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Die
Erfindung betrifft eine Messwerterfassungseinrichtung zur Erfassung
physikalischer Größen eines
technischen Prozesses in einer verfahrenstechnischen Anlage, zur
Umsetzung der physikalischen Größe in eine
adäquate
elektrische Größe und deren
Ausgabe auf ein Kommunikationsmedium.
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In
der Automatisierungstechnik sind Messgeräte in der Regel mit einer digitalen
Signalverarbeitung ausgestattet, das heißt mit Hilfe mit A/D- beziehungsweise
D/A-Wandlern zur
Aufnahme beziehungsweise Ausgabe analoger Größen und Mikrokontrollern realisiert.
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Für die die
Signalübertragung
hat sich bei Feldgeräten
weitestgehend die 2-Leiter-Technik durchgesetzt,
bei der die Energieversorgung und die Übertragung der Messinformation über das
gleiche Adernpaar erfolgt. Lediglich die Messverfahren, die einen
höheren
Energiebedarf haben, verfügen über eine
separate Energieeinspeisung. Man spricht in diesem Fall von 4-Leiter-Technik,
da die Signalübertragung
und die Energieversorgung über
getrennte Adernpaare geführt
werden. In beiden Fällen
kann es sich bei der Signalübertragung
um ein analoges, üblicherweise
4...20mA-Signal, oder ein digitales Feldbussignal handeln. Auch
die Kombination, also die Überlagerung
einer digitalen Information über
dem analogen Signal ist als HART Kommunikation bekannt.
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Weiterhin
ist bekannt, einen Anzeiger in das 4...20 mA Signal eines schleifengespeisten
Analoggerätes
einzuschleifen. Damit kann der Anzeiger an beliebiger Stelle in
der Anlage montiert werden. Mit speziell ausgebildeten Anzeigern,
die auch das HART-Protokoll
unterstützen,
kann neben der Auswertung und Anzeige des Messsignals auch eine Vor-Ort-Parametrierung
des Analoggerätes
vorgenommen werden.
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In
allen beschriebenen Anwendungen wird die gewünschte Funktionalität immer
in einer Einheit realisiert. Die Aufbereitung eines Messwertes oder eine
Vielzahl von Messwerten bei mehrkanaligen Geräten ist also immer genau einer
Verarbeitungseinheit zugeordnet. Soweit mehrere Messwerte an verschiedenen
Stellen erfasst werden sollen, wird entweder mit mehrkanaligen Einheiten
oder mit mehreren einkanaligen Einheiten gearbeitet. Dabei ist für die Informations-
und Energieübertragung
immer eine elektrische Verbindung zwischen allen Teilnehmern herzustellen.
Bei Forderungen nach höherer Verfügbarkeit
sind weiter elektrische Verbindungen zur redundanten Informations-
und Energieübertragung
erforderlich. Die Verkabelung stellt insgesamt einen hohen Aufwand
dar und ist darüber
hinaus wegen der Ortsbindung sehr unflexibel.
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Es
ist ferner aus der Veröffentlichung „Das drahtlose
Sensornetz", erschienen
in Sensor Guide 2005, Computer & Automation,
Seiten 14 bis 18, bekannt, dass die Signale einer Verarbeitungseinheit auch über Funk übertragen
werden können.
Die Energieversorgung der Verarbeitungseinheit kann dann wahlweise
drahtgebunden oder aus einer lokalen Energiequelle, beispielsweise
in Form einer Batterie oder einer Brennstoffzelle, erfolgen. Die
Serviceintervalle der Variante mit lokaler Energiequelle sind hierbei
direkt vom lokalen Energieverbrauch und der Kapazität der Energiequelle
abhängig.
Der Energieverbrauch der in der Prozessindustrie benötigten Verarbeitungseinheiten
ist jedoch häufig
so hoch, dass sich drahtlose Systeme aus diesem Grund nicht und nur
mit sehr kurzen Serviceintervallen – zum Batterietausch – realisieren
lassen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst
flexible Erfassung einer Mehrzahl von Messsignalen bei möglichst
geringem Montageaufwand und langen Serviceintervallen zu realisieren.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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In
ihrem Wesen geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die
bekannten Messgeräte
eine innere, strukturelle Modularität aufweisen, wonach weitgehend
unabhängig
voneinander agierende Funktionsgruppen zur Messwerterfassung und
zur Messwertverarbeitung in einer anwendungsbezogenen Einheit interoperieren.
Dabei umfasst die Funktionsgruppe zur Messwerterfassung die Umsetzung der
physikalischen Größe in eine
adäquate
elektrische Größe, die
Signalverstärkung
und die Digitalisierung des Messwerts. Am Ausgang der Funktionsgruppe
zur Messwerterfassung wird ein Rohwert des Messwerts bereitgestellt.
