CN111480053B - 用于空间分辨地确定至少一个物理或化学过程变量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空间分辨地确定布置在自动化系统的容器(1)中的可流动介质(2)的至少一个物理或化学过程变量的系统，该系统设置有至少一个传感器(3)，该传感器(3)可以在介质(2)和/或容器(1)中移动并且查明有关至少一个过程变量的信息；设置有位置确定单元(4)，该位置确定单元(4)提供有关传感器(3)相对于介质(2)和/或容器(1)的各个当前位置的信息；并且设置有数据传输单元(5)，该数据传输单元(5)收集关于传感器(3)的各个当前位置的信息以及由传感器(3)提供的关于至少一个过程变量的相应信息和/或将信息传递给外部控制单元和/或显示单元(6、7)。

Description

用于空间分辨地确定至少一个物理或化学过程变量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于空间分辨地确定布置在自动化系统的容器中的可流动介质的至少一个物理或化学过程变量的系统。介质优选是具有或不具有固体部分或气体的液体。

背景技术

在自动化系统中，尤其是在过程自动化系统中，经常会使用用于检测介质的不同过程变量的测量装置。测量装置通常由至少一个传感器和一个电子单元组成，电子单元处理传感器的数据并为相应的过程变量生成测量值。测量装置通常被设计为紧凑型设备——在这里，传感器和电子单元构成单元。然而，传感器和电子单元也可以彼此偏移地布置。在两种情况下，都可以通过有线或无线方式进行传感器和电子单元之间的通信。

在限定的测量点处采用已知的解决方案确定相应的过程变量：位于任何类型的容器(罐，管道等)中的介质的填充水平、流量、压力、温度、湿度、pH、电导率、浊度、化学成分等。测量点由测量装置或传感器的安装位置进行限定。因此，传感器提供关于过程变量的信息，过程变量源自于相应的测量点和/或源自于相应测量点的紧邻处。如果需要有关不同测量点的过程变量的信息，则必须在每个感兴趣的测量点处安装相应的测量装置或相应的传感器。当然，这相当复杂并因此昂贵。

此外，将设计成传感器球体的温度传感器加入到可流动的测量介质中尤其是用于介质中的温度测量是已知的。然后，根据介质的流动状况，传感器球体在介质中任意地且随机地移动，并且在某些时间点或连续地从当前所处的测量点收集测量数据。随后，从介质中取出传感器球体，并且可以例如基于读取的数据来确定在介质中占主导的温度平均值。

这些已知的解决方案的缺点是显而易见的。在提到的第一种已知解决方案中，测量数据代表在一个或几个选定的和预定的测量点处的过程变量。这些值是否代表介质中的过程变量仍然是不确定的。对于提到的第二种已知解决方案，尽管过程变量的测量数据源于介质中的不同测量点，但传感器球体在容器中确定过程变量的测量数据时的测量点仍是未知的。除缺少位置信息之外，测量数据的缺点还在于它不是实时可用的。尤其是在期望过程变量快速变化的动态过程的情况下，第二种解决方案也不是很有用，这是因为在所有的情况下，测量数据仅提供有关过去的过程/过程变量的状态/值的结论。第二种解决方案不适用于控制目的。

发明内容

本发明基于提出一种能够空间分辨出对于可流动介质的至少一个过程变量的检测的系统的目的。

为了实现该目的而提出了以下描述的系统，该系统用于布置在自动化系统的容器中的可流动介质的至少一个物理或化学过程变量的空间分辨地确定：设置至少一个传感器，该传感器在介质和/或容器中可移动并查明有关至少一个过程变量的信息。此外，设置了如下部件：位置确定单元，其提供关于传感器相对于介质和/或容器的各个当前位置的信息，以及数据传输单元，其收集关于传感器的各个当前位置的信息以及由传感器提供的关于至少一个过程变量的相应信息，和/或将信息传递给外部控制单元和/或显示单元。可替代地，测量数据可以作为未评估和未处理的原始测量数据或者作为已评估和已处理的测量数据存储在传感器中。因此，根据实施例，将合适的电子和/或存储部件分配给传感器。

