CN113227726A - 料位测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定特别是料位测量装置的可服务性的方法，用于进行测量的该料位测量装置包括至少一个对应的电子单元(11、12)。原则上，该方法可以应用于任何类型的现场装置(1)，在该情况下，至少一个电子单元(11、12)借助于现场装置(1)的储能器(14)供电。该方法包括以下方法步骤：测量储能器(14)的电容(C)和/或测量储能器(14)处的功耗(p11、p12)。根据本发明，如果储能器(14)的电容(C)低于定义的最小电容(Cmin)和/或如果功耗(p11、p12)偏离预定的正常消耗(pnorm)，则将现场装置(1)分类为不能可靠地操作。根据本发明的方法的优点在于，除了功能诊断之外，特别是还可以通过记录功耗(p11、p12)或渐进式测量周期的电容(C)来创建直至剩余操作时间(Δt2)的预期耗费的预测。

Description

料位测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于检查现场装置的可服务性和预期的剩余服务时间的方法。
背景技术
在过程自动化技术中使用现场装置来确定对应的过程变量。为此，现场装置的功能在每种情况下均基于合适的测量原理，以便捕获过程变量，诸如料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电势或电导率。各种各样的此类现场装置由Endress+Hauser公司生产并分销。
为了测量容器中的填充材料的料位，已经建立了基于雷达和超声的测量方法，因为它们坚固且需要最少的维护。这些测量方法的主要优势在于它们能够准连续地测量料位。在本专利申请的上下文中，术语“雷达”是指具有0.03GHz至300GHz之间的频率的信号或电磁波。术语“超声”应理解为是指具有12kHz至10MHz之间的频率的声学信号。
通常，由于内部老化效应或由于环境影响，随着正常运行时间累积，现场装置的可服务性可能会丧失。例如，这可能是由缓冲电容器中的电容的降低、由振荡器失谐或由放大器单元中的阻抗变化引起的。一方面，如果不能从外部辨别出不再正确地检测到过程变量或料位，则这可能是有问题的。这可能会导致加工厂中的临界状态，诸如容器的过度装料。另一方面，装置的意外发生的功能故障可能导致加工厂的长时间停机，其结果是经营者可能会遭受可观的财务损失。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法，借助于该方法可以监测现场装置的可服务性和剩余服务时间。
本发明通过一种用于确定现场装置的可服务性的方法解决该目的，该现场装置包括用于测量过程变量的至少一个电子单元。该电子单元至少由现场装置的储能器供电。该方法包括以下方法步骤：
-测量储能器的电容，和/或
-测量储能器处的功耗。
根据本发明，如果储能器的电容降到定义的最小电容以下，和/或如果功耗偏离预定的正常消耗，则将现场装置分类为不可服务。由于储能器的电容通常取决于料位测量装置处的温度(取决于现场装置的应用领域)，所以如果在现场装置处测量温度并且如果将储能器的允许最小电容定义为取决于所测量的温度的函数，则这可能是有利的。
根据本发明的方法的另一个优点在于，现场装置本身可以检查其自身的可服务性，以便能够在有疑问的情况下表明这一点或将其报告给上级过程控制中心。另外，不仅可以诊断现场装置是否整体上在功能上不合适，而且还可以检查各个部件中的哪个是有缺陷的并且从而导致现场装置的功能故障。在跌破最小电容的情况下，认为储能器是有缺陷的。如果所测量的功耗偏离正常消耗，则应将由储能器供电的电气单元中的一个视为有缺陷的。
根据本发明，没有以固定的方式规定如何在储能器处测量储能器的电容或功耗。可以例如通过在储能器的定义的放电期间测量储能器上的随时间的压降来测量电容。因此可以得出电容：
Figure BDA0003107680570000021
还可以通过测量压降来确定储能器处的功耗：在待测试的电子单元已接通定义的时间段之后(其中，切断由储能器馈给的现场装置的所有其他电子单元)，因此可以相应地测量储能器处的随时间的压降：
Figure BDA0003107680570000031
在电压测量的情况下，现场装置必须相应地被分类为不可服务，因为所测量的压降超过预先定义的最大压降。
