CN105917279A - 过程自动化现场装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定过程变量、介质的特性和/或介质的组成的过程自动化现场装置，包括至少一个传感器单元(1)和一个显示单元(2)，其中所述传感器单元(1)和所述显示单元(2)被布置成彼此在空间上分离。所述显示单元(1)和所述传感器单元(2)设有一个或者多个通信装置(3，10)，所述通信装置(3，10)被设计成用于建立所述现场装置的所述显示单元(2)和所述传感器单元(1)之间的无线数据传送(6)。至少所述传感器单元(1)的所述通信装置(3)是通过能量采集器(8)来操作的。

Description

过程自动化现场装置

技术领域

本发明涉及一种涡流测量装置。

背景技术

通常现场装置，并且特别是流量测量装置经常被安装在其中不能够读取本地显示器的不可接入的位置处。对于这种情况，应用下列布置，在这些布置的情况下，仅必要的测量电子器件被放置于过程管线上，并且评价电子器件和显示单元被安装在易于接入的地点处。当过程管线附近的温度非常高时，也使用这种布置。

在这种情况下，测量电子器件和评价与显示电子器件之间的连接电缆输送用于操作测量电子器件的能量，并且将信号和数据从测量电子器件输送至评价和显示电子器件。这种电缆连接通常专门匹配于应用，并且出于物理和技术原因而长度受限。

从DE 20107112 U1已知的是一种具有热电转换器的温度传感器。这种热电转换器用作对整个温度传感器，因而对传感器单元以及显示和/或评价单元两者的供能。

发明内容

从现有技术出发，本发明的目标在于在安装和操作涡流测量装置的情况下，实现关于传感器单元和显示单元布置的更大灵活性。

涡流测量装置通常被应用在蒸汽管线中。这些测量装置通常具有显著高于周围环境温度的操作温度。另一方面，测量装置通常被安装在不可接入的位置中。这里，为了良好的读取性，提供远离至可接入位置的现场显示器是有意义的。对于从测量点至现场显示器的数据传输，无线通信是有利的。当能够从操作温度和周围环境温度之间的温差获得其能量时，能够省略对测量点的配线。从流体的操作温度获得能量的缺点在于在停机时不可获得能量。在蒸汽管线的情况下，这种缺点不明显，因为为了安全操作，在过程流动开始之前，首先对蒸汽管线进行加热，即由于管道已经为了操作而变暖，所以流量显示始终是可能的。然而，仍不利的是在停机期间，不可获得关于测量点的信息。因而，控制站不能区别测量装置有故障或者仅是临时没有能量。然而，不正由能量采集器供能的单独的现场装置仍能够通过其它路径与控制站通信。因而，确保了能够区别操作故障以及临时停机。当测量点在现场显示器处登陆以及退出时尤其如此；因而仅在需要时，即当可获得所采集的能量时发生无线通信。

用于确定流量相关的过程变量的本发明的涡流测量装置包括传感器单元和显示单元。

传感器单元和显示单元被布置成彼此在空间上分离。两者都专门位于相应的外壳中，该外壳限定了相应单元相对于环境的尺寸。在典型应用示例中，具有在其中流动的介质的管道能够沿厂房的天花板延伸。传感器单元能够以涡流测量传感器单元的形式布置在这种管道上。关于所测量的变量“流量”的显示单元被布置在厂房的墙壁上的眼睛高度处，以便过程技术人员能够舒适地对其进行观察。在这种情况下，显示单元也能够包含评价模块，分别是评价电子器件。

此外，根据本发明，显示单元和传感器单元设有一个或者多个通信装置，这些通信装置被设计成用于建立涡流测量装置的显示单元和传感器单元之间的无线数据传送路径。这些通信装置能够包括例如无线电发射器和无线电接收器。有意义的是，传感器单元和显示单元在位置方面的确切分离，其中仅传感器单元难以触及。然而，在这样的位置处，对传感器单元和所连接的通信装置的供能同样存在问题。理想地，因此应以非常少的能量来管理传感器单元的通信装置。因此，尤其适合作为通信装置的是近场技术的发射器和接收器，近场技术如此例如为蓝牙技术或者无线HART。近场技术的通信装置的低数据传输量和短距离实际上是不利的，但是在涡流测量装置的情况下对此不是绝对需要的，以便确保装置的足够的功能性。然而，同时使得能够以少量的能量消耗来进行数据传输。

