DE102007023437B4

DE102007023437B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102007023437B4
Application number: DE102007023437.8A
Authority: DE
Inventors: Franco Ferraro; Kaj Uppenkamp
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: DE102007023437A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediumsmit mindestens einer Sensoreinheit (1), welche mindestens ein von der Prozessgröße abhängiges Messsignal erzeugt,mit einer Steuereinheit (2), die so ausgestaltet ist, dass sie die Sensoreinheit (1) steuert, und mit einer Auswerteinheit (3), die so ausgestaltet ist, dass sie die Messsignale der Sensoreinheit (1) verarbeitet,dadurch gekennzeichnet, dassdie Steuereinheit (2) und die Auswerteeinheit (3) Nutzsignale und Referenzsignale untereinander austauschen, wobei ein Nutzsignal im Zusammenhang mit dem Messsignal steht und das Messsignal trägt,dass mindestens ein Grenzwert vorgegeben ist, der das Nutzsignal begrenzt,dass ein Referenzsignal derartig ausgestaltet ist, dass es mindestens eine Information über den vorgebbaren Grenzwert trägt, unddass der mit dem Referenzsignal übertragene Grenzwert kommuniziert, wie ein empfangenes Nutzsignal weiterzuverarbeiten oder zu interpretieren ist, oder wie ein Nutzsignal auf der Sendeseite zu erzeugen oder zu skalieren ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit mindestens einer Sensoreinheit, welche mindestens ein von der Prozessgröße abhängiges Messsignal erzeugt, mit mindestens einer ersten Einheit und einer zweiten Einheit, welche mindestens ein Nutzsignal untereinander austauschen, wobei das Nutzsignal im Zusammenhang mit dem Messsignal steht. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Schüttgut. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, den pH-Wert oder den Durchfluss des Mediums.
Bei modernen Messgeräten findet üblicherweise mindestens ein Mikroprozessor Verwendung, welcher den Messprozess steuert oder die Messdaten auswertet oder weiterverarbeitet. Oft werden auch mehrere Mikroprozessoren verwendet. Mikroprozessoren werden üblicherweise durch einen Quarz getaktet, der gewisse Toleranzen und auch durch die Prozessbedingungen wie Temperatur erzeugte Abweichungen tragen kann. Kommunizieren nun zwei Mikroprozessoren miteinander und beziehen sie sich aufeinander, wobei vor allem ggf. eine analoge Übertragung zwischen beiden stattfindet, so kann es sein, dass sich die Toleranzen der beiden Mikroprozessoren als Fehler addieren, da die Unsicherheit des ersten Mikroprozessors sich auf die Unsicherheit des zweiten Mikroprozessors auswirkt. Beide Mikroprozessoren haben somit jeweils eine eigene Zeitskala. Dieses Phänomen bezieht sich insbesondere auf jeden Bereich, indem zwischenzeitig eine analoge Übertragung zwischen den beiden Mikroprozessoren stattfindet, da jeweils eine Referenzierung zwischen den digitalen und den analogen Daten erforderlich ist. Eine jeweils einzelne Kalibration beider Mikroprozessoren wäre bei der Anwendung im Feld sehr aufwendig und kostenintensiv. Dies insbesondere, da die Prozessbedingungen oder auch die Alterung eine Auswirkung auf die Mikroprozessoren haben können.
Die WO 01/18 502 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen Prozeßgröße eines Mediums, wobei eine Auswerteeinheit mittels eines einheitlichen Laufzeit-Auswerte-Algorithmus die physikalische Prozessgröße über ein Laufzeitverfahren bestimmt.
Die DE 101 40 618 A1 beschreibt ein Verfahren zur Korrektur einer Oszillatorfrequenz. Die US 53 19 972 A1 beschreibt ein Ultraschallfüllstandsmesssystem, bei welchem ein Schallwandler unterhalb einer Leitung montiert ist und Schallsignale in das in der Leitung befindliche Wasser eingestrahlt und dort von der Wasseroberfläche reflektiert wird.
Die EP 12 96 128 A1 beschreibt ein Viskositätsmessgerät.
