DE102005008207B4

DE102005008207B4 - Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102005008207B4
Application number: DE102005008207.6A
Authority: DE
Inventors: Armin Wernet; Kaj Uppenkamp
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: DE102005008207A1

Abstract

Feldgerät (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (3), mit mindestens einer Sensoreinheit (4), die ein Messsignal erzeugt, mit einer Auswerteinheit (10), die das Messsignal empfängt und auswertet, wobei in der Auswerteinheit (10) mindestens ein Mikroprozessor (11) vorgesehen ist, und wobei in der Auswerteinheit (10) mindestens ein Analog/Digital-Wandler (12) vorgesehen ist, der das Messsignal und/oder ein dazu proportionales Signal digitalisiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (11) mindestens einen Port (11.1) und mindestens einen Spannungseingang (11.2) aufweist, dass der Port (11.1) hochohmig oder niederohmig schaltbar ist, dass der Mikroprozessor (11) mit einer ersten Versorgungsspannung (UV1), die sich aus zwei unterschiedlichen elektrischen Potentialen (Avcc, Avss) ergibt, beaufschlagt ist, dass in der Auswerteinheit (10) mindestens ein Spannungsteiler (13) vorgesehen ist, dass der Spannungsteiler (13) mit einer zweiten Versorgungsspannung (UV2) beaufschlagt ist, dass der Spannungseingang (11.2) mit dem Spannungsteiler (13) verbunden ist, dass der Spannungseingang (11.2) eine Abgreifspannung (UA) vom Spannungsteiler (13) abgreift, dass der Port (11.1) derart mit dem Spannungsteiler (13) verbunden ist, dass sich in Abhängigkeit davon, ob der Port (11.1) hochohmig oder niederohmig geschaltet ist, die Größe der Abgreifspannung (UA) ergibt, wobei der Port (11.1) in dem Fall, dass er niederohmig geschaltet ist, mit einem der beiden elektrischen Potentiale (Avcc, Avss) verbunden ist, und dass der Analog/Digital-Wandler (12) vom Mikroprozessor (11) mit einer Referenzspannung (UR) beaufschlagt ist, die sich aus der Abgreifspannung (UA) ergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer Sensoreinheit, die ein Messsignal erzeugt, mit einer Auswerteinheit, die das Messsignal empfängt und auswertet, wobei in der Auswerteinheit mindestens ein Mikroprozessor vorgesehen ist, und wobei in der Auswerteinheit mindestens ein Analog/Digital-Wandler vorgesehen ist, der das Messsignal und/oder ein dazu proportionales Signal digitalisiert. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um den Füllstand des Mediums in dem Behälter, um die Dichte, um die Viskosität oder um den pH-Wert des Mediums handeln. Beim Feldgerät kann es sich dementsprechend beispielsweise um eine Schwinggabel, um einen kapazitiven Sensor oder um ein Feldgerät, das auf dem Laufzeitverfahren basiert, handeln.
Feldgeräte bestehen meist aus einer Sensoreinheit und einer Auswerteinheit. Die Sensoreinheit erzeugt meist durch Wechselwirkung mit dem Medium ein Messsignal. Bei einer Schwinggabel – eine solche wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Liquiphant” produziert und vertrieben – ist dies beispielsweise die Schwingung, die vom Grad der Bedeckung durch das Medium beeinflusst wird. Bei einem kapazitiven Messgerät – solche werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Multicap” hergestellt und vertrieben – ist dies ein elektrisches Strom- oder Spannungssignal, das von der Kapazität des Kondensators abhängt, der aus einer Füllstandssonde und einer zweiten Füllstandssonde oder der Behälterwand als Elektroden und dem Medium als Dielektrikum gebildet wird. Diese Messsignale werden von einer Auswerteinheit in die gewünschte Information übersetzt: Aus der Frequenz der Schwingung der Schwinggabel oder aus der Kapazität des Kondensators wird der Füllstand berechnet. Heutzutage ist es üblich, dass die Auswerteinheiten primär digital funktionieren. Siehe hierzu z. B. die Offenlegungsschriften DE 101 61 072 A1 , EP 0 284 957 A2 und DE 101 61 071 A1 . Inder Auswerteeinheit findet sich also oft mindestens ein Mikroprozessor und auch ein Analog/Digital-Wandler, der das üblicherweise analoge Messsignal in ein digitales Signal umwandelt.