以预定的时间间隔进行数据的传输。然而，测量数据也可以实时连续不断地传输到外部电子单元或布置在容器中的电子单元。可以无线地进行传输，或者传感器寻找设置在容器中的电子单元，停靠在那里并优选经由电容的、电感的或光学的传输路径无线地传输数据。

在以下事实中可以看出根据本发明的解决方案的优点：关于过程变量值的信息存在于介质或容器中的任何任意的和/或期望的位置处。优选地，如果过程需要的话，则除了位置说明之外，测量数据还被提供了相应的时间戳。位置是相对于位于容器中的介质和/或相对于容器而指定的。因此，过程变量的位置相关的测量数据和/或过程变量的时间相关、位置相关的进展都是可用的。

作为以上提到的对接解决方案的一种替代方案，数据通过连接到传感器的相应的无线电设备实时转发到显示或存储器单元。取决于特定的应用，无线电设备可以被配置为发送单元或者发送和接收单元。

如果测量数据被用于例如控制目的或者重新校准例如永久安装的传感器测量装置，则仅在偏离预定义的设定值的情况下才传输测量数据。这降低了传输测量数据所需的能量。此外，该实施方式的优点在于，必须在传感器/测量装置中保持相应减小的存储空间是可用的。此外，实现了更高的数据安全性，这是由于在不知道基本设定值范围的情况下不能解释测量数据。通过该措施可以实现对测量数据的加密。

此外，根据本发明的系统的优点在于，节省了在永久安装的传感器/测量装置的情况下所需的安装工作。

取决于介质中占主导的流动条件，传感器的位置变化跟随围绕传感器并使其移动的介质的运动。这同样使之有可能例如做出关于介质中的涡旋形成或流动条件的陈述。然而，为了提供根据本发明的系统的有利实施例，传感器被分配有驱动单元，该驱动单元被设计成使得传感器相对于介质和/或相对于容器移动到不同的位置，或者传感器相对于介质和/或容器可移动。特别地，如果介质中的流动近似为零，则这是必要的。

在被驱动的传感器/测量装置的情况下，运动路径也可以随机延伸。然而，也有可能以限定的方式控制传感器的运动。特别地，这使传感器有可能例如优选从介质的关键区域提供测量数据。

根据本发明的系统的有利的进一步改进方案提供了驱动单元被设计为使得从介质和/或容器中的介质所经历的过程产生用于改变位置和/或将信息传输到外部控制和/或显示单元所需的能量。例如，在介质处于运动的情况下，动能可以通过发电机转换为电能，电能随后可以被传感器用于控制介质或容器内的不同位置和/或用于处理和转发测量数据。

替代地，提出了传感器具有有限容量的相关联能量源或用于能量供应的可充电能量源。此外，提供了将具有有限容量的能量源或用于能量供应的可充电能量源分配给外部控制和/或显示单元。

如上所述，驱动单元优选地被分配有控制程序，其中，控制程序被设计成使得传感器控制相对于介质和/或容器的不同位置。也已经提到了优选实施例，其中，传感器被分配有存储器单元，在该存储器单元中临时存储关于传感器的各个当前位置的信息和关于由传感器提供的至少一个过程变量的对应信息。

此外，位置确定单元被构造成至少在传感器提供关于至少一个过程变量的信息时的时间点处提供和/或存储传感器在容器内的位置。如果对于精确地确定各个过程变量有必要的话，则优选将用于确定传感器位置的陀螺仪分配给传感器。

三角测量法优选被用于位置确定。为此，在容器内或容器上提供至少一个参考点。可以在任何时候通过三维运行时间、优选超声波的三维运行时间测量以及通过容器(容器内部的参考系统)尺寸的知识来确定传感器的当前位置。相应的位置确定单元在现有技术中是众所周知的。替代地，可以通过GPS进行位置确定。

