CN107076700B - 用于确定被测变量的装置、传感器单元和发射器 - Google Patents

Abstract

描述并且示出了一种用于确定被测变量的装置(1)。本发明所基于的任务在于给出一种用于确定被测变量的装置，该装置允许尽可能简单地适配于测量条件。所述任务通过该装置(1)具有传感器单元(2)和发射器(3)来解决。在此，传感器单元(2)根据被测变量生成电初级信号，传感器单元(2)通过模拟输出接口(4)将该电初级信号传送给发射器(3)，并且发射器(3)对该电初级信号进行处理。此外本发明涉及传感器单元(2)以及发射器(3)。传感器单元(2)优选地允许在恒定的环境条件下的离线校准。

Description

用于确定被测变量的装置、传感器单元和发射器

技术领域

本发明涉及用于确定至少一个被测变量的装置。此外本发明涉及用于确定至少一个过程变量的传感器单元。最后本发明涉及用于处理至少一个传感器单元的初级信号的发射器。在此，所述被测变量例如可以是介质的pH值、溶解的氧或者氯的含量、物位、温度、流量、质量流量、浑浊度、氧化还原电位或者电导率。所述介质在此例如是液体、散料、气体或者混合物。

背景技术

在现代过程自动化中普遍的是确定被测变量或者过程变量，其方式是测量设备生成依赖于被测变量的(一般而言电)初级信号。在pH值的电位计测量的情况下，例如通过两个电极测量电动势，所述两个电极中的一个电极位于缓冲溶液中并且一个电极位于要测量的样品中。由此作为初级信号产生的电压允许确定pH值。在根据涡流原理测量流量的情况下，该初级信号例如包含由干扰体所生成的涡流的频率，由该频率推断出流量。

在此由一些测量设备本身将初级信号换算成被测变量的值并且输出该值。替代地，由所谓的测量变换器(另一名称是发射器)完全处理或者至少预处理初级信号并且以标准格式传送给上级单元、例如控制室，以便在那里被处理。

根据要监测的过程或者过程中的状态，可能需要确定不同的被测变量。此外就净化或者校准目的而言也可能需要更换测量装置。如果例如在校准的时间内测量设备被另一个测量设备代替，则能够减少被监测的过程的静止状态。此外在经济学并且生态学的意义上存在以下努力：简化并且统一尽可能多的设备，以便以所谓的积木原理结束(um bei demsogenannten Baukastenprinzip zu enden)。

发明内容

因此本发明所基于的任务在于，给出用于确定被测变量的装置以及传感器单元和发射器，其允许尽可能简单地适配于测量条件。

在根据本发明的用于确定至少一个被测变量的装置的情况下解决了之前所引出的并且所指明的任务，首先并且基本上所述装置的特征在于，存在至少一个传感器单元和至少一个发射器。在此，所述传感器单元根据被测变量生成至少一个电初级信号。所述传感器单元将所述初级信号通过模拟输出接口传送给发射器。最后，所述发射器处理所述初级信号。

本发明基于测量装置由至少一个发射器和传感器单元构成。因此可以优选地将对于确定被测变量来说所需的电子设备布置在发射器中。传感器单元本身可以相对简单地而且成本低地来设计。

所述传感器单元在此尤其仅仅生成通过模拟输出接口输出的模拟初级信号。在最简单的情况下至少涉及电触点。

初级信号被发射器接收并且在那里被处理。

在一种设计方案中，由发射器直接确定被测变量的值。在一种替代的设计方案中，初级信号例如被放大和/或被转换成标准信号、例如4...20mA信号。

在一种设计方案中规定，可以将传感器单元和发射器以可逆的方式相互连接。这允许更换传感器单元。

在另一种设计方案中，扩展划分为各个功能单元或模块的思想，其方式是规定：将至少一个电子嵌件分配给传感器单元。在此，所述电子嵌件具有至少一个模拟输入接口，例如可以通过所述模拟输入接口进行传感器单元的模拟初级信号的接收。电子嵌件鉴于被测变量至少处理初级信号。最后，可以以可逆的方式将电子嵌件和发射器相互连接。

在该设计方案中设置了电子嵌件，该电子嵌件用于处理初级信号。该电子嵌件在此优选地专门根据传感器单元或传感器单元的或者被测变量的类型来设计。此外可以将电子嵌件灵活地与发射器连接。因此通过电子嵌件为发射器也产生用于分析初级信号的可能性。然而电子嵌件也能够处理其它信号。如果传感器单元例如是pH探针，那么所属的电子嵌件不仅可以分析依赖于pH值的作为初级信号的电压，而且优选地分析温度探针的温度信号。

