CN104011528A - 用于确定和/或监测至少一个过程变量的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定和/或监测至少一个过程变量的装置(1)，该装置(1)包括：彼此流电隔离的初级侧(I)和次级侧(Ⅱ)，其中，该次级侧(II)具有对过程变量敏感的传感器元件(2)和次级侧电子单元(9)，并且提供表示该过程变量的测量信号，并且其中，该初级侧(I)具有初级侧电子单元(8)，该初级侧电子单元(8)用于评估该测量信号以及用于产生输出信号。该装置(1)的特征在于：该次级侧电子单元(9)具有调制单元(14)，该调制单元(14)通过至少有时把至少另一条信息调制到表示过程变量的测量信号上来产生经调制的测量信号，并且次级侧电子单元(9)把该经调制的测量信号经流电隔离的接口传输至初级侧(I)。

Description

用于确定和/或监测至少一个过程变量的装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监测至少一个过程变量的装置，其中，该装置具有彼此流电隔离的初级侧和次级侧，其中，该次级侧具有对过程变量敏感的传感器元件和次级侧电子单元并且提供表示该过程变量的测量信号，并且其中，该初级侧具有用于评估测量信号以及用于产生输出信号的初级侧电子单元。过程变量例如是液体或容器中的粒状材料的料位、液体的密度、粘度、导电性、流动性或pH值。
背景技术
根据现有技术已知大量的配备有两个电子单元的测量设备，该两个电子单元常常彼此流电隔离。初级侧电子单元与测量设备的电源连接，而次级侧电子单元与传感器相关联。用于提供能量和数据传输的是一个或多个流电隔离的接口，所述接口能够以电感或电容方式实施。两个电子单元之间的通信例如经频率调制从初级侧到次级侧发生并且经负载调制在反向上发生，诸如在DE102006051900A1中描述的。另外，使用振幅调制也是已知的。常常，经流电隔离的接口从初级侧到次级侧不发生通信或仅发生单向通信，并且光耦合器用于从次级侧到初级侧的数据传输。
通常，次级侧把表示过程变量的测量数据传输到初级侧，而尤其是参数数据或传感器专用识别数据从初级侧传输到次级侧。基于空间、能量和成本，初级侧与次级侧之间的接口的数量通常被减少至最少。以这种方式，可传送的信息被大大地限制。
发明内容
本发明的目的是提供用于确定至少一个过程变量的装置，在该装置的情况下，改进了初级侧与次级侧之间的信息交换。
该目的通过根据权利要求1的特征来实现。有利的进一步的发展在从属权利要求中被阐明。
与传感器元件相关联的测量设备的次级侧产生测量信号，初级侧参考过程变量评估该测量信号。根据本发明，次级侧电子单元包括调制单元，该调制单元通过至少有时把至少另一信息片段调制到表示过程变量的测量信号上来产生经调制的测量信号。次级侧电子单元把经调制的测量信号经由流电隔离的接口传输至初级侧。因此，通过评估测量信号的调制，与在仅有测量信号传输的情况下相比，初级侧获取更多信息。基于评估的经调制的测量信号继续进行，初级侧产生输出信号，该输出信号显示过程变量的当前值或错误状态并且例如可提供至控制室或装置下游的现场设备。输出信号能够例如是常用4-20mA信号并且不同于为测量设备内部的信号的经调制的测量信号。
在实施例中，调制单元执行频率调制或脉冲宽度调制。测量信号通常为交流电压信号。与测量信号相比，对应于调制单元的实施例，经调制的测量信号至少有时具有改变的频率或改变的脉冲占空比。
至少另一信息片段能够是例如关于传感器元件或次级侧电子单元的配置的信息、用于确定或监测附加过程变量的信息、或关于次级侧的当前操作状态的信息。初级侧能够检查从其传输的数据是否正确到达次级侧，例如，次级侧电子单元的配置是否正确。对于直接在次级侧执行配置的情形，初级侧通过测量信号的调制学习次级侧如何被配置。此外，通过将设置在次级侧上的参数定期传输至初级侧，使得能够实现相对于测量设备操作期间的误差所改变的参数的控制功能。相对于配置而言，这种读回功能增加装置的安全性。