还提出了以下内容：一种用于空间分辨地确定布置在自动化系统的容器中的可流动介质的至少一个物理或化学过程变量的方法，其中，使用了如上文在不同实施例中所描述的系统。该方法包括以下方法步骤：

-在自动化系统的调试阶段，加入到介质中的至少一个传感器从容器和/或介质中的多个位置提供关于至少一个过程变量的信息，

-关于至少一个过程变量的信息被用于确定关于至少一个过程变量的信息的偏差超过预定阈值的多个相关位置，

-在随后的操作阶段中，传感器优选在相关位置之间移动，以便提供关于至少一个过程变量的信息。

本发明还涉及一种用于空间分辨地确定布置在容器中的自动化系统的可流动介质的至少一个物理或化学过程变量的方法，其中，同样使用了如上面在不同实施方式中所描述的系统。该方法包括以下方法步骤：

-在自动化系统的调试阶段中，至少一个传感器从容器和/或介质内的多个位置提供关于至少一个过程变量的信息；

-关于至少一个过程变量的信息被用于确定关于至少一个过程变量的信息的偏差超过预定阈值的多个相关位置；

-在操作阶段开始之前，用于确定至少一个过程变量的传感器被永久地安装在相关位置处，这些传感器在操作阶段中提供关于至少一个过程变量的信息。

相关位置是介质或容器内的位置，在该位置处将要被确定的过程变量采取了例如极限值。可以提及蒸馏塔作为示例。作为介质中的过程变量的不同行为的详细了解的结果，可以以使得它们最佳地适配将要在各个测量点处测量的过程变量的数值或数值范围的方式选取永久安装的传感器/测量装置或者对永久安装的传感器/测量装置进行参数化。

此外，根据前述方法的有利实施例，提出了以下内容：

-在操作阶段中，除了永久安装的传感器之外，还将至少一个传感器加入到介质或过程中并被配置成移动到介质或过程中的不同位置，其中，移动的传感器优选控制永久安装的传感器附近的连续位置，并且从那里提供关于至少一个过程变量的信息；

-如果由至少一个永久安装的传感器和至少一个移动的传感器提供的关于至少一个过程变量的信息的偏差处于预定的公差范围之外，则产生错误消息。

如果移动的传感器和永久安装的传感器的测量值之间的偏差处于预定的公差范围之外，可选地通过外部控制单元和/或显示单元对永久安装的传感器进行重新校准。可以通过有线或无线方式进行重新校准。

以上描述的两种方法的一种优选改进方案提供了优选仅当关于由永久安装的传感器和至少一个移动的传感器提供的至少一个过程变量的信息的偏差处于预定的公差范围内时才将关于至少一个过程变量的信息传输给外部控制单元和/或显示单元。

附图说明

参考以下附图更加详细地解释本发明。附图显示如下：

图1：根据本发明的系统的实施例的示意图。

图2：用于可视化能够采用根据本发明的系统执行的第一方法的流程图，以及

图3：用于可视化能够采用根据本发明的系统执行的第二方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的系统的实施例的示意图，该系统用于空间分辨地确定布置在容器1中的可流动介质2的至少一个物理或化学过程变量。至少一个传感器3——由三个传感器3表示——相对于介质2或相对于容器1移动，并且收集来自介质2内的不同位置的测量数据。传感器3具有任意设计，但优选具有流线型设计。它们在介质2中“自由地”运动，也就是说，它们跟随介质2本身的运动，和/或它们被分配有专用的驱动单元8，传感器3经由驱动单元8执行随机的或受控的运动。

每个传感器3被分配有位置确定单元4，该位置确定单元4提供关于传感器3相对于介质2和/或容器1的各个当前位置的信息。借助于数据传输单元5，关于传感器3的各个当前位置的信息和关于由传感器3提供的至少一个过程变量的相关信息被检测/收集和/或传输到外部控制单元和/或显示单元6、7。外部控制单元和/或显示单元6、7被设计为例如传感器3在容器1上的对接站。在某些时间间隔处，传感器3控制对接站6，传输存储器单元10中收集的数据，其然后被转发到显示/控制单元7。可选地，在对接期间，与传感器3关联的可充电能量源11同样被充电。传感器3附加地或替代地将测量数据无线电发送到外部控制单元和/或显示单元6。流线型的传感器3具有驱动单元8，该驱动单元8被设计成使得传感器3从过程/介质接收其所需的能量。在介质中或在容器中的确定位置处设置了永久安装的传感器/测量装置9。上面已经详细描述了根据本发明的系统的其他有利实施例。