因此，通过更换电子嵌件或者将另一个电子嵌件与发射器连接，能够简单地实现传感器单元的类型的改变或者另一个被测变量的检测。

在此，在一种设计方案中，直接通过发射器的输入/输出接口输出电子嵌件的信号。在一种替代的设计方案中，电子嵌件的信号由发射器处理或者转换成可选择的输出格式(例如4...20mA、Hart、Fieldbusfoundation(现场总线基金会)等等)。

在一种设计方案中，发射器允许通过其电子嵌件连接大量传感器单元。在另一种设计方案中，发射器具有多个用于输出信号或者数据的接口。多个传感器单元和多个接口于是允许大量用于输出相应测量数据的群集(Konstellationen)。

在该设计方案中，传感器单元生成模拟初级信号，该模拟初级信号由所属的电子嵌件进行处理。电子嵌件又与发射器连接，并且也将经过处理的初级信号传送给该发射器。在一种设计方案中，电子嵌件被插入到发射器中并且因此也构成发射器的(可更换的)部分。

在此，在一种设计方案中，将传感器单元和所属的电子嵌件以可逆的方式相互连接。

总之，以模块化方式设计装置(作为测量装置)，这允许更换传感器单元、改变测量原理以及也减少成本和材料。

根据本发明的另一教导，通过用于确定至少一个被测变量的传感器单元来解决所述任务。在此，所述传感器单元具有模拟输出接口。传感器单元根据被测变量生成至少一个电初级信号，并且通过模拟输出接口输出初级信号作为模拟电信号。

在一种设计方案中，输出接口也用作输入接口。如果传感器单元例如允许测量电导率，则传感器单元通过上述接口接收例如正弦信号形式的电信号。该测量信号在此由电子嵌件递交到传感器单元上。

在一种设计方案中，由传感器单元与其它测量组件共同起作用地生成传感器单元的初级信号。这样例如生成传感器单元和参考单元之间的电压作为初级信号。

对于一系列测量原理来说需要校准所使用的传感器单元。此外，初级信号必要时也依赖于传感器单元的特定的特征参数。因此这些传感器特定的数据是对于分析初级信号来说所需的，并且应该在发射器中或者在所分配的电子嵌件中是已知的。

在一种设计方案中规定，可以在可预先规定的环境条件下离线地校准传感器单元。因此例如可以在实验室中并且因此离线地、也就是说在过程之外校准传感器单元。由此尤其可能的是，可以在可预先规定的并且优选地恒定的环境条件下进行校准。这提高使用寿命并且导致成本减少。因此可以在不同于传感器单元的使用地点的地点处校准传感器单元(必要时与电子嵌件相连接)。

在一种设计方案中，可以通过用户输入所需的数据。在另一种设计方案中，发射器或者电子嵌件包括相关的数据。在另一种设计方案中，发射器或者电子嵌件访问相应的数据库。

在一种替代的或者补充的设计方案中，传感器单元具有至少一个数据载体。在此，可以将被分配给传感器单元的数据存储在数据载体中。数据载体本身被布置在传感器单元的外壳处或者中。

在一种设计方案中，数据载体是光学元件、如条形码或者QR码，该条形码或者QR码至少包含关于传感器单元的类型或者特殊传感器单元的标识的数据。

在一种替代的设计方案中，所述数据载体是(射频识别(radio-frequencyidentification)的)RFID标签或者(近场通信(near field communication)的)NFC标签，例如也将传感器单元的校准数据保存在所述RFID标签和NFC标签中。

在一种设计方案中，将用于识别传感器单元的至少一个信息存放在数据载体中。

以下设计方案涉及传感器单元的原理构造。

在此，在一种设计方案中规定，传感器单元仅仅具有模拟输出接口。

在另一种设计方案中，传感器单元没有如下(尤其是电子)元件，所述元件根据初级信号生成数字信号。替代地或补充地，传感器单元没有根据初级信号确定被测变量的值的元件。

因此在上述两种设计方案中，传感器单元不能根据初级信号确定被测变量的值，或者不能将初级信号数字化以用于进一步的通信。

在另一种设计方案中，在传感器单元中设置了模拟电子元件，这些电子元件放大初级信号或者引起在电流信号或电压信号之间的变换，该变换因此生成纯模拟的电信号。

在另一种设计方案中，传感器单元没有电子构件。因此传感器单元基本上仅包括基于被测变量生成电初级信号的组件。在传感器单元本身中的进一步的处理或者预处理是不可能的。

因此，在确定pH值的情况下，传感器单元仅仅具有用于测量由介质所生成的电位的电极。

在其它设计方案中同样存在其它初级测量元件。如果例如设置了依赖于温度的电阻元件，那么该元件用于实际的温度测量并且在此意义上不应被理解为电子构件。

根据附加的教导，本发明涉及用于对来自至少一个传感器单元的初级信号进行处理的发射器。所述发射器在此具有至少一个电子设备容纳位置，可以将电子嵌件插入所述电子设备容纳位置中。所述电子嵌件在此被分配给传感器单元，并且用于处理传感器单元的初级信号。在此，所述电子设备容纳位置允许以可逆的方式插入电子嵌件。