在实施例中，次级侧经当前操作状态示出，次级侧电子单元是处于用于确定和/或监测过程变量的测量操作中还是处于诊断状态中。术语诊断状态是指执行诊断以发现在次级侧电子单元的部件中的缺陷和在传感器元件的部件中的缺陷的状态。
在实施例中，初级侧电子单元基于经调制的测量信号的频率来确定过程变量的当前值并且基于经调制的测量信号的脉冲宽度来记录另一信息。
在附加实施例中，初级侧电子单元基于经调制的测量信号的频率来确定过程变量的当前值并此外同样基于频率来记录另一信息。
在本发明的实施例中，其中，装置是电子振动测量设备，其具有机械可振荡单元和驱动/接收单元，其中，该驱动/接收单元利用传输的信号来激励机械可振荡单元以执行机械振荡并且从机械可振荡单元接收振荡并且将这样的振荡转换成接收的电信号，经调制的测量信号承载关于至少一个振荡特性的信息。
在电子振动测量设备的实施例中，另一信息涉及驱动/接收单元的实施或作为最小或最大限制料位的限位开关的装置的实施，或涉及振荡特性或涉及用于评估可振荡单元和/或驱动/接收单元的质量的变量。
根据一实施例，测量信号承载振荡的频率，并且，另一信息是幅度、传输信号和接收信号之间的相移、或能量需求，特别是驱动/接收单元的电流需求。初级侧根据振荡的频率来确定过程变量料位。相移的改变指示例如介质的粘度改变。如果介质降到可振荡单元下方或在频率范围(其中，振荡特性取决于过程介质)以外的振荡激励发生，则淤积的检测的是可能的。与无淤积可振荡单元的振荡幅度相比，幅度的下降表明淤积形成。可振荡单元的和驱动/接收单元的质量可经能量需求决定。
过程变量优选是介质的料位、密度和/或粘度。对于装置为电子振动测量设备的情况尤其如此。然而，过程变量能够为任意其它过程变量，诸如，例如，压力、温度、流动性或pH值。
附图说明
现在将基于附图更详细地解释本发明，其中：
图1为使用中的测量装置；
图2为图1的测量设备的示意框图。
具体实施方式
图1示出用于确定和/或监测容器4中的介质5的限制料位、密度、或粘度的电子振动的测量设备1。测量设备1布置在容器4中对应于待监测的限制料位的高度处。基于以机械可振荡单元2的形式出现的传感器单元的覆盖来检测限制料位的到达。在图示的情况中，测量设备1充当过度装料防护器并且监测介质5是否已经到达限制料位。如果情况是这样，则测量设备1产生“已覆盖”报告。
驱动/接收单元3激励可振荡单元2以执行机械振荡，例如，以谐振频率进行机械振荡。优选地，驱动/接收单元3被实施为具有一个或多个压电元件的机电变送器单元，所述一个或多个压电元件也接收可振荡单元2的振荡并且将它们转换为电信号。如果可振荡单元2被介质5覆盖，则与具有未覆盖的可振荡单元2的振荡相比，振荡频率改变。因此，借助于频率评估，限制料位是可监测的。此外，可根据振荡特性决定的是可振荡单元2周围的介质的密度和粘度。
出于电磁兼容性的原因，并且例如也为了在防爆区域中适用，测量设备1在次级侧Ⅱ和初级侧I之间使用流电隔离，该次级侧Ⅱ具有可振荡单元2和获取测量信号所需的装配到次级侧电子单元9中的电子部件，该初级侧I具有用于测量设备1的电源的连接器和用于评估关于过程变量的测量信号的初级侧电子单元8。次级侧Ⅱ将测量信号传输至初级侧I，该初级侧I评估测量信号并且产生测量设备1的输出信号。
现在将基于电子振动料位测量设备更详细地解释本发明。然而，原则上，本发明在具有流电隔离的任意测量设备中适用，在流电隔离的情况下，次级侧产生测量信号，并且初级侧从次级侧接收测量信号以便评估。
图2示出电子振动测量设备1(如图1中所示的电子振动测量设备)的配置的示意表示。传感器单元2与次级侧Ⅱ相关联，而测量设备1的电源的电压源13与初级侧I相关联。初级侧I和次级侧Ⅱ彼此流电隔离。经流电隔离的接口15(该接口能够例如为感应或电容性接口)，初级侧电子单元8将能量和数据传输至次级侧Ⅱ。能量和数据还能够经由分离的接口被传输。在这样的情况下，数据传输从初级侧I到次级侧Ⅱ单向地发生。还存在如下实施例选项：其中，例如，在次级侧电子单元9的存储器元件直接可配置，并且因此，次级侧具有用于可振荡单元2的振荡激励的振荡电路的配置的所有信息的情况下，初级侧I不将数据传输至次级侧Ⅱ。