基于根据本发明的方法，假设料位测量装置当前仍可服务，则可以就直到料位测量装置的可能的功能故障之前还剩下多少剩余服务时间而言附加地进行关于“预测性维护”的原则的预测。可以基于储能器的预期剩余服务时间或也基于电子单元的预期剩余服务时间来进行预测。在储能器的情况下，例如，在储能器的电容当前未处于所定义的最小电容以下的情况下，电容的变化函数可以经由连续的测量周期来确定。这可以通过合适的数学函数对在测量周期(其中，确定过程变量)中测量的电容进行近似估算来完成。因此，可以基于当前电容并基于电容变化函数来计算直到跌破最小电容的剩余服务时间。
类似于储能器的剩余服务时间，通过使用合适的数学函数对经由测量周期测量的功耗进行近似估算，还可以经由渐进式测量周期来确定电子单元中的一个的功耗的对应变化函数。进而，对此的先决条件是，储能器处的功耗当前不会明显偏离正常消耗。不言而喻，为了确定所讨论的电子单元在功耗期间的预期剩余服务时间，将仅允许该特定电子单元由储能器馈给。在功耗期间，必须相应地切断所有其他单元。因此，可以基于当前功耗并基于对应的变化函数来计算直到超过正常消耗的最小偏差的第二剩余服务时间。
取决于所计算的剩余服务时间(即，储能器的剩余服务时间或电子单元中的一个的剩余服务时间)中的哪一个较短，可以将最短的剩余服务时间定义为直到现场装置的预期功能故障的相关剩余服务时间。
如果不基于各个部件的可服务性来确定现场装置的估计剩余服务时间，则也可以仅基于储能器处的压降(在电容测量期间或在功耗测量期间)来确定剩余服务时间。其先决条件又是所测量的压降尚未超过预先定义的最大压降。相应地，必须经由渐进式测量周期来确定压降的变化函数，因为在每种情况下，在渐进式测量周期中测量的压降均由合适的数学函数来近似估算。因此，可以基于压降的当前值并基于对应的变化函数来计算直到最大压降(也就是说，直到现场装置的功能故障)的剩余服务时间。与建立变化函数的基础无关，例如可以借助于最小二乘法确定用于相应变化函数的合适的函数类型。
与根据本发明的方法类似，本发明的目的通过基于雷达的料位测量装置来实现，该料位测量装置用于测量位于容器中的填充材料。料位测量装置包括以下部件以用于执行该方法：
-储能器，
-信号生成单元，该信号生成单元由储能器馈给并且被设计为在填充材料的方向上发射雷达信号或超声信号，
-评估单元，该评估单元由储能器馈给并且被设计为基于在填充材料表面上反射的信号来确定料位，
-控制单元，该控制单元被设计为
○接通和切断信号生成单元和/或评估单元或其各个功能块，
○确定储能器处的功耗，并且
○确定储能器的电容，并且
○在储能器的电容降到最小容量以下或者功耗偏离定义的正常消耗的情况下，将现场装置分类为不可服务。
为了进行直至不可服务性的预测，优选的是，控制单元被设计为假设控制单元当前将料位测量装置分类为可服务，则基于所测量的电容和/或基于所测量的功耗来确定对应的剩余服务时间。在这种情况下，还有利的是，控制单元被设计为将任何不可服务性或预测的剩余服务时间传输到上级单元(诸如过程控制单元)。当储能器被设计为缓冲电容器时根据本发明的方法特别适合，因为电容器随着测量周期的增加而表现出对应的劣化现象。为了对储能器进行充电，料位测量装置例如可以被设计为使得储能器可以被连接到上级单元。
在本发明的范围内，原则上应将术语“单元”理解为是指为其预期目的而适当设计的电子电路。因此，取决于需要，它可以是用于生成或处理对应的模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是(基于半导体的)数字电路，诸如与程序交互的FPGA或存储介质。在这种情况下，程序被设计为执行对应的方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在这种情况下，料位测量装置的各种电子单元在本发明的意义上也可以潜在地访问公共的物理存储器或借助于相同的物理数字电路来操作。
附图说明
参考以下附图更详细地解释本发明。如下所示：
图1：基于雷达或基于超声的料位测量装置的典型布置，
图2：料位测量装置的电路设计，
图3：根据本发明的方法的示意性顺序；以及
图4：料位测量装置的剩余服务时间的计算。
具体实施方式
