CN1672306A - 用于液体和/或气体分析的测量设备 - Google Patents

用于液体和/或气体分析的测量设备 Download PDF

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德特勒夫·威特默
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Abstract

本发明涉及一种测量设备(1)，该测量设备(1)用于在液体和/或气体分析的环境中准备、输出和传递传感器信号。该测量设备(1)包括导电材料的机盒(14)、在机盒(14)壁中用于传感器信号传输的经屏蔽的传感器信号线(20)的至少一个电缆引入线(17、18)、和传感器信号线(20)的屏蔽装置(21)与机盒(14)之间的导电连接。为了尽可能地使测量设备(1)对干扰不敏感并且由此改善测量设备(1)的准确性和可靠性，多个或每个电缆引入线(17、18)具有导电材料的区域，并且具有用于使该区域与传感器信号线(20)的屏蔽装置(21)电气接触且使该区域与机盒(14)电气接触的装置(32)，并且该区域用于产生传感器信号线(20)的屏蔽装置(21)同机盒(14)之间的导电连接。优选地，电缆引入线(17、18)的主体由金属制成。此外，还提供下述特征，即，使用光耦合器(10、41)或者转换器将测量设备的所有电路部分去耦。

Description

用于液体和/或气体分析的测量设备
本发明涉及用于在液体和/或气体分析的环境中准备、输出和传递传感器信号的测量设备。该测量设备包括导电材料的机盒、在机盒壁中的载运传感器信号的经屏蔽的传感器信号线的至少一个电缆引入线、和传感器信号线屏蔽装置与机盒之间的导电连接。
该测量设备还涉及为发射机。为了连接到该测量设备提供了传感器，例如pH传感器或者温度传感器，例如伸入液体中的传感器。为了将传感器测得的原始数据作为测量数据发送到测量设备的计算单元，首先由测量设备的传感器电路处理该原始数据。传感器电路中的处理特别包括一个或者多个下文的处理步骤：
—原始数据的模拟处理，
—模拟/数字转换，和
—数字处理。
然后在计算单元中执行传感器信号的实际处理。计算单元是，例如微处理器，其中执行适当的用于测量数据处理的计算机程序。该计算单元可以在，例如相连接的监视器上显示测量数据或者通过相连接的外部通信系统将测量数据传递到其他的控制和/或监视设备。
存储在计算单元中的计算机程序包括大量的用于对接收到的测量数据进行处理的程序命令。这样，例如，可以在计算单元中借助于程序命令来转换测量数据。同样地，可以通过计算单元中的程序命令消除，例如依赖于传感器的波动的测量数据；例如，可以平均该波动。总而言之，程序命令有助于实现下述功能，即如上文所提及的，测量数据可以被发送到监视器或者通过外部通信系统进行传递。
通过屏蔽了的传感器信号线将传感器寄存的原始数据传递到测量设备并且在该测量设备中处理该原始数据。传感器信号线的屏蔽包括，例如导电材料的(特别是金属)外部编织物，该编织物在轴的方向上绕实际的导线延展。
传感器信号线上传输的传感器信号对干扰特别敏感。例如，在测量设备安装到泵或者其他的重工业机械附近时，这些机械可能引起传感器信号的干扰。特别地，传感器信号的敏感性是传感器信号过小的结果，或者在皮可安培的范围中，视情况而定，是传感器信号线高阻的结果。
为了防止干扰，并且为了最小化干扰对传感器信号的影响，在本领域中已知了不同的措施。例如，可以将传感器信号线的屏蔽装置接地(所谓的过程地(Prozesserde))。为达到该目的，已知通过塑料的电缆引入线将传感器信号线引导至机盒的内部，并且在其中裸露出屏蔽装置，使其与地线的末端相连接，并使地线的另一末端固定在机盒上。然而，地线具有缺陷，其在于，地线具有高的阻抗并且因此仅相对较差地引导走了传感器导线上的干扰。
总而言之，其结果是，传感器信号由于作用在传感器信号线上的干扰而变差，此干扰使液体或者气体分析的结果变差。
本发明的目的在于提供并其进一步发展上文所述类型的用于液体和/或气体分析的测量设备，以便于测量设备尽可能地对干扰不敏感，由此改善测量设备的准确性和可靠性。
对于上文所述类型的测量设备。根据本发明，通过向多个或每个电缆引入线提供导电材料的区域，并且向其提供用于使该区域与传感器信号线的屏蔽装置电气接触和使该区域与机盒电气接触的装置，并且通过使该区域用于实现传感器信号线的屏蔽装置同机盒之间的导电连接，实现了该目的。
