CN1602409A - 具有用于容器中容性料位测量的传感器单元的电子现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有传感器单元(2)的电子现场设备，用于容器(3)中的容性料位测量，其中电子现场设备通过相应的信号路径连接至传感器单元(2)。电子现场设备生成用于操作传感器单元(2)的电压信号，并且接收及分析来自传感器单元(2)的测量电流。根据本发明，提供了用于数字化模拟测量电流的模/数转换器(8)、微处理器(1)和存储器单元(7)，其中微处理器根据给定的程序，执行电压信号的生成、测量电流的分析、干扰的补偿以及传感器/容器装置的待定参数的确定，并且相应的程序存储在存储器单元(7)中。

Description

具有用于容器中容性料位测量的传感器单元的电子现场设备

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的电子现场设备，其具有用于容器中容性料位测量的传感器单元。

背景技术

多年来，用于容性料位测量的现场设备已经为人们所熟知。在这些设备中，延伸入容器的探针与容器壁形成电容器。这样创建的电容器的电容依赖于料位以及待测介质的介电常数。

用于测量该电容的一种可能是所谓的视在电流测量方法。其中，传统的整流电路被用于对于给定频率和电压，测量流经由探针、介质和容器壁形成的电容器的交流电的量。然而，视在电流不仅仅依赖于电容，还依赖于待测介质的电导率，这个事实在实际中导致测量的不准确，因为特别在松散材料的情况中，电导率依赖于不同的因素，例如温度和湿度。

一种用于抑制这种并联电导率的影响的方法是以相对较高的频率进行测量。由于流经电容的视在电流的部分(无功电流)与频率成比例增长，同时由电导率引起的部分保持为常量，所以实际上在高频处容性部分占优势。然而，经验显示，高频(＞100kHz)测量往往对于具有大寄生电感的长探针具有困难。

另一种方法是不测量视在电流，而是测量电流和电压之间有90°相差的无功电流，这对应于纯容性测量。这可以借助于同步整流电路实现。然而，这种方法具有以下缺点，例如在具有小介电场数和大电导率的介质中，由于无功电流基本消失而产生困难，而在这种介质中有可能毫无问题地使用视在电流进行测量。另外，已经证明这种现有的同步整流电路对于电磁干扰敏感。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子现场设备，其具有用于容器中容性料位测量的传感器单元，易于适用于给定的现场条件，并且根据具体应用使用最适合的测量方法。

根据本发明，该方法由权利要求1的特征得以实现。从属权利要求涉及本发明具有优点的构造及延伸。

本发明的一个主要想法是应用微处理器，用于生成电压信号，用于分析测量电流，用于补偿干扰参数、以及用于确定传感器-容器装置的待测参数，相关的程序存储在存储器单元中。对于微处理器的分析，利用模/数转换器将模拟测量电流数字化。

微处理器的使用使得有可能以简单的方式对于存在的现场条件选择并应用最优测量方法。只有测量方法所需的程序被从存储器单元中取出并被执行。

另外，微处理器的使用使得有可能产生不同的输出信号，它们的特征依赖于输出信号的期望的进一步使用，或者视情况，依赖于所使用的传输协议。于是，可以产生例如4-20mA信号、0-10V信号、PFM信号(脉冲频率调制信号)、二进制切换信号等。进一步，可以想象，根据情况，可以对于不同传输协议或应用用途产生并发出多个输出信号(4-20mA、0-10V、PFM信号、二进制切换信号等)。

在本发明的一个实施例中，微处理器执行发生器功能用于产生电压信号，其中电压信号的测量频率由微处理器设置。

在本发明的一个优选实施例中，微处理器执行频率切换功能，用于产生不同频率的电压信号。

发生器功能可以例如由微处理器的时钟信号的分频实现，其中分频器依赖于电压信号的期望测量频率通过频率切换功能控制。

通过对处理器时钟信号分频，可以为电压信号提供低于处理器时钟频率的基本任一测量频率。于是，频率切换可以通过编程而毫无问题地实现。这具有电子设备可以适用于不同应用的优点，并且另外，可以通过以两个不同测量频率交替测量而实现并联电导率的简单补偿。