Bei den kapazitiven Messsonden können die Kapazitätswerte sehr unterschiedlich sein. Dies hängt vom Leiterwert des Mediums ab und auch davon, ob die Sonde im Kontakt mit dem Medium steht oder unbedeckt ist. Es sind durchaus Bereiche mit mehreren Größenordnungen möglich. Es ist also wichtig, den Messbereich umschalten zu können, um stets eine optimale Auflösung zu erhalten. Dieses Problem ist jedoch nicht auf kapazitive Feldgeräte beschränkt.
Üblicherweise wird, um bei kleinen Messgrößen eine höhere Auflösung zu erzielen, die Messamplitude verändert oder direkt verstärkt. Eine solche Umschaltung beeinträchtigt die Messergebnisse oft negativ oder erfordert komplizierte Veränderungen der Arbeitspunkte.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Feldgerät zu geben, dessen Messbereich flexibel umschaltbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Mikroprozessor mindestens einen Port und mindestens einen Spannungseingang aufweist, dass der Port hochohmig oder niederohmig schaltbar ist, dass der Mikroprozessor mit einer ersten Versorgungsspannung (U_V1), die sich aus zwei unterschiedlichen elektrischen Potentialen (Avcc, Avss) ergibt, beaufschlagt ist, dass in der Auswerteinheit mindestens ein Spannungsteiler vorgesehen ist, dass der Spannungsteiler mit einer zweiten Versorgungsspannung (U_V2) beaufschlagt ist, dass der Spannungseingang mit dem Spannungsteiler verbunden ist, dass der Spannungseingang eine Abgreifspannung (U_A) vom Spannungsteiler abgreift, dass der Port derart mit dem Spannungsteiler verbunden ist, dass sich in Abhängigkeit davon, ob der Port hochohmig oder niederohmig geschaltet ist, die Größe der Abgreifspannung (U_A) ergibt, wobei der Port in dem Fall, dass er niederohmig geschaltet ist, mit einem der beiden elektrischen Potentiale (Avcc, Avss) verbunden ist, und dass der Analog/Digital-Wandler vom Mikroprozessor mit einer Referenzspannung (U_R) beaufschlagt ist, die sich aus der Abgreifspannung (U_A) ergibt. In den meisten Fällen wird die Referenzspannung (U_R) gleich der Abgreifspannung (U_A) sein. Die Idee der Erfindung besteht also darin, den Analog/Digital-Wandler mit einer jeweils unterschiedlichen Referenzspannung (U_R) zu versorgen. Damit wird das Messsignal oder ein dazu proportionales Signal jeweils passend abgetastet und digitalisiert. Diese Referenzspannung (U_R) wird durch einen Spannungsteiler erzeugt, der mit einer Versorgungsspannung (U_V2) beaufschlagt ist. Von einem Spannungseingang des Mikroprozessors wird eine Abgreifspannung (U_A) abgegriffen. Diese Abgreifspannung (U_A) hängt davon ab, wie der Port oder die Ports – also die Signal- oder Spannungsein-/ausgänge des Mikroprozessors, daher auch die Bezeichnung I/O-Port – geschaltet sind. Die Ports sind entweder hoch- oder niederohmig geschaltet, je nachdem, ob sie als Eingang oder Ausgang betrieben werden. Die Ports sind mit unterschiedlichen Abgreifstellen des Spannungsteilers verbunden. Je nach dem Schaltungszustand der Ports wird der Spannungsteiler somit auch mit der ersten Versorgungsspannung (U_V1) beaufschlagt. Die Ports werden also quasi als Schalter benutzt, um den Spannungsteiler bzw. Abschnitte des Spannungsteilers mit der ersten Versorgungsspannung (U_V1 bzw. mit Avss) zu beaufschlagen. Damit ändert sich die Abgreifspannung (U_A), die vom Spannungseingang des Mikroprozessors abgegriffen wird. Ein Port reicht dabei zur Umschaltung zwischen zwei Spannungen und somit zwischen zwei Messbereichen. Mit mehreren Ports ergeben sich folglich mehr Umschaltmöglichkeiten. Üblicherweise werden wegen der angestrebten Symmetrie zwei Ports gleichzeitig geschaltet, damit die Abgreifspannung (U_A) symmetrisch um die Hälfte der ersten Versorgungsspannung (U_V1) liegt. Diese Abgreifspannung (U_A) wird dann als Referenzspannung (U_R) an den Analog/Digital-Wandler weitergereicht. Beide Spannungen sind daher beispielsweise identisch. Die digitale Messwertauswertung ist beispielsweise den Schriften DE 101 61 072 A1 , EP 0 284 