本发明因此提供了测量设备，该测量设备具有传感器信号线的屏蔽装置到机盒的低电感耦合，该机盒处于地上(所谓的过程地)。通过低的电感耦合，可以特别有效地将传感器导线上的干扰通过机盒引导到过程地。以这种方式，可以使传感器信号线上的干扰最小化，这样，依序导致了增加了的液体/气体分析的测量结果的准确性。
一方面，通过使用电绝缘材料(例如塑料)制造电缆引入线主体，在该引入线中引入了多个导电材料(例如金属)的接地区域，使传感器信号线的屏蔽装置经由该接地区域与机盒的导电连接，如此实现了本发明。因此接地区域是电缆引入线的集成部分。必须这样选择接地区域的数目和直径，使得确保屏蔽装置到机盒的低电感耦合。优选地，通过提供在电缆引入线中的适当的装置来产生接地区域同屏蔽装置的接触。该装置包括，例如导电材料的接地套，该接地套接触接地区域，并且在电缆引入线插入到机盒壁上的开口之后，通过一起旋动电缆引入线，该接地套自动地获得了同传感器信号线的屏蔽装置的安全且可靠的接触。
在本发明的有利的进一步的发展方案中，多个或每个引入线的主体由导电材料(优选地为金属)制成。因此，在此进一步的发展方案中，不存在多个分立的接地区域，但是作为替代，电缆引入线的整体作为一个大的接地区域。以这种方式，可以获得屏蔽装置到机盒的特别低的电感耦合，以及特别大的发射机对干扰的不敏感性。主体由金属制成的，并且可以用于本发明的架构中的电缆引入线由，例如，产品名称“Skindicht SHVE”下的德国斯图加特70565的LappKabelsysteme GmbH公司提供并销售。
在本发明的实施例的优选形式中，其中测量设备具有计算单元，特别是微处理器，用于处理传感器信号，并且该测量设备具有至少一个计算单元前面的传感器电路用于传感器信号的预处理，将多个或每个传感器电路与剩余的测量设备电流去耦。该电流去耦确保了在传感器电路与剩余的测量设备之间不存在涉及电势的相互作用，该相互作用可能会导致测量结果变差。这样，该特征导致了测量设备的干扰不敏感性和准确性的明显改善。
同样地，在该发射机的情况中，该发射机具有传感器电路与剩余测量设备的电流去耦，传感器导线的屏蔽装置通过电缆引入线有利地低电感地耦合到机盒，该电缆引入线具有导电接地区域。即使在不具有来自权利要求1主体的这一特征的情况下，电流去耦也具有给出的优势。因此，专利保护还扩展至此最后提及的测量设备，其中缺少权利要求1主体中的特征，
特别有利的是，在测量设备中提供光耦合器用以获得多个或每个传感器电路与剩余的测量设备的电流去耦。光耦合器使得能够通过相对成本有利的装置实现安全且可靠的电流去耦。
根据本发明的实施例的另一优选形式，提供了至少一个电源电路用于为多个或每个传感器电路提供能量，其中电源电路具有用于将测量设备同电源去耦的装置。为了电流去耦，优选地使用了至少一个变压器，特别是AD/DC变压器。
有利地，测量设备具有至少两个模拟输出端，该模拟输出端彼此电流去耦。同样地，在该情况中，例如，可以使用光耦合器用于电流去耦。发射机可以通过模拟输出端连接到其他设备，例如连接到可编程逻辑控制器(PLC)。模拟输出端的电流去耦防止了测量设备同PLC的耦合。
总而言之，这意味着，在本发明的测量设备的情况中，为了降低测量设备对干扰的易感性，提供了不同的措施。这些措施特别包括传感器信号线的屏蔽装置同测量设备的机盒的低的电感耦合，该机盒自身依序接地(过程地)，这些措施还包括发射机的不同电路部分的电流去耦，例如传感器电路、用于传感器电路的电源、以及模拟输出端。
如附图中所示，通过下文中对本发明的实施例的示例的描述，本发明的其他的特征、使用潜力和优点将变得显而易见。就此而言，所有的单独地或者组合地描述或示出的特征形成了本发明的主旨，而不依赖于它们在本专利的权利要求中的关系和它们的起源，也不依赖于附图中对其描述和说明的形式。附图如下示出：
图1是用于液体和/或气体分析的本发明的测量设备的实施例的示例的框图；并且
图2是用于本发明的测量设备中的电缆引入线的分解图。
图1示出了用参考数字1表示的整体的测量设备。测量设备1包括计算单元2，该计算单元2通过隔离电路3、4连接到一个或者多个传感器电路15、16。优选地通过数字微处理器实现计算单元2。传感器可以以未示出的方式连接到传感器电路15、16。该传感器可以是，例如pH传感器或者温度传感器或者压力传感器等等。则相关的传感器电路15、16适当地是pH传感器电路或者温度传感器电路等等。通过内部总线系统5实现计算单元2和隔离电路3、4之间的连接，该内部总线系统涉及例如I2C总线和/或用于电源电压的总线导体。