为了生成正弦电压，本发明的进一步发展提供了低通滤波器，其将电压信号转换为正弦电压。然而，也有可能使用具有定义的谐波内容的任何其它信号形式进行测量。

为了产生不同频率的正弦电压，在本发明的优选实施例中，低通滤波器使用可调的极限频率，其中低通滤波器的现实极限频率依赖于用于产生电压信号的发生器的设置测量频率而由频率切换功能设置。

在本发明的进一步发展中，在分析之前，测量电流由流/压转换器转换为与测量电流成比例的测量电压。

在本发明的特别具有优点的进一步发展中，测量电压被利用整流器整流，并通过模/数转换器发送至微处理器用于分析。

在一个实施例中，整流器包括充电电容器，并且能够例如具有峰值整流器或同步整流器的形式。

在第一测量方法中，微处理器以与电压信号定义的确定相移角测量电流值，其中相移角是可由微处理器设置的。

在第二测量方法中，微处理器交替生成不同频率的两个电压信号，并从它们的相关测量电流中确定传感器-容器装置的待定参数。

在本发明的特别具有优点的实施例中，微处理器通过微处理器在同步信号和电压信号之间产生的相移，产生电压信号和测量电流之间所需的相移角，其中同步信号触发同步整流器。

电流是探针以相移角测量的，由于相移角可以由软件在较宽的限度中任意选择，所以有可能在纯无功电流测量(容性测量)、视在电流测量(阻性测量)和纯有功电流测量(导性测量)之间切换。

由于用于同步整流器的同步信号是独立于微处理器而生成的，并且与现有的同步整流器电路不同，不是从模拟振荡器的信号得到的，所以这种类型的测量对于电磁干扰更为不敏感。

在本发明的特别具有优点的实施例中，微处理器设置电压信号的测量频率和/或分析测量电流所需的相移角，作为待测参数和/或现场条件的函数。

传感器-容器装置的待测参数可以是例如阻抗和/或电容和/或电导。

现场条件包括例如传感器/容器几何形状和/或容器中介质的类型和/或干扰参数。

另外，微处理器具有额外的功能，例如被测信号的线性化和缩放，并生成传感器的输出信号。

在本发明的特别具有优点的实施例中，测量不是连续作出的，而是在一测量周期中产生并分析包含例如1000次振荡的分离的正弦脉冲串。在分离的正弦脉冲串中存在暂停，暂停的长度是可变的，且由例如随机发生器确定。以这种方式，由于在测量信号和干扰信号中不会产生连续的相互作用，所以对于杂散电磁干扰更为不敏感。

在本发明的进一个特别具有优点的实施例中，电子现场设备由微处理器在分离的测量周期间的暂停中切换为节能模式。在这些暂停期间，没有电流流经探针。以这种方式，电流消耗降至电容传感器通常的电流消耗的一小部分。这对于NAMUR应用尤其有用。

附图说明

下面根据附图更详细地解释本发明，在附图中：

图1是用于第一测量方法的电子现场设备的框图；

图2是用于第二测量方法的电子现场设备的框图；

图3是对于纯容性负载的电压，其是时间的函数；和

图4是对于混和容性-阻性负载的电压，其是时间的函数。

具体实施方式

正如可以从图1和2中看到的，电子现场设备包括微处理器1、用于确定容器3中介质3.1的料位的传感器2、滤波器4、流/压转换器5、存储器单元7和整流器6，其中整流器6包括充电电容器6.1。

正如可以从图1中看到的，为了执行第一测量方法，微处理器1包括以下功能模块：发生器功能1.1、干扰参数补偿1.2、计算功能1.3、缩放/线性化1.4、产生输出信号1.5。另外，还有功能模块1.7，“测量周期的确定”，其确定测量周期的长度以及测量周期之间的暂停持续时间。这使得能够利用节能模式降低电流消耗。另外，通过改变暂停持续时间，实现对于杂散电磁干扰更不敏感，因为在测量信号和干扰信号之间没有产生连续的相互作用。