Eine weitere Problematik besteht darin, dass bei abgesetzten Auswerteinheiten immer auf die Kommunikationsstrecke zwischen der Steuereinheit der Sensoreinheit und der Auswerteeinheit Rücksicht genommen werden muss. D.h. es kann vorkommen, dass die Signale entweder nicht richtig übertragen werden, z.B. weil ein Fehler vorliegt, oder dass insbesondere bei Übertragungen, welche keinen absoluten, sondern relative Werte übertragen, die volle Bandbreite nicht ausgenutzt werden kann.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Messvorrichtung mit einer abgesetzten Auswerteeinheit anzugeben, bei welcher Maßnahmen für eine zuverlässige Übertragung des Nutzsignals zur Auswerteeinheit getroffen sind.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass mindestens ein Grenzwert vorgegeben ist, dass das Nutzsignal durch den Grenzwert begrenzt ist, dass die erste Einheit und die zweite Einheit mindestens ein Referenzsignal untereinander austauschen, wobei das Referenzsignal derartig ausgestaltet ist, dass es mindestens eine Information über den vorgebbaren Grenzwert trägt. Die beiden Einheiten übermitteln somit untereinander erfindungsgemäß ein Referenzsignal, über welches es bei einem bekannten Sollwert beispielsweise auch bekannt ist, wie die Nutzsignale zu interpretieren bzw. zu generieren sind, damit eine richtige Weiterverarbeitung des Nutzsignale sichergestellt ist. Die beiden Einheiten können dabei in einem Gerät angebracht oder auch räumlich getrennt voneinander, also eigenständige Einheiten sein. Die Einheiten kommunizieren also Nutzsignale und Referenzsignale, wobei mit dem Referenzsignal übertragen wird, wie das Nutzsignal weiterzuverarbeiten oder zu interpretieren ist (dies gilt für die Empfangsseite) bzw. wie das Nutzsignal zu erzeugen oder wie es zu skalieren ist (dies gilt für die Sendeseite des Nutzsignals). Insbesondere ist das Nutzsignal so definiert, dass es nicht jenseits eines Grenzwertes liegen darf. Als Beispiel seien hierfür die 4...20mA-Signale genannt, bei welchem die Stromstärke des Signals nur zwischen 4 mA und 20 mA liegen darf. Übermittelt somit eine Einheit mit dem Referenzsignal einen dieser Grenzwerte, so weiß die Empfangsseite damit, dass die Sendeseite auf jeden Fall in der Lage ist, ein Signal entsprechend diesem Grenzwert zu erzeugen, d.h. die Sendeseite ist in der Lage, diesen Wert anzufahren. Außerdem handelt es sich bei der ersten Einheit um eine Steuereinheit, welche die Sensoreinheit steuert, und dass es sich bei der zweiten Einheit um eine Auswerteeinheit handelt, welche das Messsignal der Sensoreinheit verarbeitet, wobei das Nutzsignal das Messsignal trägt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zwei Grenzwerte vorgegeben sind, wobei das Nutzsignal durch die zwei Grenzwerte begrenzt ist, und wobei durch die zwei Grenzwerte eine Bandbreite des Nutzsignals vorgegeben ist, und dass das Referenzsignal derartig ausgestaltet ist, dass es mindestens eine Information über die zwei Grenzwerte und/oder über die Bandbreite trägt. Das Nutzsignal verläuft somit innerhalb von zwei Grenzwerten bzw. erstreckt sich über eine gewisse Bandbreite. Das Referenzsignal trägt nun Information über die beiden Grenzwerte bzw. über die Bandbreite. Damit wird zum einen angezeigt, über welche Bandbreite das Nutzsignal effektiv verfügen kann, d.h. zu welchen Nutzsignalen die das Referenzsignal sendende Einheit in der Lage ist, und zum anderen wird übermittelt, wie in der sendenden Einheit die Grenzwerte umgesetzt sind. D.h. zum einen kann das Referenzsignal dem internen Abgleich zwischen den beiden Einheiten dienen, und zum anderen wird mittels des Referenzsignals sichergestellt, dass die Grenzwerte durch das Nutzsignal erreicht werden können.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Referenzsignal im Wesentlichen einem Nutzsignal entspricht, welches mindestens einen Grenzwert für das Nutzsignal und/oder die Bandbreite des Nutzsignals trägt. Das Referenzsignal ist somit ein besonders ausgestaltetes Nutzsignal. Damit ist es möglich, die normale Verbindung zwischen den beiden Einheiten zu verwenden. Es ist nur erforderlich, dass beide Seiten einen entsprechenden Zeitpunkt, z.B. innerhalb eines Kalibrierintervalls verwenden, um dieses spezielle Nutzsignal zu übertragen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Nutzsignal ein Strom- oder Spannungssignal ist, und dass es sich bei den zwei Grenzwerten um maximale Strom- oder Spannungswerte handelt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die das Referenzsignal empfangende Einheit das Referenzsignal zur Verarbeitung des Nutzsignals verwendet. Durch das Referenzsignal wird somit übermittelt, wie das Nutzsignal zu interpretieren bzw. aus- oder weiterzuverarbeiten ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Referenzfrequenz, wenn das Nutzsignal die Frequenz des Messsignals trägt, oder um ein Amplitudesignal, wenn das Nutzsignal beispielsweise ein 4 bis 20 mA-Signal ist.