可行的是，只有一个传感器电路15、16和因此所需的一个隔离电路3、4，以及一个传感器连接到计算单元2。然而，同样可行的是，任意数目的传感器电路15、16，连同相应的隔离电路3、4和传感器连接到计算单元2。在后者的情况中，在计算单元2中提供控制电路，优选地是多路器。该控制电路有助于控制计算单元2和隔离电路3、4之间的电气连接，以便始终仅存在一个与计算单元2相连接的传感器电路15、16。优选地，该传感器电路15、16按次序一个接一个地连接到计算单元2。
除了其他的设备之外，至少一个用于连接附加设备的通信系统7、8连接到计算单元2，例如顺序控制器或者存取设备。顺序控制器可以包括，例如校准系统或者可编程逻辑控制器(PLC)。存取设备是，例如外部设备，该外部设备可以通过现场总线系统从外部访问测量设备，并且可以改变测量设备的内部条件。在通信系统7、8的情况中，其可以是，例如根据所谓的HART协议的接口、串行接口(RS 485)7、所谓的Profibus 8、所谓的Foundation现场总线、或者某些其他的现场总线。
至少一个电源9也连接到测量设备1。其可以是交流电压源AC或者直流电压源DC。在本示例中，提供了交流电压源9，在电源电路10中(通过变压器)将交流电压源9的电压电流隔离地变压为所需的用于对测量设备1中独立的电路部分供电的直流电压。将经变压的电压U1施加到，例如计算单元2，并且施加到模拟输出端12，经变压的电压U2施加到另一个模拟输出端12，而经变压的电压U3施加到一个传感器电路3。
而且，用于操作人员的接口(图1中未示出)可以连接到计算单元2。该接口可以是，例如键盘和/或监视器。附加设备13可以通过测量设备1的模拟输出端12连接到计算单元2。这些附加设备13可以是，例如一个或多个附加的显示器或者可编程逻辑控制器(PLC)。最后，例如，可以通过模拟信号输入端19输入用于测量设备1的设定值。
所描述的传感器电路15、16、隔离电路3、4、外部通信系统7、8、电源电路10、接口和模拟输出端12表示测量设备1的硬件元件，这些硬件元件连接到计算单元2或者至少耦合到计算单元2。对于这些硬件元件中的每一个，向计算单元2提供用于其用途的软件模块。
测量设备1包括接地(所谓的过程地)的金属机盒14。传感器通过屏蔽了的信号线20连接到传感器电路15、16。通过电缆引入线17、18将传感器信号线20引入机盒14的内部，该电缆引入线17、18配置在机盒14的壁上。
现将基于图2更加详细地描述电缆引入线17、18的结构。电缆引入线17、18包括下层部分30，该下层部分30通过螺丝35固定到上层部分31。在下层部分30和上层部分31之间是接地套32、密封锥面33、轧头锥面34，在下层部分30固定到上层部分31时使这些部件固定在电缆引入线17、18的内部。电缆引入线17、18的主体，也就是下层部分30、接地套32、轧头锥面34和上层部分31由导电材料制成，特别是金属。密封锥面33由橡胶或者合成材料制成，例如氯丁橡胶。接地套32同电缆引入线17、18的主体导电连接。在下层部分30和上层部分31旋接在一起时，接地套32接触传感器信号线20的屏蔽装置21。在电缆引入线17、18通过圆顶螺母(未示出)固定到机盒壁的开口中时，该圆顶螺母旋到螺丝36上，或者在下层部分30直接固定到金属机盒壁中时，电缆引入线17、18的主体接触机盒14。以这种方式，通过电缆引入线17、18的主体产生了传感器信号线20的屏蔽装置21到机盒14的低电感耦合。以这种方式，可以通过机盒14直接将传感器信号线20上的干扰导入到过程地。
额外提供的是，通过隔离电路3、4中的光耦合器40将传感器电路15、16和剩余的测量设备1电流去耦。除此以外，通过电源电路10中的AC/DC变压器将用于向传感器电路15提供电压U3的电源电路和用于剩余的测量设备1的电源去耦。通过DC/DC变换器将用于向传感器电路16提供电压的电源电路和用于剩余的测量设备1的电源去耦，该DC/DC变换器是隔离电路4的一部分。最后，提供了下述特征，即通过光耦合器41将测量设备1的模拟输出端12同另一模拟输出端电流去耦。
对于本发明决定性的是，传感器信号线20的屏蔽装置21到机盒14的低电感耦合，以及测量设备1的所有电路部分12、15、16、19的电流去耦。总而言之，这提供了用于液体/气体分析的特别鲁棒的测量设备1，提供了对干扰不敏感的设备。以这种方式，获得了测量设备的显著改善的准确性和可靠性。