利用发生器功能1.1，微处理器1产生具有测量频率f的电压信号sig₁，其通过PORT1发出，并由随后的低通滤波器转换为正弦电压U₁。发生器功能1.1以集成在微处理器中的分频器或定时器的形式实现，使得电压信号从微处理器的时钟信号产生。

对于干扰参数补偿1.2，微处理器1执行功能模块1.8，“产生同步信号”，并产生同步信号sig₂，其具有可以相对于电压信号sig₁设置的相移角。在通过例子所示的实施例中，同步信号sig₂用于触发整流器6并通过PORT 2发出。依赖于在电压信号sig₁和同步信号sig₂之间设置的相移角，有可能实施纯无功电流测量，即，将相移角设置为0°，或者实施纯有功电流测量，即，将相移角设置为90°。这样，可以消除存在的干扰参数，例如在电容测量探针中存在的欧姆电阻，或者在电导测量探针中存在的电容。

流/压转换器5将传感器单元2中的电压信号U₁引起的电流转换为成比例的电压信号U₂。

对于第一测量方法提供了同步整流器形式的整流器6，其除了充电电容器6.1之外还包括可控开关6.2，该可控开关6.2例如为MOSFet的形式。开关6.1由同步信号sig₂触发。当施加高电平的同步信号sig₂时，通过开关6.2将充电电容器6.1充电至瞬时电压值U₂。在电压信号sig₁和同步信号sig₂之间设置0°相移角的情况中，整流器6的输出电压U_C对应于流经传感器单元2的电流的无功电流部分。输出电压U_C被通过模/数转换器8送入微处理器1，其中在所示实施例中模/数转换器8集成在微处理器1中。

微处理器1使用计算功能1.3，从在充电电容器6.1处测量的整流电压U_C计算传感器-容器装置的待定参数，例如传感器-容器装置的电容C₁和/或并联电阻R₁。

作为附加功能，微处理器1执行对于计算值的缩放和线性化1.4。

在模块1.5“产生输出信号”中，微处理器1产生期望的输出信号，其依赖于输出信号的进一步使用或依赖于所使用的传输协议。这样，可以产生例如4-20mA信号、0-10V信号、PFM信号(脉冲频率调制信号)、二进制切换信号等。进一步，可以想象，根据情况，可以对于不同传输协议或应用用途产生并发出多个输出信号(4-20mA、0-10V、PFM信号、二进制切换信号等)。为了产生一定的标准输出信号，可以将数/模转换器9集成在微处理器1中。

图3显示了作为时间的函数的信号U₁、U₂和sig₂。如果假设传感器/介质/容器装置的纯容性特性为电容C₁，那么与流经传感器单元2的电流成比例的电压U₂在相位上相对于电压U₁移位90°。充电电容器6.1在由sig₂定义的时间窗中被充电至U₂在这个时间窗中的峰值，于是达到电压U_C。在这种情况中，在电压信号sig₁和同步信号sig₂之间设置的相移角为0°。

图4类似地显示了作为时间的函数的信号U₁、U₂和sig₂。但是现在，除了电容C₁之外，介质3.1的并联电阻R₁也得到了考虑。正如可以从图中看到的，经过传感器单元2的电流的大小增加，并且从而，表示电流的电压U₂的大小也增加。U₁和U₂之间的相移角小于90°。在这种情况中，在由sig₂定义的时间窗中电压U₂的大小相对于图3所示的情况仅微微改变，并且从而，充电电容器6.1被充电至与纯容性负载的情况中相同的电压U_C。在电压信号sig₁和同步信号sig₂之间设置的相移角也为0°，并且执行纯无功电流测量。