初级侧电子单元8包括以第一微控制器11的形式的逻辑单元。次级侧电子单元9同样包括以第二微控制器12的形式的逻辑单元。代替微控制器11、12，也能够使用其它智能逻辑单元，例如，ASIC或FPGA。原则上，在次级侧上可用的也是I/O控制器或总线通信受控远程I/O扩展器。
驱动/接收单元3被集成到电振荡电路中，驱动/接收单元3激励机械可振荡单元2以执行机械振荡并且从机械可振荡单元2接收振荡。振荡电路的电子部件对于本领域的技术人员而言是充分已知的并且在此处示出为合并到处理单元7中以更好的概述。电子部件包括例如滤波器、放大器、相移器等。
第二微控制器12控制处理单元7并且根据期望的配置设置用于振荡激励的参数。该配置从第一微控制器11被传送至第二微控制器12。例如，在测量设备1被安装用于检测最大料位的情况下的配置不同于被安装用于检测最小料位的测量设备1的配置。此外，取决于驱动/接收单元3的实施会有差别。
初级侧电子单元8和次级侧电子单元9之间的通信经接口15从初级侧I到次级侧Ⅱ单向地发生。为此，第一微控制器11按照串行通信将信号发送至第二微控制器12。该信号包括配置数据。第二微控制器12利用这些数据来配置振荡电路。例如，它在振荡电路中设置滤波器或放大器的参数，分别控制开关以选择某些可能的信号路径，或它为驱动/接收单元3的传输的信号和接收的信号之间的相移建立值。测量信号从振荡电路耦合出并且以交流电压的形式存在，其频率包含关于可振荡单元2是否被覆盖的信息。测量信号被馈送至由第二微控制器12控制的调制单元14。调制单元14还能够被实施为第二微控制器12的部分。
第二微控制器12控制调制单元14，使得它根据在测量信号上施加的信息改变测量信号。在实施例中，调制单元14改变测量信号的频率。在另一个替代或附加实施例中，调制单元14改变脉冲占空比。调制单元14将经调制的测量信号经另一个流电隔离接口16引导至初级侧I以便评估。在数字实施例中，初级侧上的模拟数字转换器接收经调制的测量信号并且将其转换成数字测量信号，第一微控制器11评估该数字测量信号。然而，至少部分地模拟测量信号处理同样是可能的。
初级侧电子单元8参照频率评估测量信号，以检测可振荡单元2的覆盖状态。为此，例如，为频率提供界限值，其未超出(subceeding)与覆盖状态相关联，并且其超出与自由状态相关联。通过将测量的频率与已提供的频率相比较，相应地可认识到被监测的限制料位是否已经到达。取决于料位，初级侧电子单元8产生输出信号，例如，以4-20mA信号的形式的输出信号。该输出信号可供应至控制室中的过程监测单元或可供应至后续过程设备。
除过程变量之外，根据本发明，初级侧电子单元8根据经调制的测量信号来确定附加信息。调制单元14还能够以不同的方式调制测量信号，使得不同的信息可通过经调制的测量信号相继地传输至初级侧I。在这样的情况下，调制能够连续地或以某种间隔优选地以周期性间隔发生。下面给出能够与初级侧I相关并且可比经调制的测量信号传输的信息的示例。
初级侧电子单元8基于传输的经调制的测量信号的频率来确定料位。例如，经调制的信息能够通过可振荡单元的另一个振荡特性(诸如，在传输信号和接收信号之间的幅度或相移)被反映。由此，能够提供关于介质的密度和/或粘度的信息。基于在伴随可振荡单元2的自由振荡的频率下降低的幅度，可振荡单元2上的淤积是可检测的。
存在于振荡电路中的是可由第二微控制器12控制的开关6。对于开关6的控制信号的输出，第二微控制器12具有控制输出P1。控制输出P1与开关6的连接经虚线指示。借助于开关6，而非机械可振荡单元2，RC单元是可引入到振荡电路中的。在RC单元处接收的信号不再包含关于过程变量的信息。在这种情况下，相应地，振荡也不利用可振荡单元2的谐振频率发生，而是替换利用由次级侧电子单元9的部件预定的脱离频率(tear-off frequency)发生。在这种状态下，第二微控制器12进行振荡电路的电子部件的诊断。优选地，第二微控制器12每隔一定时间进行诊断。