下面使用料位测量的示例更详细地解释根据本发明的用于评估现场装置的可服务性的方法。为了基本理解，图1示出了基于雷达的料位测量装置1在容器2上的典型布置。在容器2中是填充材料3，其料位L将由料位测量装置1确定。为此，料位测量装置1在最大允许料位L上方被安装在容器2上。取决于应用领域，容器2的高度h可以高达125m。
料位测量装置1被定向成使得在填充材料3的方向上发射由信号生成单元11(参见图2)生成的雷达或超声信号SHF。信号EHF在填充材料3的表面处被反射，并在对应的信号传播时间之后由料位测量装置1的评估单元12接收。信号SHF、EHF的信号传播时间取决于料位测量装置1与填充材料表面的距离d＝h-L。
通常，像现场装置一样，图1中的料位测量装置也经由总线系统连接到上级单元4，例如过程控制系统或分散式数据库。一方面，因此可以就关于料位测量装置1的操作状态的信息进行通信。另一方面，也可以经由总线系统传输关于所测量的过程变量或料位L的信息，以便控制可能在容器2上出现的任何流入或流出。料位测量装置1也可以取决于设计而经由总线系统供电。由于料位测量装置1经常用于有爆炸危险的设施中，所以料位测量装置1的对应接口通常被设计为功率受限。因此，例如，接口可以被设计为使用节能协议(诸如“以太网”、“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”)进行通信。
为了能够周期性地短暂地供应足够的电力用于实际测量，料位测量装置1或现场装置通常经由缓冲电容器14或等效的储能器连接到上级单元4。因此，在图2所示的料位测量装置1的电路配置中，信号生成单元11和评估单元12经由缓冲电容器14被供电。实线表示电力供应，并且虚线表示数据传输。在这种情况下，也可以经由缓冲电容器14为其他电子单元供电。为了使缓冲电容器14可以在每次测量之间进行充电，料位测量装置1被设计为使得其控制时钟速率fc，其在每种情况下根据缓冲电容器14的充电状态重新测量料位L。电容器14的充电状态越高，对料位L或总体上过程变量的测量就越频繁。
随着料位测量装置1的测量周期的进行，缓冲电容器14或甚至电子单元11、12劣化的风险增加。因此，缓冲电容器14的电容可以随着寿命的增加而减小。在电子单元11、12的情况下，例如，振荡器可能失谐或可能发生短路。取决于电路单元11、12，这可能导致获得错误的料位L，而这无法从外部辨别。这具有基于不正确的料位值来错误地控制与其耦合的加工厂的致动器(诸如容器2上的泵或出口)的风险。
借助于图3所示的本发明的方法，可以防止这种情况。一方面，可以诊断料位测量装置1是否仍可服务。在这种情况下，可以据此预测直到可能的不可服务性的剩余服务时间Δt。
为了测试可服务性，料位测量装置1的控制单元13首先切断由缓冲电容器14馈给的所有电子单元11、12，并测量缓冲电容器14的电容C。为了确定以法拉为单位的电容C，控制单元13可以在已知的放电电阻R下记录针对限定时间t的缓冲电容器14的放电电压(U1-U2)，以便因此确定电容：
Figure BDA0003107680570000071
如果缓冲电容器14下降到先前定义的最小电容Cmin以下，则必须将缓冲电容器14并因此将料位测量装置1分类为不可服务。
由于取决于电容器14或储能器的设计，其电容C还取决于环境温度，所以控制单元13中的最小电容Cmin可以存储为取决于温度的函数，例如为查找表的形式。这种设计要求料位测量装置1附加地包括用于检测当前温度的温度传感器。
如果缓冲电容器14不位于最小电容Cmin以下，则将其作为误差源而消除。在这种情况下，可以在每个测量周期中按时间顺序存储所获得的电容值C，以便从在整个测量周期上存储的值生成电容值C的随时间的变化函数dC/dt。
至少当缓冲电容器14完好时，根据本发明的方法设想到测量缓冲电容器14处的功耗p11、p12。为此，切断的电子单元11、12中的一个被再次接通以便测量在该状态下的缓冲电容器14处的功耗p11。由于仅重新激活的电子单元11有助于功耗，所以可以将在缓冲电容器14处测量的功耗p11分配给重新激活的信号生成单元11的功耗。
继而可以在信号生成单元11已经接通之后通过测量在缓冲电容器14处的随时间的压降U1-U2来确定功耗p11，因此
Figure BDA0003107680570000081
此处的时间t对应于测量时间或信号生成单元11接通期间的时间。