Claims (7)

1.用于在液体和/或气体分析的环境中准备、输出和传递传感器信号的测量设备(1)，其中测量设备(1)包括导电材料的机盒(14)、在机盒(14)壁中的用于传感器信号传输的经屏蔽的传感器信号线(20)的至少一个电缆引入线(17、18)、和传感器信号线(20)的屏蔽装置(21)与机盒(14)之间的导电连接，其特征在于，多个或每个电缆引入线(17、18)具有导电材料的区域，并且具有用于使该区域与传感器信号线(20)的屏蔽装置(21)以及与机盒(14)电气接触的装置(32)，并且该区域用于产生传感器信号线(20)的屏蔽装置(21)同机盒(14)之间的导电连接。
2.权利要求1的测量设备(1)，其中多个或每个电缆引入线(17、18)的主体(30、31、32、34)由导电材料制成。
3.权利要求1或者2的测量设备(1)，其中测量设备(1)包括计算单元(2)，特别是微处理器，用于处理传感器信号，并且该测量设备(1)包括至少一个配置在计算单元(2)和传感器信号线(20)之间的传感器电路(15、16)用于传感器信号的预处理，其中，多个或每个传感器电路(15、16)与剩余的测量设备(1)电流去耦。
4.权利要求3的测量设备(1)，其中测量设备(1)具有光耦合器(40)，用以多个或每个传感器电路(15、16)与剩余的测量设备(1)的电流去耦。
5.权利要求1～4中的一个的测量设备(1)，其中提供了至少一个电源电路(10)用于为多个或每个传感器电路(15)提供能量，其中电源电路(10)具有用于将测量设备(1)与电源(9)去耦的装置。
6.权利要求5的测量设备(1)，其中将用于去耦的装置构造为至少一个变压器。
7.权利要求1～6中的一个的测量设备(1)，其中测量设备(1)具有至少两个模拟输出端(12)，其中模拟输出端(12)彼此电流去耦。
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