图2示出了用于可视化第一方法的流程图，该第一方法可以采用根据本发明的用于空间分辨地确定布置在容器1中的可流动介质2的至少一个物理或化学过程变量的系统执行。该方法尤其是用在首次或随后的调试在容器中发生的过程。

在程序点20处开始该方法之后，在程序点21处对容器1中发生的过程或系统进行调试。在程序点22处，一个或多个传感器3连续地或在某些时间间隔处提供关于至少一个过程变量的测量数据。由于传感器3相对于介质2和/或容器1运动，因此与过程变量有关的测量数据源自于不同的位置P。优选地基于容器和/或介质内部的参考系统限定并确定一个或多个传感器3的位置P。在程序点23处，由外部控制单元和/或显示单元6、7基于位置相关的测量数据确定多个相关位置，假定在该相关位置处，例如至少一个过程变量的测量数据的偏差超过了预定的阈值，预定的阈值例如与介质2中的过程变量的预定平均值有关。这些位置P被认为是过程内的关键位置。在自动化系统的随后正常操作期间——也就是说在容器1中发生的限定的过程期间——传感器3优选在相关位置之间移动或者多个传感器3优选在相关位置之间移动，以提供关于至少一个过程变量的信息。该步骤对应于程序点24。

图3示出了用于可视化第二方法的流程图，该第二方法可以采用根据本发明的用于空间分辨地确定布置在容器1中的可流动介质2的至少一个物理或化学过程变量的系统执行。程序点30-33对应于上述方法的程序点20-23，因此省略重复。然而，在正常操作中——在程序点34处——用于确定至少一个过程变量的传感器3在这里被永久地安装在调试阶段确定的相关位置。在自动化系统的正常操作期间，这些传感器随后提供关于至少一个过程变量的信息，特别是来自于容器1或过程中的关键位置/测量点的信息(程序点34)。

附图标记列表

1 容器

2 介质

3 移动的传感器

4 位置确定单元

5 无线电单元

6 容器上的外部控制单元和/或显示单元

7 远离容器的外部控制单元和/或显示单元

8 驱动单元

9 永久安装的传感器

10 存储器单元

11 能量源

12 陀螺仪

Claims (14)

1.用于空间分辨地确定布置在自动化系统的容器(1)中的可流动介质(2)的至少一个物理或化学过程变量的方法，其中使用系统：其中设置有至少一个传感器(3)，所述传感器在所述介质(2)和/或所述容器(1)中可移动并查明关于至少一个过程变量的信息，其中设置有位置确定单元(4)，所述位置确定单元(4)提供关于所述传感器(3)相对于所述介质(2)和/或所述容器(1)的各个当前位置的信息，并且其中设置有数据传输单元(5)，所述数据传输单元(5)收集关于所述传感器(3)的各个当前位置的信息以及由所述传感器(3)提供的关于至少一个过程变量的相应信息和/或将所述信息传递给外部控制单元和/或显示单元，其中，所述方法包括以下方法步骤：