至少一个电子设备容纳位置允许：发射器通过可逆地插入电子嵌件针对相应的传感器单元被适配，并且因此也适当地具有对于处理传感器单元的初级信号来说所需的组件。

在一种设计方案中，发射器具有用于从传感器单元的数据载体读入数据的至少一个数据读取单元。也可以根据数据载体的设计方案相应地实施数据读取单元。如果所述数据载体是传感器单元的一种标记、诸如条形码或者QR码，则可以设置相应的扫描器，或者需要在发射器中的相应的处理。如果所述数据载体替代地是RFID或者NFC标签，则数据读取单元允许读出存储于该标签中的数据。

在一种替代的或者补充的设计方案中，也可以通过数据读取单元将数据写入传感器单元的数据载体中。在此，在一种设计方案中，可以将例如日志形式的校准数据写入数据载体中。在一种设计方案中，发射器也可以在数据载体中插入其它数据。

在一种设计方案中规定，发射器具有至少一个无线电接口。在一种变型方案中，该无线电接口允许连接到数据库或者到上级单元、如控制室。在另一种变型方案中，可以通过无线电接口与用户的电子单元(例如平板电脑或者手持设备或者任意的移动通信单元)进行通信。

在另一种设计方案中，发射器操控继电器。

在另一种设计方案中，发射器具有附加接口、例如USB接口。

在另一种设计方案中，发射器具有至少一个输入/输出接口，替代地设置了多个这样的接口。在此，例如涉及现场总线接口，该现场总线接口例如以4...20mA/HART接口、RS485接口、FieldbusFoundation接口或者用于输入或输出数据或信号的其它接口为形式。

补充地或者替代地，将显示和/或者操作单元设置为发射器的一部分。

上面所描述的装置可以由所描述的传感器单元或者所描述的发射器构成。因此关于装置的说明也适用于传感器单元和发射器，并且反之亦然。

附图说明

详细地，存在设计并且改进根据本发明的装置、根据本发明的传感器单元和根据本发明的发射器的大量可能性。为此一方面参考从属于专利权利要求1、4和8的专利权利要求，另一方面参考结合附图对实施例的以下描述。在附图中，

图1示出纯示意性的测量装置。

具体设计方案

在图1中示意性地示出了用于确定被测变量的装置1的一部分。生成初级信号的传感器单元2用于实际的测量。具有与被测变量的预先已知的依赖性的初级信号被传送给发射器3，并且由该发射器进行处理。所述处理例如涉及预处理，例如转换成4...20mA信号，或者确定被测变量的测量值。

所述发射器3在此被设计为可变的，使得所述发射器也能够将大量不同的测量信号转换成很多不同的输出信号。这在此(如所示的那样)在过程中是可能的，但是也可以在实验室中、也就是在可预先规定的环境条件下进行。

传感器单元2总共具有两个模拟输出接口4，通过这些模拟输出接口只输出模拟信号。在所示的示例中讨论传输电压的两根导线。传感器单元2与电子嵌件5连接，该电子嵌件被分配给该传感器单元或者利用相应传感器单元2实现的测量原理。因此，只要不同的传感器单元2分别利用相同的测量原理用于确定相同的被测变量，就可以将所述传感器单元2与电子嵌件5连接。为了接收模拟初级信号，电子嵌件5具有模拟输入接口6。

只要电子单元5包含允许根据初级信号确定被测变量的值的组件，该电子单元就是为传感器单元2设置的。优选地也存放相应的分析算法。

如果根据测量方法需要校准传感器单元2或者需要用于确定被测变量的传感器单元2的特殊材料数据，则将这些数据存放在传感器单元2携带的数据载体7中。

在一种变型方案中，仅仅存放传感器单元2的标识符，由此必要时通过求助于在外部所存放的数据来提供用于确定被测变量所需的信息。

在所示的情况下，数据载体7被装入在构成传感器单元2的外壳8中。

为了利用发射器3也实现不同的被测变量的测量，这里设置了两个电子设备容纳位置9。电子嵌件5位于一个电子设备容纳位置中。另一个电子设备容纳位置对于这里被表示为物位测量设备的第二传感器单元2’的第二电子嵌件5’还是空闲的。