脱离频率不仅能够在诊断状态期间而且也在测量操作期间存在，例如，由于淤积或高粘度，当可振荡单元2的振荡的阻尼大到使得可振荡单元2不再执行机械振荡。另外，当电缆断路存在并且可振荡单元2因此不再可激励以执行振荡时，振荡电路以脱离频率振荡。如果初级侧I评估传输的测量信号的频率并且检测脱离频率，则它产生对应于安全状态的报警信号或输出信号。例如，在用于过度装料防护器(即，用于检测最大料位的到达)的限位开关的情况下，安全状态是覆盖状态。
为了次级侧Ⅱ能够独立于来自初级侧I的命令而执行诊断并且它仍然知道在初级侧I上诊断被执行，并且在激励的可振荡单元2的情况下，测量信号的测量频率不代表振荡频率，次级侧Ⅱ将该信息传输至初级侧I。为此，当诊断被执行时，第二微控制器12控制调制单元14使得调制单元14总是改变当前测量信号的频率或脉冲占空比。在频率调制的情况下，这特别是导致脱离频率的频率移位，振荡电路在诊断状态下以该脱离频率振荡。如果初级侧电子单元8检测相应地移位的频率，或改变的脉冲占空比，则它不参照过程变量来评估传输的经调制的测量信号，或至少不产生对应的输出信号，而是保持在诊断之前产生的输出信号。以这种方式，可以防止初级侧I由于脱离频率的检测而产生假警报。由于次级侧Ⅱ独立地开始诊断，不需要诊断开始信号从初级侧I到次级侧Ⅱ的传输，使得接口15不必须为此而被激活。这节省能量。
具体地，在用于监测最大料位的限位开关的情况下，即，在“最大”配置中，因此存在四个不同的频率范围：第一范围，该第一范围伴随未覆盖的传感器单元2并且指示测量设备1的正常状态；第二范围，该第二范围伴随覆盖的传感器单元2并且导致测量设备1的输出信号的改变，因为已经实现被监测的限制料位；第三范围，该第三范围位于第一和第二范围的外部并且包括至少一个脱离频率，该脱离频率在缺陷的情况下发生并且导致报警信号的输出；以及第四范围，该第四范围通过测量信号的调制实现并且包括至少一个频率，所述至少一个频率例如为脱离频率的倍数并且指示诊断状态。
在将被公布的德国专利申请DE102010039585.4(US20130139585)中，描述了用于电子振动测量设备的变送器单元的压电元件中的耦合效应的补偿的方法，在高粘度介质中，该方法也允许在谐振频率下维持激励。当前补偿是否正被执行代表能够被调制在测量信号上的同样的信息。
可利用测量信号传输到初级侧I的其它信息是相对于测量设备1的配置而言的信息。通常，在启动测量设备1时，这样的信息由初级侧电子单元8提供给次级侧电子单元9。由于该信息然后能够从次级侧电子单元9被读出并且被传输到初级侧I，所以提供检查是否存在错误配置的机会。在这样的情况下，错误的配置能够从开始或测量设备1的工作期间发生，使得不仅在测量设备1的启动之后直接获得关于当前配置的信息是适当的，而且在测量设备1的正在进行的工作期间也是适当的。
另一个可调制的信息是驱动/接收单元3的能量需求。特别地，次级侧Ⅱ确定激励经振荡电路激励可振荡单元2共振所需的电流，并且次级侧Ⅱ经调制将电流值传输至初级侧I。初级侧微控制器11根据该信息确定振荡电路的质量，或驱动/接收单元3和可振荡单元2的质量。下降的质量例如在淤积形成在可振荡单元2上的情况下发生并且导致下降的测量精度。在一些情况下，特别是在通过与预定的界限值相比较来监测过程变量的情况下，甚至关于过程变量的不正确的陈述是可能的。通过评估关于能量需求的信息，能够防止这样的不正确的陈述。
调制单元14还能够被实施并且第二微控制器12的调制被控制以使得不同的信息已经经不同的脉冲占空比或不同的频率被调制到测量信号上。同样可能的是，通过预先确定数据传输的开始信号和信息的固定顺序，通过相同的脉冲占空比来传输不同的信息。