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Die
Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung umfasst die komplette Aufbereitung
des von der Funktionsgruppe zur Messwerterfassung übernommenen
Rohwert des Messwerts, einschließlich Linearisierung und Kalibrierung,
sowie die Kommunikation des Messgeräts mit einer anfordernden, übergeordneten
Einrichtung. Soweit das Messgerät
mit lokalen Bedien- und Anzeigeeinrichtungen ausgestattet ist, obliegt
deren Ansteuerung der Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung.
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Erfindungsgemäß sind die
Funktionsgruppe zur Messwerterfassung und die Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung
physisch voneinander getrennt und logisch über eine drahtlose Kommunikationsverbindung
miteinander verbunden. Dabei ist die Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung über eine
Leiterschleife mit einer übergeordneten
Einrichtung verbunden, bei der die Energieversorgung und die Übertragung
der Messinformation über
das gleiche Adernpaar erfolgt. Die Funktionsgruppe zur Messwerterfassung
ist unmittelbar an der Messstelle angeordnet und lokal energieversorgt.
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Im
Erfolg einer verzichtbaren Kabelverbindung mit der Funktionsgruppe
zur Messwerterfassung ist deren physische Anordnung wahlfrei und
flexibel an die Bedürfnisse
aus der messtechnischen Aufgabe anpassbar. Der Montageaufwand beschränkt sich
auf die Installation der Funktionsgruppe zur Messwerterfassung an
der Messstelle.
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Der
Energiebedarf der Funktionsgruppe zur Messwerterfassung ist gemessen
am Energiebedarf des gesamten Messgeräts so gering, dass die lokale Energieversorgung
vorteilhafterweise batteriegestützt
bei langen Serviceintervallen realisierbar ist.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass einer
Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung eine Mehrzahl von entfernt angeordneten
Funktionsgruppe zur Messwerterfassung zugeordnet sind. Vorteilhafterweise
ist dabei zur Erfassung einer Mehrzahl vom Messwerten nur eine einzige
Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung und demnach auch nur eine
Leiterschleife zur Speisung der Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung
und zur Kommunikation mit der übergeordneten
Einrichtung erforderlich. Dadurch reduziert sich der Montageaufwand
umgekehrt proportional zur Anzahl der Messstellen, die über dieselbe
Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung bedient werden.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Funktionsgruppe
zur Messwerterfassung eine Einrichtung zur lokalen Energieerzeugung
zugeordnet ist. Vorteilhafterweise kommt der Batterie als lokalem
Energiespeicher nur noch eine Stützfunktion
bei Störung
oder Unterbrechung der primären
Energieversorgung zu. Dadurch wird eine weitere Verlängerung
der Serviceintervalle erreicht.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine drahtlose Kommunikationverbindung
zwischen den Funktionsgruppen zur Messwerterfassung vorgesehen.
Vorteilhafterweise gelingt es durch dieses Mittel, Kommunikationshindernisse
zwischen der Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung und einer
der Funktionsgruppen zur Messwerterfassung zu überwinden. Damit wird die Flexibilität bei der
Auswahl der Messstellen weiter erhöht. Darüber hinaus wird die Verfügbarkeit
eines derart redundant ausgeführten
Systems ehöht
und das System ist robuster gegenüber Störungen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
der einzigen Figur ist eine Messwerterfassungseinrichtung dargestellt.
In einfachster Ausführung
der Erfindung besteht die Messwerterfassungseinrichtung aus einer
Funktionsgruppe zur Messwerterfassung 10 und einer Funktionsgruppe
zur Messwertverarbeitung 20, die physisch voneinander getrennt
und logisch über eine drahtlose
Kommunikationsverbindung 11, 21 miteinander verbunden
sind. Dazu sind der Funktionsgruppe zur Messwerterfassung 10 eine
Kommunikationsendeinrichtung 11 und der Funktionsgruppe zur
Messwertverarbeitung 20 eine Kommunikationsverbindung 21 zugeordnet.
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Die
Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 ist an einen
Feldbus 30 angeschlossen. Über den Feldbus 30 kommuniziert
die Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 mit einer übergeordneten
Einrichtung. Dabei kann die Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 vorteilhafterweise über den Feldbus 30 gespeist
sein. Darüber
hinaus kann der Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 eine Bedien-
und Anzeigeeinrichtung 22 beigeordnet sein.
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Die
die Funktionsgruppe zur Messwerterfassung 10 umfasst die
Umsetzung einer physikalischen Größe in eine adäquate elektrische
Größe, die
Signalverstärkung
und die Digitalisierung des Messwerts. Am Ausgang der Funktionsgruppe
zur Messwerterfassung 10 wird ein Rohwert des Messwerts bereitgestellt
und über
die drahtlose Kommunikationsverbindung 11, 21 an
die Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 weitergeleitet.
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Die
die Funktionsgruppe zur Messwerterfassung 10 sind prozessnah
an der Messstelle platziert. Dabei ist jede Funktionsgruppe zur
Messwerterfassung 10 lokal energieversorgt.