控制单元13还可以将确定的功耗p11与信号生成单元11的已知正常消耗pnorm进行比较。如果功耗p11明显偏离正常消耗pnorm，则根据本发明，重新激活的电子单元11以及整个料位测量装置1必须再次被分类为不可服务。
类似地，当第一接通的电子单元11(或所有先前接通的单元)的功耗p11没有明显偏离正常消耗pnorm时，可以使用第二电子单元12或从缓冲电容器14馈给的任何其他电子单元：
-再次打开第二或另一电子单元12(在这种情况下，第一接通的单元11可以保持接通或切断)
-在缓冲电容器14处的功耗p12的测量，以及
-如果第二接通的电子单元12的功耗p12偏离对应的正常消耗pnorm，则将其分类为不可服务。
取决于料位测量装置1的部件11、12、14是否已经被分类为不可服务以及其中哪个部件被分类为不可服务，可以经由上级单元4的接口来就不可服务性进行通信。不言而喻，在图1和图2中参考料位测量装置1说明的根据本发明的方法步骤通常适用于每种类型的现场装置，其中，根据潜在储能器的充电状态来调节测量相应过程变量的时钟速率fc。
从图3还可以看出，所确定的功耗p11、p12不仅可以按时间顺序为缓冲电容器14加以存储，而且还可以为信号生成单元11或评估单元12加以存储(假设料位测量装置1仍被分类为可服务)，以便在此基础上产生类似于电容C的功耗变化函数dp11,12/dt。
除了诊断可服务性之外，还可以使用变化函数dp/dt、dC/dt，以附加地预测料位测量装置1何时将不再可服务。这样的预测可以用来根据“预测性维护”的原则，在就工厂经营者而言的早期阶段安排料位测量装置1的维护或更换。
在缓冲电容器14的情况下，可以由基于当前电容值C并基于直到预计达到最小电容Cmin的所确定的变化函数dc/dt计算对应的剩余服务时间Δt1的控制单元13来计算所估算的直至不可服务性的剩余服务时间Δt。
在图4中以缓冲电容器14的示例示意性地示出了剩余服务时间Δt的确定。为了说明的目的，在此示出了随着料位测量装置1的服务时间的进展，缓冲电容器14的电容C的近似线性下降。因此，在图4所示的示例性实施例中，线性函数可以用作变化函数dC/dt的函数类型。然而，通常变化函数dC/dt可能无法通过线性函数最佳地近似，例如，使得多项式函数将在经过的测量周期内提供改进的对电容K的分布的近似。因此，例如，评估单元13可以被编程为使得其借助于最小二乘法获得对应的变化函数dC/dt的合适的函数类型。以这种方式，可以以更高的精度预测现场装置的剩余服务时间Δt。
尽管在图4中仅以缓冲电容器14的示例示出了变化函数dC/dt的创建，但信号生成单元11或评估单元12的可能的变化函数dp11,12/dt同样可以基于图4中描述的方法来建立，以便从中再次得出单独的剩余服务时间Δt2,3。假设基于随时间的压降U1-U2来测量功耗p11或电容C，则也可以考虑基于在缓冲电容器14处所测量的压降U1-U2来建立变化函数dU/dt。
如果基于缓冲电容器14以及基于电子单元11、12中的一个来计算单独的剩余服务时间Δt，则控制单元13将能够例如将确定的剩余服务时间Δt1,2,3中的最短时间定义为直到料位测量装置1不可服务的相关剩余服务时间Δt。
参考标记列表
1 现场装置或料位测量装置
2 容器
3 填充材料
4 上级单元
11 信号生成单元
12 评估单元
13 控制单元
14 储能器
C 电容
Cmin 最小电容
d 距离
EHF 反射信号
h 设施高度
L 过程变量或料位
p11,12 功耗
pnorm 正常消耗
SHF 传输信号
U1,2 电压
ΔUmax 最大压降
Δt 剩余服务时间
dC，p，U/dt 变化函数

Claims (13)

1.一种用于确定现场装置(1)的可服务性的方法，所述现场装置包括用于测量过程变量(L)的至少一个电子单元(11、12)，其中，所述至少一个电子单元(11、12)借助于所述现场装置(L)的储能器(14)供电，所述方法包括以下方法步骤：
-测量所述储能器(14)的电容(C)，和/或
-测量所述储能器(14)处的功耗(p11、p12)，
