所述数据处理单元利用以用于校准。如果传感器是pH值传感器，那么已知pH值的缓冲溶液能够被用作校准介质。
如上文已经描述的，数据处理单元能够包含由数据处理单元可执行的操作程序。为进行校准，尤其是在由使用者借助于数据处理单元的一个或多个输入元件进行选择而进行初始化时，操作程序能够被操作在校准模式中。在校准模式中，由所述传感器在校准期间所记录的校准测量值能够被操作程序记录，并在数据处理单元的显示器系统上尤其是在共享演示中显示，例如，在共享的窗口中，或在由显示器系统同时显示的多个窗口中。
如上文提到的，能够可选地包括调整的校准能够由使用者借助于数据处理单元的显示器系统跟踪。
附图说明
现在将基于附图中的惟一的图1，进一步详细地说明本发明。其中
图1示出了用于多个pH值传感器的并行校准的装置。
具体实施方式
在图1中示意性地示出的测量装置1包括测量变送器2，该测量变送器2具有：显示元件，例如显示器3；以及交互元件，例如键4和/或旋转按压开关5，所述交互元件用于把命令输入到测量变送器2中或确认测量变送器2的报告。在这里所示的示例中测量变送器2包括带有三个连接器6的接口，三个pH值传感器8.1、8.2、8.3借助于各自的传输线7.1、7.2、7.3连接到所述三个连接器6。
经由与接口连接的传输线7.1、7.2、7.3，pH值传感器8.1、8.2、8.3可通过测量变送器2供给能量并且与测量变送器2交换数据。为此，对于待连接的传感器8.1、8.2、8.3中的每个，接口包括与传感器相关联并与传感器的相应的传输线7.1、7.2、7.3连接的功能模块（未示出）。测量变送器2包括用作其部分的容纳在测量变送器壳体中且与接口连接的处理器（未示出）。这样，对于每个传感器8.1、8.2、8.3，经由与其相关联的功能模块，形成至处理器的各自的数据传送通道。由此，传感器8.1、8.2、8.3能够经由分别与其相关联的功能模块同时且彼此独立地与处理器交换数据。在这种情况中，数据重叠作为误差来源被排除。用于构造测量变送器和接口的详细内容例如在DE102009029495A1中介绍。
处理器相应地被实施为从传感器8.1、8.2、8.3接收输入信号，并将输出信号输出到传感器8.1、8.2、8.3。处理器进一步被实施为执行与其相关联的操作程序，例如存储在测量变送器2的程序存储器中的操作程序，以将从pH值传感器输出的测量信号转换成pH值并经由显示器3输出。
在每种情况中，传感器8.1、8.2、8.3具有与环境隔绝的液体、插头14.1、14.2、14.3，现场电子器件（未示出）容纳在所述插头14.1、14.2、14.3中。一方面，现场电子器件包括电路装置，所述电路装置用于记录由pH值传感器输出的模拟电压信号，并再现当前由相应传感器所记录的pH值测量值。此外，现场电子器件包括模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器根据模拟电压信号产生数字信号，在给定的情况中，所述数字信号被进一步借助于现场电子器件来处理，或经由传输线7.1、7.2、7.3直接输出到测量变送器2。而且，在这里描述的示例中现场电子器件包括数据存储器，在所述数据存储器中存储传感器8.1、8.2、8.3的校准数据。传感器插头14.1、14.2、14.3经由插座元件13.1、13.2、13.3与传输线7.1、7.2、7.3可拆卸地连接。测量变送器2能够经由传输线7.1、7.2、7.3访问在数据存储器中存储的数据。
为进行传感器8.1、8.2、8.3的并行校准，这些被浸入到容纳在第一容器9中的缓冲溶液10中。缓冲溶液中10具有固定的已知pH值。传感器的测量信号以所描述的方式被传送到测量变送器2，并在那里被处理。由测量变送器2的处理器执行的操作程序包括校准例程，借助于所述校准例程能够并行且彼此独立地同时校准多个传感器8.1，8.2和8.3。为了调用校准例程，使用者能够从在显示器上显示的选择菜单中选择操作程序的校准模式。借助于选择菜单，使用者能够在以后返回到测量模式。这使校准例程结束。
操作程序可实例化多次，使得程序的实例与每个传感器8.1、8.2、8.3相关联。这样，传感器8.1、8.2、8.3能够彼此独立地被操作，尤其是彼此独立地被校准。在测量变送器的显示器3上显示的窗口与每个实例相关联。传感器数据和当前测量值被显示在窗口中。在这里所示的示例中，使用者能够经由标签15.1、15.2和15.3在与传感器8.1、8.2、8.3相关联的不同窗口之间来回跳转。然而，此外作为选择使窗口同时一起可见，或者对于所有传感器使校准测量值、相应的其他校准参考数据出现在一个共享窗口中。