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In
einer ersten Variante der Erfindung ist als Energiequelle zur Speisung
der Funktionsgruppen zur Messwerterfassung 10 eine Batterie
vorgesehen. Im Ergebnis der begrenzten Funktionalität der Funktionsgruppen
zur Messwerterfassung 10 ist deren Leistungsaufnahme so
gering, dass eine Versorgung aus einer Batterie auch bei langen
Serviceintervallen realisierbar ist.
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Verbunden
mit einer Funkübertragung
können
die Funktionsgruppen zur Messwerterfassung 10 nun komplette
drahtlos in die Messwerterfassungseinrichtung eingebunden werden.
Ihre sensornahe Montage wird dadurch erheblich vereinfacht.
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In
einer zweiten Variante der Erfindung ist der Funktionsgruppe zur
Messwerterfassung 10 eine Einrichtung zur lokalen Energieerzeugung
zugeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, auf eine prozessual vorhandene
Primärenergie
zurückzugreifen,
wie beispielsweise Pressluft, deren Strömungsenergie über eine
Turbine und einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Alternativ sind in der Natur vorkommende Primärenergieträger, wie beispielsweise Sonnenlicht,
mit für
sich bekannten Mitteln zur Umwandlung in elektrische Energie anwendbar.
Der Fachmann wir in Abhängigkeit
von der an der Messstelle verfügbaren
Primärenergie
eine geeignete Erscheinungsform auswählen.
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Zweckmäßigerweise
ist die Speisung aus Primärenergie
zur Überbrückung von
Leistungspausen oder -ausfall durch eine Batterie abgestützt. Vorteilhafterweise
ist dadurch eine speisungsbedingte Wartung, wie sie zum Batterietausch
erforderlich wäre,
verzichtbar.
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Die
Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 umfasst die
komplette Aufbereitung des von der Funktionsgruppe zur Messwerterfassung 10 übernommenen
Rohwert des Messwerts, einschließlich Linearisierung und Kalibrierung,
sowie die Kommunikation des Messgeräts mit einer anfordernden, übergeordneten
Einrichtung über
den Feldbus 30. Darüber
hinaus obliegt der Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 die
Ansteuerung der Bedien- und Anzeigeeinrichtung 22.
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In
Abhängigkeit
von der Art der Messwerterfassungseinrichtung können weitere Ein-/Ausgänge zur
lokalen Steuerung vorgesehen sein, die dann auch von der Funktionsgruppe
zur Messwertverarbeitung 20 angesteuert und bedient werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, einer Funktionsgruppe
zur Messwertverarbeitung 20 zwei oder mehr Funktionsgruppen zur
Messwerterfassung 10 zugeordnet sind. Auch in dieser Ausgestaltung
der Erfindung wird die Gesamtfunktionalität durch die Summe der separierten
Einheiten ausgeführt.
Vorteilhaft ist jedoch, dass die Funktionsgruppen zur Messwerterfassung 10 einfach in
Nähe der
Messstelle platziert werden können
und dass trotz lokaler Montage dieser Einheiten, die Funktionsgruppe
zur Messwertverarbeitung 20 immer nur ein einziges mal
benötigt
wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Summe des Energieverbrauchs aus.
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Alle
energieintensiven Funktionen wie beispielsweise die HART- beziehungsweise
Feldbuskommunikation, die benötigte
Rechenleistung für
die Signalverarbeitung und Kalibrierung oder die Ansteuerung einer
Anzeige mit Hintergrundbeleuchtung sind der Funktionsgruppe zur
Messwertverarbeitung 20 vorbehalten. Die Funktionsgruppe
zur Messwertverarbeitung 20 befindet sich an beliebiger
stelle in Nähe
der Funktionsgruppen zur Messwerterfassung 10. Ihre Energieversorgung
ist hier vorteilhaft über die
schleifengespeiste HART- beziehungsweise Feldbuskommunikation sichergestellt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine drahtlose Kommunikationverbindung
zwischen den Funktionsgruppen zur Messwerterfassung 10 vorgesehen.
Dabei kommuniziert immer eine oder mehrere Funktionsgruppen zur
Messwerterfassung 10 mit der Funktionsgruppe zur Messwertverarbeitung 20 über mindestens
eine weitere Funktionsgruppen zur Messwerterfassung 10.
Vorteilhafterweise gelingt es dadurch, Hindernisse 40,
die die unmittelbare Kommunikation zwischen der Funktionsgruppe zur
Messwertverarbeitung 20 und einer der Funktionsgruppen
zur Messwerterfassung 10 stören, zu umgehen. Damit wird
die Flexibilität
bei der Auswahl der Messstellen weiter erhöht. Darüber hinaus wird die Verfügbarkeit
eines derart redundant ausgeführten
Systems ehöht
und das System ist robuster gegenüber Störungen.
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- 10
- Messwerterfassung
- 11
- Kommunikationsendeinrichtung
- 20
- Messwertverarbeitung
- 21
- Kommunikationsendeinrichtung
- 22
- Bedien-
und Anzeigeeinrichtung
- 30
- Feldbus
- 40
- Hindernis