根据本发明，至少传感器单元的通信装置是通过能量采集器来操作的，该能量采集器例如为从过程，更确切地说从过程介质中获取能量的单元。因而，传感器单元能够被安装在难以接入的区域处，而无需必须延续到传感器单元的用于供能的专用能量管线。相反，单独的显示元件能够连接至电网。

对用于操作具有远离的显示单元的传感器单元的通信模块的自给自足供能代表了涡流测量装置领域中的新事物。这使得能够促成节能操作、对所测量值更好的可读性、以及更少的安装和维护工作，因为无需用于操作传感器单元尤其用于操作通信单元的能量管线。

在使用显示单元的情况下需要更大的能量需求。然而，由于分开的构造方式，所以能够将这种能量需求交由至过程控制系统的相应能量接口。

本发明的其它优点是从属权利要求的主题。

传感器单元和显示单元之间的数据传输的频率显著取决于传感器单元的通信装置的能量要求，因为这里能量采集器必须提供能量。如果能量产出对于连续数据传输而言太小，则必须在此期间存储能量，以便允许间歇性地传输量。

由于本发明意义上的间歇发送操作是具有传输暂停的传输操作，所以已经累积了到足够能量程度的传输操作，或者所谓的“按需”传输操作。在后一种情况下，当用户期望如此时，仅传输所测量值。因而，例如用户能够致动显示单元上的相应按钮。

对于使传感器单元工作的节能方式，当无线数据传送的最大数据传输速率等于或者小于4Mbit/s，尤其等于或者小于3Mbit/s时，是有利的。对节能同样起作用的是通信模块的范围。范围越小，所需用于其操作的能量就越少。因此，当传感器单元和显示单元之间的最大间隔等于或者小于25m时，是有利的。

对涡流测量装置进行的特别节能操作导致下列程度，即最大数据传输速率等于或者小于1024Mbit/s，并且传感器单元和显示元件之间的最大间隔小于或者等于15m。

通信装置优选为WPAN通信装置。WPAN通信技术由国际标准IEEE 802.15(2013年12月的当前版本)来管理。其中，WPAN通信装置包括蓝牙发射器和接收器，以及符合IrDA的红外发射器和接收器。

不仅是通信装置，而且是完整的传感器单元，以及由此的测量换能器和通信装置都能够通过能量采集器来操作。在这种情况下，能量采集器仅被用作供能源。众所周知，能量采集器取决于边界条件，例如取决于相对温差或者取决于充足的太阳辐射。相反，在使用显示单元的情况下，由于边界条件变化，所以不发生能量不足。由能量源连续地供应恒定量的能量。因而，不依赖于能量采集器所获取的能量来操作显示单元。

能够通过过程控制系统有利地发生对显示单元的供能。为此，显示单元通过用于供能和数据量的一个或者多个线路，与过程控制系统相连接。

在这种情况下，能量采集器以紧凑方式集成到传感器单元中。因而，能量采集器被特别布置在传感器单元的外壳内。在使用热能采集器的情况下，能量采集器能够被理想地布置在外壳部分内，外壳部分将对温度敏感的现场电子器件与非常热或者非常冷的管道隔离开。然后，例如，管道代表了容纳散热片的热源和现场电子器件，散热片通过它们的隔离和它们的导热性产生了所需的温差以及所伴随所需用于热能采集的热流动。

如上已经所述，数据传送能够通过传输暂停而间歇性地发生，其中传输暂停的长度可由控制设备预定。控制变量能够为预置时间间隔。在这种时间间隔中，应采集足够的能量，以便使得能够进行数据传输。作为替选或者补充，控制变量能够为预置能量限值。到达超过该预置能量限值的程度时，则自动地执行数据传输。