-在所述自动化系统的调试阶段，所述至少一个传感器(3)从所述容器(1)和/或所述介质(2)中的多个位置(P)提供关于所述至少一个过程变量的信息；

-关于所述至少一个过程变量的所述信息被用于确定关于所述至少一个过程变量的所述信息的偏差超过预定阈值的多个相关位置；

-在随后的操作阶段中，所述传感器(3)在所述相关位置之间移动，以便提供关于所述至少一个过程变量的信息。

2.用于空间分辨地确定布置在自动化系统的容器(1)中的可流动介质(2)的至少一个物理或化学过程变量的方法，其中使用系统：其中设置有至少一个传感器(3)，所述传感器在所述介质(2)和/或所述容器(1)中可移动并查明关于至少一个过程变量的信息，其中设置有位置确定单元(4)，所述位置确定单元(4)提供关于所述传感器(3)相对于所述介质(2)和/或所述容器(1)的各个当前位置的信息，并且其中设置有数据传输单元(5)，所述数据传输单元(5)收集关于所述传感器(3)的各个当前位置的信息以及由所述传感器(3)提供的关于至少一个过程变量的相应信息和/或将所述信息传递给外部控制单元和/或显示单元，其中，所述方法包括以下方法步骤：

-在所述自动化系统的调试阶段，所述至少一个传感器(3)从所述容器(1)和/或所述介质(2)中的多个位置(P)提供关于所述至少一个过程变量的信息；

-关于所述至少一个过程变量的所述信息被用于确定关于所述至少一个过程变量的所述信息的偏差超过预定阈值的多个相关位置，

-在操作阶段开始之前，用于确定至少一个过程变量的传感器(3)被永久地安装在所述相关位置，这些传感器在所述操作阶段中提供关于所述至少一个过程变量的信息。

3.根据权利要求2所述的方法，

-其中，在操作阶段中，除了永久安装的传感器之外，还将至少一个传感器(3)加入到所述介质(2)或所述过程中，并且所述传感器(3)被配置成移动到所述介质(2)或所述过程中的不同位置(P)，其中，所述移动的传感器(3)控制所述永久安装的传感器附近的连续位置，并且提供关于所述至少一个过程变量的信息，以及

-其中，如果由所述永久安装的传感器和所述至少一个移动的传感器(3)提供的关于所述至少一个过程变量的所述信息的偏差处于预定的公差范围之外，则产生错误消息。

4.根据权利要求3所述的方法，

其中，仅当由所述永久安装的传感器和所述至少一个移动的传感器(3)提供的关于所述至少一个过程变量的所述信息的偏差处于预定的公差范围内时，才将关于所述至少一个过程变量的所述信息传输到所述外部控制单元和/或显示单元。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，

其中，所述传感器(3)借助于驱动单元(8)而相对于所述介质(2)和/或相对于所述容器(1)移动。

6.根据权利要求5所述的方法，

其中，所述驱动单元(8)从所述介质(2)和/或从所述容器中的所述介质(2)经历的过程中产生改变位置和/或将信息传输到所述外部控制和/或显示单元所需的能量。

7.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，

其中，设置具有有限容量的能量源或可充电能量源，用于向设置在所述容器(1)中的所述系统的组件或所述系统供电。

8.根据权利要求2-4中的任一项所述的方法，

其中，用于能量供应的具有有限容量的能量源或可充电能量源被分配给所述外部控制和/或显示单元。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，

通过分配给所述驱动单元(8)的控制程序，所述传感器(3)相对于所述介质(2)和/或所述容器(1)被移动到不同位置(P)。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，

通过分配给所述驱动单元(8)的控制程序，所述传感器(3)相对于所述介质(2)和/或所述容器(1)被移动到不同位置(P)。

11.根据权利要求2-4中的任一项所述的方法，

其中，关于所述传感器(3)的各个当前位置的信息以及关于由所述传感器(3)提供的至少一个过程变量的相应信息被临时存储在分配给所述传感器(3)的存储器单元(10)中。

12.根据权利要求2-4中的任一项所述的方法，

其中，所述位置确定单元(4)被配置为至少在所述传感器(3)提供关于至少一个过程变量的信息的时间点处提供和/或存储所述传感器(3)在所述介质(2)和/或所述容器(1)内的位置。

13.根据权利要求2-4中的任一项所述的方法，

其中，陀螺仪(12)被用于确定所述传感器(3)的位置。

14.根据权利要求2-4中的任一项所述的方法，

其中，所述位置确定单元(4)借助于三角测量法来确定所述传感器(3)的所述当前位置。

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