附图标记列表
1  测量设备
2  可振荡单元
3  驱动/接收单元
4  容器
5  介质
6  开关
7  处理单元
8  初级侧电子单元
9  次级侧电子单元
10 RC单元
11 第一微控制器
12 第二微控制器
13 电压源
14 调制单元
15 接口
16 接口
P1 开关输出
I  初级侧
II 次级侧

Claims (10)

1.一种用于确定和/或监测管线或容器(5)中的介质(4)的至少一个过程变量的装置(1)，所述装置(1)包括初级侧(I)和次级侧(Ⅱ)，所述初级侧(I)和所述次级侧(Ⅱ)彼此流电隔离，
其中，所述次级侧(II)具有对所述过程变量(2)敏感的传感器元件和次级侧电子单元(9)，并且提供表示所述过程变量的测量信号，并且
其中，所述初级侧(I)具有初级侧电子单元(8)，所述初级侧电子单元(8)用于评估所述测量信号以及用于产生输出信号，
所述装置的特征在于，
所述次级侧电子单元(9)包括调制单元(14)，所述调制单元(14)通过至少有时把至少另一信息片段调制到表示所述过程变量的所述测量信号上而产生经调制的测量信号，以及
所述次级侧电子单元(9)把所述经调制的测量信号经由流电隔离的接口传输至所述初级侧(I)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述调制单元(14)被实施为执行频率调制或脉冲宽度调制。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述至少另一信息片段涉及关于所述传感器元件(2)或所述次级侧电子单元(9)的配置的信息、用于确定或监测附加过程变量的信息、或关于所述次级侧(Ⅱ)的当前操作状态的信息。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述次级侧(Ⅱ)借助于所述当前操作状态示出所述次级侧电子单元(9)是处于确定和/或监测所述过程变量的测量操作中还是处于诊断状态中。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述初级侧电子单元(8)基于所述经调制的测量信号的频率来确定所述过程变量的当前值，并且基于所述经调制的测量信号的脉冲宽度来记录另一信息。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述初级侧电子单元(8)基于所述经调制的测量信号的频率来确定所述过程变量的当前值并且记录另一信息。
7.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，
所述装置(1)是电子振动测量设备，其具有机械可振荡单元(2)和驱动/接收单元(3)，其中，所述驱动/接收单元(3)利用传输的信号来激励所述机械可振荡单元(2)以执行机械振荡并且从所述机械可振荡单元(2)接收振荡并且把该振荡转换成接收的电信号，并且
所述经调制的测量信号承载关于至少一个振荡特性的信息。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述另一信息涉及所述驱动/接收单元(3)的实施或作为最小或最大限制料位的限位开关的所述装置(1)的实施，或涉及振荡特性，或涉及用于评估所述可振荡单元(2)和所述驱动/接收单元(3)的质量的变量。
9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，
所述测量信号承载振荡的频率，并且所述另一信息是幅度、所述传输信号和所述接收信号之间的相移、或所述驱动/接收单元(3)的能量需求，特别是电流需求。
10.如前述权利要求中的至少一项所述的装置，其特征在于，
所述过程变量是所述介质(4)的料位、密度和/或粘度。
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