涡流测量装置有利地包括至少两种操作模式。第一操作模式进行传感器单元和显示单元之间的连续或者间歇数据传输。当然，在执行该操作模式期间，也能够发生对上述过程变量和/或所测量的介质的组成的连续测量。

第二操作模式在通信装置中的一个能量不足的情况下进行退出功能。在执行这种退出功能并且传感器单元已经适当地退出的程度上，显示元件，或者在给定情况下过程控制系统获知由于能量不足而显示中断，并且在给定情况下，也获知由于能量不足存在对过程变量或者所测量的介质的组成的测量。通过这种方式，用户获得了不存在测量装置故障而仅存在临时能量不足的信息。

当传感器单元包括数据存储器时，是有利的，在该数据存储器中在数据传送的情况下收集并且提供测量数据，特别是关于将被确定的过程变量的所测量值。当可获得用于传输的足够能量时，能够传输所存储的数据包。因而，能够有利地桥接具有较小能量产出的阶段。

传感器单元也能够具有蓄能器，但是在具有足够能量产出的情况下，这种蓄能器不是必要的。

涡流测量装置尤其是能够用于在爆炸保护区中。对能量采集器的一种可能替选将为电池。然而，确切地说在所谓的Ex区域中应用电池是不利的，因为电池最初提供非常高的能量密度。出于安全规范，必须相应地调低这种能量密度。为此，附近的电路元件是必需的。能量采集器或多或少连续地传递低能量密度。在足以传输操作的程度上，这种低能量密度被直接消耗。因此，与使用电池的情况相反，在使用能量采集器的情况下，对Ex区域需求而言不发生太高能量密度的复杂调整。

能量采集器例如能够为并且优选地为从温差获取能量的模块。从其公开被全面参考的US 2005/0208908和DE 20107112 U1中获知相应的能量采集器。可替选地，能量采集器也能够为从太阳辐射获取能量的模块。这些示例仅为通过示例的方式。也能够应用其它的能量采集器。

附图说明

现在将基于实施例的示例并且在附图的帮助下更详细地解释本发明的主题，其附图示出如下：

图1是本发明的涡流测量装置的构造的示意性表示图；以及

图2是根据现有技术的现场装置的构造的示意性表示图。

具体实施方式

图2示出了本身已知并且具有传感器单元101和远离的显示单元102的现场装置的构造，诸如这种现场装置也能够被应用于涡流测量装置。术语“远离”的意思是在连接中显示单元102与传感器单元101在空间上分离。在这种情况下，分离例如能够为几米。由过程控制系统105提供对涡流测量装置的电流供应，过程控制系统105提供用于操作现场装置的能量。通过与显示单元102通信的连接电缆103，使得能够将能量和数据从现场装置传输至过程控制系统105。显示单元102和传感器单元101继而通过电缆104连接。这确保了将数据和能量传输至传感器单元101。

图1示出了具有传感器单元1和远离的显示单元2的本发明的涡流测量装置。显示单元2包括在图1中以无线电天线符号表示的通信装置10。显示单元2的电流供应11通过过程控制系统5而发生，过程控制系统5通过线路7与显示单元2相连接。过程控制系统5和评价单元2之间的数据传输也能够通过线路7而发生。

显示单元2的通信装置10在其最简单的实施例中为简单的接收单元。然而，通信装置10也能够被具体化为发射和接收单元。

传感器单元1取决于测量原理而确定所测量值，通过这些所测量值，直接地确定或者可通过计算确定过程变量、介质的特性和/或所测量的介质的组成。

典型的过程变量为流量。传感器单元1包括在测量期间从过程，更确切地说从所测量的介质中获取能量9的能量采集器8。在过程测量技术领域中存在关于适合的能量采集器的大量文献。因而，例如能量采集器可以从过程变量的压力波动中获取能量。另一种获得能量的机会是由具有变化温度的介质提供的，如此例如在低温应用或者过热蒸汽或者热气体应用的情况下。这里，用于能量获取的采集器的核心能够为珀尔帖元件。使用珀尔帖元件的限制在于引起热流动的热接触和温差。在最简单的情况下，例如在流量测量的情况下，桨轮也能够被应用于获取能量，虽然由于流动阻力，桨轮不是能量采集器的优选变体。