957 A2 und DE 101 61 071 A1 zu entnehmen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste (U_V1) und die zweite Versorgungsspannung (U_V2) identisch sind. Der Mikroprozessor und der Spannungsteiler werden also mit der gleichen Versorgungsspannung (U_V1 = U_V2) beaufschlagt. Wird in diesem Fall ein Port so geschaltet, dass die Versorgungsspannung des Mikroprozessors an eine Abgreifstelle des Spannungsteilers gegeben wird, so wird quasi der Spannungsabfall, der dieser Abgreifstelle vorgelagert ist, aufgehoben und die Abgreifspannung (U_A) für den Mikroprozessor ergibt sich aus dem verbleibenden Spannungsabfall nach der Abgreifstelle, die mit dem Port verbunden ist. Mit dieser Ausgestaltung ist verbunden, dass immer zwei Ports gleichzeitig geschaltet werden, um eine Symmetrie der Referenzspannung zu gewährleisten.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Analog/Digital-Wandler ein Bestandteil des Mikroprozessors ist. Der Mikroprozessor weist also beispielsweise einen Signaleingang auf, der als Analog/Digital-Wandler fungiert.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Feldgerät um ein kapazitives Feldgerät handelt, und dass es sich bei der Sensoreinheit um eine Füllstandssonde handelt. Bei solchen Feldgeräten bilden die Füllstandssonde und eine zweite Sonde oder die Behälterwand die Elektroden und das Medium das Dielektrikum eines Kondensators. Dessen Kapazität hängt daher vom Füllstand des Mediums zwischen den Elektroden ab. Daher ist aus der Kapazität der Rückschluss auf den Füllstand möglich. Wie erwähnt liegen die zu messenden Kapazitäten durchaus mehrere Größenordnungen auseinander. Hier ist also ein Umschalten des Messbereichs sehr wichtig. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: einen schematischen Aufbau eines Feldgerätes zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes; und
2: einen Teil der Auswerteeinheit des kapazitiven Feldgerätes.
1 zeigt das Feldgerät 1, bei dem es sich hier um ein kapazitives Füllstandsmessgerät handelt. Die Sensoreinheit 4 ist daher beispielsweise eine Stabelektrode. Die Sensoreinheit 4 und die Wand des Behälters 3 bilden in Verbindung mit dem Medium 2 als Dielektrikum einen Kondensator. Die Sensoreinheit 4 wird mit einem elektrischen Signal beaufschlagt und das sich ergebende Messsignal dient dann der Bestimmung der Kapazität. Diese Kapazität hängt von der Füllhöhe des Mediums 2 ab. Somit kann in der Auswerteeinheit 10 aus der Kapazität auf den Füllstand geschlossen werden.
In der 2 ist schematisch ein Ausschnitt der Auswerteinheit 10 dargestellt. Das Messsignal ist hier bereits in ein Spannungssignal S umgewandelt. Der Kondensator 21 dient der Gleichspannungsentkopplung und die beiden nachgeschalteten Widerstände 19 passen als Spannungsteiler das Signal S dem Arbeitspunkt des Analog/Digital-Wandlers 12 an. Der Digital/Analog-Wandler 12, der hier ein Bestandteil des Mikroprozessors 11 ist, wandelt das Spannungssignal S in ein digitales Format für die Weiterverarbeitung im Mikroprozessor 11 um. Da die zu messenden Kapazitäten des Kondensators aus Sensoreinheit 4, Wand des Behälters 3 und Medium 2 sehr unterschiedlich sein können, wird für die jeweils optimale Auflösung die Referenzspannung U_R des Analog/Digital-Wandlers 12 jeweils passend eingestellt. Dafür verfügt der Mikroprozessor 11 über zwei Referenzspannungseingänge 11.2 und zwei Ports 11.1, die als Eingang, d. h. hochohmig, oder Ausgang, d. h. niederohmig, geschaltet werden können. Im Fall, dass die beiden Ports 11.1 P1, P4 niederohmig geschaltet sind, ist der eine Port P1 mit dem einen Potential Avcc und der andere Port P4 mit dem anderen Potential Avss verbunden (zu einem Port gehören jeweils zwei Verbindungen zu entsprechenden Potentialen, diese sind jeweils durch einen horizontalen Strich angedeutet). Bei dem Potential Avss handelt es sich in diesem Fall um Masse. Die Spannungseingänge 11.2 und die Ports 11.1 sind mit den Abgreifstellen 13.1 des Spannungsteilers 13 verbunden. Der