这样，有可能与存在的并联电阻R₁无关地测量电容C₁。由于在电容测量的情况中改变待测介质3.1的电导率的电导增长和湿度波动引起许多问题，这显然对于用户提供了优点。

为了执行视在电流测量，开关6.2在整流器6中持续闭合，即，同步信号sig₂持续为高信号，或者使用简单的峰值整流器。

正如可以从图2中看到的，用于执行第二测量方法的微处理器1也包括以下功能模块：发生器功能1.1、干扰参数补偿1.2、计算功能1.3、缩放/线性化1.4、产生输出信号1.5。另外，还有功能模块1.7，“测量周期的确定”，其确定测量周期的长度以及测量周期之间的暂停持续时间。这使得能够利用节能模式降低电流消耗。另外，通过改变暂停持续时间，实现对于杂散电磁干扰更不敏感，因为在测量信号和干扰信号之间没有产生连续的相互作用。

不同的是，在第二测量方法的情况中，干扰参数补偿1.2包括频率转换开关1.6，其确定由发生器功能1.1产生的电压信号sig₁的测量频率。对于干扰参数补偿1.2，电压信号sig₁通过PORT1，以预定的时间间隔，以频率f₁和f₂交替发出。随后的低通滤波器将电压信号sig₁改变至正弦测量电压U_1(f1/f2)，根据由信号产生预定的时间间隔，对于频率f₁和f₂分别合适地设置滤波器4的极限频率。滤波器4的极限频率的设置由频率转换开关1.6产生并通过PORT3发出的控制信号完成。这样，对于频率f₁和f₂总是能够实现最优的矩形到正弦的转换。

流/压转换器5将由电压信号U_1(f1/f2)引起的经过传感器单元2的电流转换为成比例的电压信号U₂。

整流器6包括充电电容器6.1，产生与U₂成比例的整流器电压U_C，并可以为现有的峰值整流器或同步整流器的形式，正如上面参考图1所描述的。

充电电容器6.1的输出电压U_C(f1)和U_C(f2)通过模/数转换器送至微处理器，在所示实施例中，模/数转换器被集成在微处理器1中。

微处理器1使用计算功能1.3，从在充电电容器6.1处测量并经过整流的电压U_C(f1)和U_C(f2)，计算传感器-容器装置的待定参数，例如电容C₁和/或并联电阻R₁。从电压U_C(f1)和U_C(f2)计算C₁和R₁的值以下面的方式进行：

流经传感器单元2的总视在电流为：

$I_s=\sqrt{I_{C1}^2+I_{R1}^2}----\left[1\right]$

其中流经电容器的电流I_C1是依赖于频率的：

I_C1(f)＝U₁2πfC₁    [2]

现在，如果以两个不同频率f₁和f₂测量，则有下面的公式：

$\left|I_{S\left(f1\right)}\right|=\sqrt{{\left(\right|U_1\left|2\mathrm{\π}{f}_1{C}_1\right)}^2+{\left(\right|U_1|/R_1)}^2}----\left[3\right]$

$\left|I_{S\left(f2\right)}\right|=\sqrt{{\left(\right|U_1\left|2\mathrm{\π}{f}_2{C}_1\right)}^2+{\left(\right|U_1|/R_1)}^2}----\left[4\right]$

其中，由于流/压转换和整流，电流I_S(f1)和I_S(f2)与U_2(f1)和U_2(f2)成比例，并且因而是已知的。作为结果，由等式[3]和[4]得到具有两个未知量的两个等式，由此可以计算C₁和R₁。

这样，有可能与并联电阻R₁无关地测量电容C₁。由于在电容测量中改变待测介质3.1的电导率的电导增长和湿度波动引起许多问题，这显然对于用户提供了优点。

于是，干扰参数补偿1.2通过产生具有不同频率的电压信号以及消除计算中相关的干扰而进行。

被分别测量及计算的值的缩放和线性化1.4以及期望的输出信号的产生和输出1.5与对于图1的讨论类似的发生。

一种特别具有优点的电子现场设备将两种测量方法相结合，使得用于第一测量方法和用于第二测量方法的功能模块都在微处理器1中实现。要执行的测量方法的选择以及所需参数(频率、相移)的输入由用户完成，其依赖于待测的传感器/容器装置和介质3.1，并且可以通过使用输入装置(未显示)的相应输入对话框而执行。然而，选择也可以通过相应的通信连接而从控制位置发生。另外，可以通过可交换的存储器单元改变所需的参数(频率、相移)和设置。