在此可以基于数据载体7的数据自动地识别传感器单元2，因为发射器3具有数据读取单元10。如果所述数据载体7是条形码，则数据读取单元10是条形码扫描器。如果与这里一样NFC标签被设置为数据载体7，则数据读取单元10相应地读入数据。

为了也能够访问如下传感器单元的数据，所述传感器单元在其数据载体7中没有随身携带数据或者随身携带少量数据，设置了无线电接口11，发射器3通过该无线电接口访问外部数据库12。

这里与发射器3连接的传感器单元2(或者更准确地通过该传感器单元在电子设备容纳位置中所插入的电子嵌件5)用于pH测量。为此设置了测量电极13和参考电极14。测量电极13位于利用玻璃膜15封闭的玻璃体中。在隔膜16的一侧形成传感单元2的外壳8的边界。附加地还设置了温度传感器。同样可以将电触点安置在该温度传感器上，使得也能够将温度信号用于确定pH值。为了清楚起见，这在这里没有被示出。

这里直接分别通过导线17将两个电极13、14与电子嵌件5的模拟输入接口6连接。模拟输出接口4在此情况下因此仅仅是两个电连接触点。替代地，通过(没有示出的)多极电缆将传感器单元2和电子嵌件5相互连接。

电子嵌件5在使用校准数据的情况下根据分别出现的电位确定pH值的度量。

优选地将统一的格式用于电子嵌件5、5’的输出信号，使得发射器3始终能够相同地处理这些信号。

为了进一步的数据处理，发射器3具有自身的数据存储器18，在该数据存储器中附加地存放了不同传感器单元2或电子嵌件5的数据。

第二电子嵌件5’在这里具有存储单元19，可以将关于多个不同传感器单元2或第二传感器单元2’的数据存放在该存储单元中。

如果测量数据适当地被处理或者预处理，则发射器3通过其现场总线接口20和现场总线21将所述测量数据传送给(这里没有示出的)控制室。

这里由用户22在使用平板电脑23的情况下进行对发射器3或者因此也对通过传感器单元2、2’的测量的控制。

Claims (9)

1.用于确定至少一个被测变量的装置(1)，具有至少一个传感器单元(2)和至少一个发射器(3)，其中所述传感器单元(2)根据所述被测变量生成至少一个电初级信号，其中所述传感器单元(2)通过模拟输出接口(4)将所述初级信号传送给所述发射器(3)，并且其中所述发射器(3)处理所述初级信号，

其中所述传感器单元(2)仅仅具有所述模拟输出接口(4)，并且其中所述传感器单元(2)没有根据所述初级信号生成数字信号和/或根据所述初级信号确定所述被测变量的值的元件，

其中至少一个电子嵌件(5)被分配给所述传感器单元(2)，所述电子嵌件(5)具有至少一个模拟输入接口(6)，所述电子嵌件(5)鉴于所述被测变量至少处理所述初级信号，并且所述电子嵌件(5)和所述发射器(3)能够以可逆的方式相互连接，其中所述电子嵌件(5)能够可逆地插入所述发射器(3)的至少一个电子设备容纳位置(9)中，

其中所述电子嵌件被插入到所述发射器中并且构成所述发射器的可更换的部分，

其中所述传感器单元(2)具有至少一个RFID标签或者NFC标签形式的数据载体(7)，其中能够在所述数据载体(7)中存储被分配给所述传感器单元(2)的数据，并且其中所述数据载体(7)布置在所述传感器单元(2)的外壳(8)上和/或中。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述被测变量是pH值。

3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述传感器单元(2)和所述发射器(3)能够以可逆的方式相互连接。

4.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，能够在能预先规定的环境条件下离线地校准所述传感器单元(2)。

5.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述传感器单元(2)没有电子构件。

6.用于处理至少一个传感器单元(2)的初级信号的发射器(3)，具有至少一个用于被分配给所述传感器单元(2)的并且处理所述传感器单元(2)的初级信号的电子嵌件(5)的电子设备容纳位置(9)，其中所述电子设备容纳位置(9)允许可逆地插入所述电子嵌件(5)，

其中所述电子嵌件被插入到所述发射器中并且构成所述发射器的可更换的部分，

其特征在于，存在至少一个用于从所述传感器单元(2)的数据载体(7)读入数据的数据读取单元(10)。

7.根据权利要求6所述的发射器(3)，其特征在于，所述数据读取单元(10)被设计用于将数据写入所述传感器单元(2)的数据载体(7)中。

8.根据权利要求6所述的发射器(3)，其特征在于，所述发射器(3)具有至少一个无线电接口(11)。

9.根据权利要求6所述的发射器(3)，其特征在于，所述发射器(3)具有至少一个输入/输出接口(20)。

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