在这种情况下，能量采集器8是涡流测量装置的元件，然而不绝对是传感器单元1的元件。因而，在流量测量的情况下，能量采集器8能够被布置在管道上的任何位置处，并且通过能量供应线向传感器单元1馈送能量。在有利实施例中，然而能量采集器8也能够以紧凑方式集成在传感器单元1的外壳内。

显示单元2同样包括在图3中同样以无线电天线示意性示出的通信装置3。传感器单元1的通信装置3在其最简单实施例中为普通发射单元。然而，通信装置3也能够被具体化为发射和接收单元。

如图1中示意性所示，通信装置之间的数据传输通过无线电信号4而发生。然而，本发明的主旨不限于无线电连接，反而能够扩展为用于无线数据传输的其它技术。基本上，用于数据传送的能够为任何适当的无电缆(无线)传输标准(例如，LAN、WAN、MAN、PAN或者RFID)。然而，由于小能量消耗，所以尤其适合的是WPAN通信装置，诸如蓝牙装置。

在最简单实施例中，显示单元2包括显示模块，例如用于关于将被确定的过程测量变量的信息的显示器。然而，数据传输能够例如也通过声学信号，或者通过光学信号而发生。然而，显示单元也能够包括其它模块，例如评价模块，该评价模块根据所测量值计算将被确定的过程变量和/或所测量的介质的组成。在这种情况下，在显示单元2内而非在传感器单元内布置评价模块尤其有利，因为不必在传感器单元处供应用于所需的计算功率的能量。

另外，涡流测量装置也能够包括多个传感器单元，该多个传感器单元能够通过无电缆数据连接与显示单元1相连接。

能够以至少两种操作模式操作涡流测量装置，其中

I第一操作模式执行连续或者间歇数据传送；以及

II第二操作模式包括在通信装置中的一个能量不足的情况下的退出功能。

已经解释了第一操作模式。在这种操作模式中，装置传输数据，或者准备“按需”数据传输。

在第二操作模式中，传感器单元在能量不足的情况下退出显示单元。因而，剩余能量能够被用于传输信号，该信号告知显示单元存在能量不足。然后，这种信息能够被传输至过程控制系统。然后，用户获知不存在涡流测量装置故障，而仅存在能量不足。

除了上述这两种操作模式之外，涡流测量装置当然能够具有又一其它操作模式。第三种操作模式能够以信号发送休眠状态，其中不发生测量以及数据传输。因此，涡流测量装置处于待机。例如，在非常小的供能的情况下选择这种操作模式。

另外，涡流测量装置也能够具有第四操作模式，通过第四操作模式，装置在可获得足够能量的程度上重新登录并且起作用。

在附加的优选实施例中，显示单元同样包括缓冲器。这使得能够在最后数据传送的情况下显示所测量值、过程变量、介质的组成和/或特性。可选地，也能够显示数据传送的时间点，所以用户获知何时传输最后的数据包，并且所显示的值目前如何。

图1中所示的涡流测量装置尤其适合蒸汽管线中的流量测量。通常，在任何能量输送的情况下都产生蒸汽。因此，可以例如通过热电堆容易地从蒸汽的热能中获取电能。划分为测量电子器件和评价电子器件适合这种用于获取能量的方法，因为为了操作测量电子器件装置运行，仅需要测量装置的总能量摄取量的一小部分。能够容易地从过程中获取这部分能量。

将来自过程的能量供应给测量电子器件以及评价电子器件并且仅通过无线电连接传输测量结果，其意义将有限，因为通常测量结果都被以一些方式进一步处理，或者至少在过程控制系统中被绘制。优选地，对测量结果的进一步处理要求无线电接收器——即例如显示单元与进一步的过程系统——即例如过程控制系统之间的有线连接。