Claims (19)

1.电子现场设备，具有用于容器(3)中容性料位测量的传感器单元(2)，其中电子现场设备通过适当的信号路径与传感器单元(2)相连，其中电子现场设备产生用于驱动传感器单元(2)的电压信号(sig₁)，并接收及分析来自传感器单元(2)的测量电流，其特征在于：

具有用于数字化模拟测量电流的模/数转换器(8)、微处理器(1)和存储器单元(7)，其中微处理器(1)按照预定的程序，执行电压信号(sig₁)的产生、测量电流的分析、干扰参数的补偿以及传感器-容器装置的待定参数的确定，其中相关程序存储在存储器单元(7)中。

2.如权利要求1所述的电子现场设备，其中

微处理器(1)以发生器功能(1.1)产生电压信号(sig₁)，其中电压信号(sig₁)的测量频率可通过微处理器(1)设置。

3.如权利要求2所述的电子现场设备，其中

微处理器(1)执行频率转换功能(1.6)，以产生不同频率的电压信号，其中发生器功能(1.1)的现实测量频率通过频率转换功能(1.6)设置。

4.如权利要求1-3中任一条所述的电子现场设备，其中

提供了低通滤波器(4)，其中低通滤波器(4)将电压信号(sig₁)转换为正弦电压(U₁)。

5.如权利要求4所述的电子现场设备，其中

低通滤波器(4)具有可设置的极限频率，其中低通滤波器(4)的现实极限频率通过频率转换功能(1.6)设置。

6.如权利要求1-5中任一条所述的电子现场设备，其中

具有流/压转换器(5)，其在分析之前将测量电流转换为与测量电流成比例的测量电压(U₂)。

7.如权利要求6所述的电子现场设备，其中

测量电压(U₂)由整流器(6)整流，并通过模/数转换器(8)送至微处理器(1)，用于分析。

8.如权利要求7所述的电子现场设备，其中

整流器(6)包括充电电容器(6.1)。

9.如权利要求1-8中任一条所述的电子现场设备，其中

微处理器(1)交替产生不同频率的两种电压信号，并从相关的测量电流确定传感器-容器装置的待定参数。

10.如权利要求1-8中任一条所述的电子现场设备，其中

微处理器(1)以相对于电压信号(sig₁)的确定相移角确定并分析测量电流的值，其中相移角是可通过微处理器(1)设置的。

11.如权利要求10所述的电子现场设备，其中

整流器(6)是同步整流器，其中微处理器(1)产生同步整流器的同步信号(sig₂)，并且其中电压信号(sig₁)和测量电压之间必需的相移角通过同步信号(sig₂)相对于电压信号(sig₁)的相移设置，该相移由微处理器(1)产生。

12.如权利要求10或11所述的电子现场设备，其中

依赖于已经设置的相位角，执行视在电流测量或纯无功电流测量或纯有功电流测量。

13.如前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中

微处理器(1)依赖于待定参数和/或现场条件设置电压信号(sig₁)的频率和/或相移角，用于分析测量电流。

14.如前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中

传感器-容器装置的待定参数是阻抗和/或电容和/或电导。

15.如权利要求13所述的电子现场设备，其中

现场条件包括传感器/容器的几何形状和/或容器(3)中介质(3.1)的类型和/或干扰参数。

16.如前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中

在测量周期之间提供可变的暂停，其中暂停的长度由微处理器(1)设置。

17.如权利要求16所述的电子现场设备，其中

暂停的长度连续改变。

18.如权利要求17所述的电子现场设备，其中

暂停的长度由随机发生器功能设置。

19.如权利要求16-18中任一条权利要求所述的电子现场设备，其中在暂停期间，电子现场设备被切换为节能模式。

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