其中，当所述储能器(14)的电容(C)降到所定义的最小电容(Cmin)以下时，和/或如果所述功耗(p11、p12)偏离预定的正常消耗(pnorm)，则将所述现场装置(1)分类为不可服务。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过在所述储能器(14)的所定义的放电期间测量所述储能器(14)处的随时间的压降(U2-U1)来测量所述电容(C)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在接通所述至少一个电子单元(11)之后测量随时间的压降(U2-U1)，以便测量所述储能器(14)处的功耗(p11、p12)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，如果所测量的压降(U2-U1)超过预先定义的最大压降(ΔUmax)，则将所述现场装置(1)分类为不可服务。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述储能器(14)的电容(C)未降到所定义的最小电容(Cmin)以下的情况下，所述电容(C)的第一变化函数(dC/dt)经由渐进式测量周期来确定，并且基于当前电容(C)并基于直到跌破所述最小电容(Cmin)的变化函数(dC/dt)来计算第一剩余服务时间(Δt1)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述储能器(14)上的功耗(p11、p12)不偏离所定义的正常消耗(pnorm)的情况下，所述功耗(p11、p12)的第二变化函数(dp/dt)经由渐进式测量周期来确定，并且其中，使用当前功耗(p11、p12)并使用第二变化函数(dp/dt)来计算直到超过与所述正常消耗(pmin)的最小偏差的第二剩余服务时间(Δt2)。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，在所测量的压降(U2-U1)不超过所述预先定义的最大压降(ΔUmax)的情况下，所述压降(U2-U1)的第三变化函数(dU/dt)经由渐进式测量周期来确定，并且其中，使用当前压降(U1-U2)并使用所述第三变化函数(dU/dt)，基于所述最大压降(ΔUmax)来计算直到超过所述最大压降的第三剩余服务时间(Δt3)。
8.根据权利要求5、6或7所述的方法，其中，借助于最小二乘法确定所述第一变化函数(dC/dt)、所述第二变化函数(dp/dt)和/或所述第三变化函数(dU/dt)的合适的函数类型。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述现场装置(1)处测量温度，并且其中，所述最小电容(Cmin)被定义为与温度相关的函数(Cmin(t))。
10.一种用于执行根据前述权利要求中至少一项所述的方法的料位测量装置，其中，所述料位测量装置(1)包括以下部件以用于测量位于容器(2)中的填充材料(3)：
-储能器(14)，
-信号生成单元(11)，所述信号生成单元由所述储能器(14)馈给并且被设计为在所述填充材料(3)的方向上发射雷达或超声信号(SHF)，
-评估单元(12)，所述评估单元由所述储能器(14)馈给并且被设计为基于在所述填充材料表面处反射的信号(EHF)来确定所述料位(L)，
-控制单元(13)，所述控制单元被设计为
○接通和切断所述信号生成单元(11)和/或所述评估单元(12)或其各个功能块，
○确定所述储能器(14)处的功耗(p11、p12)，并且
○确定所述储能器(14)的电容(C)，并且
○当所述储能器(14)的电容(C)降到所述最小电容(Cmin)以下时或当所述功耗(p11、p12)偏离定义的正常消耗(pnorm)时，将所述现场装置(1)分类为不可服务。
11.根据权利要求10所述的料位测量装置，其中，所述控制单元(13)被设计为，假设所述控制单元(13)当前将所述料位测量装置(1)分类为可服务，则基于所测量的电容(C)和/或基于所测量的功耗(p11、p12)来计算直至所述料位测量装置(1)的不可服务性的剩余服务时间(Δt1、Δt2)。
12.根据权利要求10或11所述的料位测量装置，其中，所述控制单元(13)被设计为将可能的不可服务性或剩余服务时间(Δt1、Δt2)传输到上级单元(4)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的料位测量装置，其中，所述储能器(14)被设计为缓冲电容器，所述缓冲电容器能特别地连接到所述上级单元(4)以用于再次充电。
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