Mikroprozessor 11 ist mit einer ersten Versorgungsspannung U_V1 und der Spannungsteiler 13 mit einer zweiten Versorgungsspannung U_V2 beaufschlagt. Für die weitere Betrachtung seien diese beiden Spannungen identisch, d. h. U_V1 = U_V2. Sind die beiden Ports P1, P4 – wie hier gezeigt – hochohmig geschaltet, so liegt die Versorgungsspannung U_V1 = U_V2 an den fünf Widerständen 20 an und erzeugt dort jeweils einen entsprechenden Spannungsabfall, der zu einer gewissen Abgreifspannung U_A für die Spannungseingänge 11.2 führt. Sind jedoch beispielsweise beide Ports 11.1 P1, P4 niederohmig geschaltet, und ist der eine Port P1 mit dem einen Potential Avcc und der andere Port P4 mit dem anderen Potential Avss verbunden, so liegt die Versorgungsspannung (U_V1 = U_V2) auch an den beiden mit den Ports 11.1 verbundenen Abgreifstellen 13.1 an. Deshalb ist die Abgreifspannung U_A für den Spannungseingang 11.2 hoher, da die Versorgungsspannung an weniger Widerständen abfällt. Somit ist es also möglich, über die digitale Steuerung der Ports 11.1 – ob als Ein- oder Ausgang – die Abgreifspannung U_A und somit auch die Referenzspannung U_R für den Analog/Digitalwandler 12 einzustellen. In der Abbildung sind die Umschalter graphisch als Wahl zwischen zwei Niveaus dargestellt. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Referenzspannung U_R die innere Versorgungsspannung des Mikroprozessors 11 ist, die im Allgemeinen sehr stabil ist. Der Kondensator 22 beim Spannungsteiler 13 dient der Glättung der abzugreifenden Spannung.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
2: Medium
3: Behälter
4: Sensoreinheit
10: Auswerteeinheit
11: Mikroprozessor
11.1: Port
11.2: Spannungseingang
12: Analog/Digital-Wandler
13: Spannungsteiler
13.1: Abgreifstelle
19: Widerstand
20: Widerstand
21: Kondensator
22: Kondensator

Claims

Feldgerät (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (3), mit mindestens einer Sensoreinheit (4), die ein Messsignal erzeugt, mit einer Auswerteinheit (10), die das Messsignal empfängt und auswertet, wobei in der Auswerteinheit (10) mindestens ein Mikroprozessor (11) vorgesehen ist, und wobei in der Auswerteinheit (10) mindestens ein Analog/Digital-Wandler (12) vorgesehen ist, der das Messsignal und/oder ein dazu proportionales Signal digitalisiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (11) mindestens einen Port (11.1) und mindestens einen Spannungseingang (11.2) aufweist, dass der Port (11.1) hochohmig oder niederohmig schaltbar ist, dass der Mikroprozessor (11) mit einer ersten Versorgungsspannung (U_V1), die sich aus zwei unterschiedlichen elektrischen Potentialen (Avcc, Avss) ergibt, beaufschlagt ist, dass in der Auswerteinheit (10) mindestens ein Spannungsteiler (13) vorgesehen ist, dass der Spannungsteiler (13) mit einer zweiten Versorgungsspannung (U_V2) beaufschlagt ist, dass der Spannungseingang (11.2) mit dem Spannungsteiler (13) verbunden ist, dass der Spannungseingang (11.2) eine Abgreifspannung (U_A) vom Spannungsteiler (13) abgreift, dass der Port (11.1) derart mit dem Spannungsteiler (13) verbunden ist, dass sich in Abhängigkeit davon, ob der Port (11.1) hochohmig oder niederohmig geschaltet ist, die Größe der Abgreifspannung (U_A) ergibt, wobei der Port (11.1) in dem Fall, dass er niederohmig geschaltet ist, mit einem der beiden elektrischen Potentiale (Avcc, Avss) verbunden ist, und dass der Analog/Digital-Wandler (12) vom Mikroprozessor (11) mit einer Referenzspannung (U_R) beaufschlagt ist, die sich aus der Abgreifspannung (U_A) ergibt.
Feldgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (U_V1) und die zweite Versorgungsspannung (U_V2) identisch sind.
Feldgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog/Digital-Wandler (12) ein Bestandteil des Mikroprozessors (11) ist.
Feldgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Feldgerät (1) um ein kapazitives Feldgerät handelt, und dass es sich bei der Sensoreinheit (4) um eine Füllstandssonde handelt.