从能量以及从技术观点两者看，上述对信号(数据)和能量流的划分都是最有利的解决方案。

从技术观点看的优点尤其在于，具有优选集成的评价电子器件的显示单元即使在缺乏来自过程的供能的情况下仍功能性地与过程控制系统相连接。实际上不存在可用的所测量值，但是测量装置能够被进一步参数化，并且可获得诊断报告(例如，报告临时不可获得用于操作测量电子器件的能量的那些诊断报告)。

如果相反，则将完全以从过程中获取的能量来操作整个测量装置，不在临时能量不足和由故障导致的装置的完全失效之间进行区分，将是可能的。

在蒸汽应用的流量测量的实践中，例如，能够利用漩涡计数器。通过将热转换为电能的热电转换器向蒸汽管线上的漩涡计数器的本地测量电子器件，更确切地说传感器单元供能。原始信号被调节，使得数字传输成为可能。经数字化的信号被以无线方式发送至接收器，这里接收器是与显示单元2中的实际评价电子器件相连接的通信装置3。评价电子器件部分地使用用于参数化测量电子器件(例如，调节滤波器、采样速率等等)的无线电信道。评价电子器件处理所传送的信号，以便用户期望的流量测量变量(例如，体积流率、质量流量等等)能够在显示器中被显示和/或在通常的传输系统，例如4至20mA的电流回路、过程现场总线(Profibus)、FF等等中被转发至过程控制系统等等。在这种情况下，由过程控制系统对具有集成评价电子器件的显示单元供能。

Claims (14)

1.一种用于确定流量相关的过程变量的涡流测量装置，包括至少一个传感器单元(1)和一个显示单元(2)，

其中所述传感器单元(1)和所述显示单元(2)被布置成彼此在空间上分离；

其中所述显示单元(1)和所述传感器单元(2)设有一个或者多个通信装置(3，10)，所述通信装置(3，10)被设计成用于建立所述涡流测量装置的所述显示单元(2)和所述传感器单元(1)之间的无线数据传送路径(6)，以及

其中至少所述传感器单元(1)的所述通信装置(3)是通过能量采集器(8)来操作的，以及

其中所述涡流测量装置具有至少两种操作模式，其中

I第一操作模式执行连续或者间歇数据传送；以及

II第二操作模式包括在所述通信装置中的一个能量不足的情况下的退出功能。

2.根据权利要求1所述的涡流测量装置，其特征在于所述无线数据传送的最大数据传输速率等于或者小于4Mbit/s，尤其等于或者小于3Mbit/s。

3.根据权利要求1或2所述的涡流测量装置，其特征在于所述传感器单元(1)和所述显示单元(2)之间的最大间隔等于或者小于25m/s。

4.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述最大数据传输速率等于或者小于1024Mbit/s，并且所述传感器单元(1)和所述显示单元(2)之间的最大间隔等于或者小于15m。

5.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述通信装置(3，10)为WPAN通信装置。

6.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述显示单元(2)通过用于能量和/或数据量(11)的至少一个线路(7)与过程控制系统(5)相连接。

7.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述能量采集器(8)为所述传感器单元(1)的元件，并且尤其被布置在所述传感器单元(1)的外壳内，优选地被布置在管道和现场电子器件的外壳之间。

8.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于数据传送(6)以传输暂停间歇性地发生，其中所述传输暂停的长度可由控制设备预定。

9.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于数据传送(6)仅基于操作者的检索而发生。

10.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述传感器单元(1)尤其可完全通过所述能量采集器(8)来操作。

11.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述显示单元的供能不依赖于所述能量采集器所获取的能量而发生。

12.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述传感器单元(1)包括数据存储器，在所述数据存储器中在数据传送的情况下收集并且提供关于所述过程变量的测量数据。

13.根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置，其特征在于所述传感器单元(1)不具有临时蓄能器。

14.在爆炸保护区域中使用根据上述权利要求任一项所述的涡流测量装置。