由测量变送器2的处理器执行的操作程序的校准例程被实施为基于预定的稳定性准则来检测稳定的测量值的达到，并且一旦稳定的测量值被识别就将以中间值对其进行存储。一旦浸入到第一缓冲溶液10中的所有传感器8.1、8.2和8.3达到稳定的测量值并临时存储这些稳定的测量值，能够从第一缓冲溶液10中移除传感器，在给定的情况中，利用去离子水漂洗传感器，然后使传感器浸入到容纳在第二容器11中的第二缓冲溶液12中。第二缓冲溶液12具有的pH值不同于第一缓冲溶液10的pH值。优选地，两种缓冲溶液的pH值相差至少两个pH值等级。校准例程还被实施为还在第二缓冲液中检测传感器8.1、8.2和8.3的稳定的测量值的达到，并同样以中间值存储这些值。为调整传感器8.1、8.2和8.3，校准例程此外能够被实施为例如在服务人员对测量变送器2进行输入时，基于两个以中间值存储的测量值来调节传感器8.1、8.2和8.3的校准参数并将经调节的校准参数作为当前校准参存储在测量变送器2的存储器中和/或传感器8.1、8.2和8.3的现场电子器件的存储器中。
此后，经这样校准的传感器8.1、8.2和8.3做好了使用准备，并能够被在预定的测量点连接到当前用于进行测量的测量变送器。

Claims (13)

1.用于并行校准至少两个传感器(8.1、8.2、8.3)的装置(1)，包括：
数据处理单元(2)，所述数据处理单元(2)用于多传感器系统，其中所述数据处理单元具有接口，经由该接口所述至少两个传感器(8.1、8.2、8.3)通过各自的用于数据传输的传输线(7.1、7.2、7.3)被连接，
所述装置的特征在于，所述数据处理单元(2)被实施为并行且彼此独立地进行所述至少两个传感器(8.1、8.2、8.3)的校准，
其中，所述数据处理单元(2)具有处理器，所述处理器与所述接口连接，用于处理输入信号和输出信号，以及
其中，用于所述至少两个传感器(8.1、8.2、8.3)的操作程序被与所述数据处理单元(2)关联且由所述处理器可执行，
其中，与所述数据处理单元(2)连接的所述传感器(8.1、8.2、8.3)中的每个具有其自己的测量通道，并且其中，所述操作程序被实施为并行且彼此独立地操作所述测量通道，
其中，所述操作程序可实例化多次，并且所述操作程序的每个实例与连接到所述数据处理单元(2)的所述传感器(8.1、8.2、8.3)中的一个唯一地关联，并且与其他实例并行且彼此独立地由所述处理器可执行，从而并行且彼此独立地校准所述传感器(8.1、8.2、8.3)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，
其中，所述操作程序被实施为在校准期间同时借助于所述数据处理单元(2)的显示器系统显示由所述传感器记录的测量值。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述至少两个传感器(8.1、8.2、8.3)被实施为用于测量同一参数。
4.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述至少两个传感器(8.1、8.2、8.3)被实施为用于测量pH值。
5.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述装置的所述至少两个传感器(8.1、8.2、8.3)被实施为用于测量不同的参数。
6.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述传感器(8.1、8.2、8.3)包括现场电子器件，所述现场电子器件具有存储器，所述数据处理单元(2)能够访问所述存储器以执行所述操作程序。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，
其中，所述操作程序被实施为把当前确定的校准数据存储在所述存储器中。
8.根据权利要求1所述的装置(1)，
其中，所述数据处理单元(2)是计算机或测量变送器。
9.用于并行校准至少两个传感器的方法，包括：
把所述至少两个传感器通过各自的用于数据传输的传输线连接到用于多传感器系统的数据处理单元的接口；以及
借助于所述数据处理单元，并行且彼此独立地校准所述至少两个传感器，
其中，所述至少两个传感器中的每个具有其自己的测量通道，操作程序被实施为并行且彼此独立地操作所述测量通道，
其中，所述操作程序可实例化多次，并且所述操作程序的每个实例与连接到所述数据处理单元的所述至少两个传感器中的一个唯一地关联，并且与其他实例并行且彼此独立地由所述处理器可执行，从而并行且彼此独立地校准所述至少两个传感器。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，所述至少两个传感器被实施为用于测量同一参数，并且其中，所述至少两个传感器同时被放置成与校准介质相接触，并且由所述传感器记录的测量值被输出到所述数据处理单元并被所述数据处理单元利用以用于校准。
11.根据权利要求9或10的方法，
其中，在所述校准的情况下由所述传感器记录的校准测量值由操作程序记录，并借助于所述数据处理单元的显示器系统来显示。
12.根据权利要求9所述的方法，
其中，所述数据处理单元是计算机或测量变送器。
13.根据权利要求9或10的方法，
其中，在所述校准的情况下由所述传感器记录的校准测量值由操作程序记录，并借助于所述数据处理单元的显示器系统来在共享演示中显示。
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