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Referenzsignal mindestens eine Referenzfrequenz und/oder eine Referenzphase beinhaltet. Die Referenzfrequenz dient beispielsweise der Auswertung des Messignals oder der Interpretation des Nutzsignals, welches zwischen den beiden Einheiten ausgetauscht wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Referenzsignal derartig ausgestaltet ist, dass das Referenzsignal mindestens eine Information für die Übertragung des Nutzsignals zwischen der ersten Einheit und der zweiten Einheit beinhaltet. Handelt es sich bei dem Nutzsignal beispielsweise um ein 4 bis 20 mA-Signal, so trägt das Referenzsignal eine bestimmte Amplitude, welche als Referenzierung des Nutzsignals dient.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die das Referenzsignal empfangende Einheit aus dem Referenzsignal mindestens eine Aussage über einen Übertragungsweg zwischen der ersten Einheit und der zweiten Einheit gewinnt. Der Übertragungsweg bzw. das Übertragungsmedium zwischen den beiden Einheiten hat auch einen Einfluss auf die Übertragung des Signals. Dazu gehören beispielsweise die Kontaktstellen, über welche die Verbindung z.B. zwischen der jeweiligen Einheit und z.B. dem Kabel oder den Leitern zwischen den Einheiten hergestellt wird. Um diesen Übertragungsweg zu überwachen bzw. um auch diesbezügliches Predictive Maintenance vornehmen zu können, eignet sich das Referenzsignal ebenfalls. Hierfür werden die passend hinterlegten Sollwerte für das Referenzsignal mit den real auftretenden Werten verglichen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die das Referenzsignal empfangende Einheit mindestens eine aus dem Referenzsignal sich ergebende Ladekurve auswertet. Besonders bei elektrischen Leitern für den Übertragungsweg, welche auch kapazitive Eigenschaften haben, lässt sich ein Referenzsignal verwenden, welches vorzugsweise zwischen zwei diskreten Werten springt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinheit aus dem Messsignal den Wert der Prozessgröße bestimmt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Sensoreinheit mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit aufweist. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine sog. Schwinggabel mit zwei Gabelzinken oder um einen sog. Einstab. Bei solchen Messgeräten findet gelegentlich die räumliche Trennung der Einheiten bzw. Mikroprozessoren statt, damit der Mikroprozessor, welcher die Auswertung vornehmen muss, nicht den rauen Prozessbedingungen, d.h. insbesondere nicht der Temperatur ausgesetzt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Nutzsignal mindestens die Frequenz der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit der Sensoreinheit beinhaltet. Die Dichte als Prozessgröße oder auch der Füllstand bei Flüssigkeiten lässt sich beispielsweise aus der Frequenz bestimmen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit und die Auswerteeinheit das Referenzsignal zu festen oder unterschiedlichen Zeitpunkten untereinander austauschen. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit und die Auswerteeinheit das Referenzsignal in Abhängigkeit von mindestens einer Prozesseigenschaft untereinander austauschen. Dabei beinhaltet eine Ausgestaltung, dass die Steuereinheit und die Auswerteeinheit das Referenzsignal in Abhängigkeit von der Temperatur als Prozesseigenschaft untereinander austauschen. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit und die Auswerteeinheit das Referenzsignal nach einer Anfrage untereinander austauschen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit und/oder die Auswerteinheit mindestens einen Mikroprozessor beinhalten.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit ein Empfangssignal von der Sensoreinheit empfängt, und dass die Steuereinheit die Sensoreinheit mit einem Anregesignal mit einer einstellbaren Frequenz und/oder mit einer einstellbaren Amplitude und/oder mit einer einstellbaren Phase relativ zur Phase des Empfangssignals beaufschlagt. Diese Ausgestaltung bezieht sich insbesondere auf die mechanisch schwingfähige Einheit als Teil der Sensoreinheit.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes,
2: eine schematische Darstellung einer Kalibration,
3: Beispiele für das erfindungsgemäße Referenzsignal,
4: ein vergrößerter Ausschnitt der Abbildung 3, und
5: ein Beispiel für eine Auswertung des Referenzsignals.

In der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Messgerät dargestellt. Die Sensoreinheit 1 weist hier eine sog. Schwinggabel 5 auf, bei welcher zwei Gabelzinken an einer Membran befestigt sind. Mit der Membran ist ein - hier nicht dargestellter - elektromechanischer Wandler gekoppelt, bei welchem es sich beispielsweise um ein piezo-elektrisches Element handelt. Dieses Piezoelement wird von der Steuereinheit 2 mit einer elektrischen Wechselspannung als Anregesignal beaufschlagt. Durch den piezo-elektrischen Effekt wird die Wechselspannung in eine mechanische Schwingung übertragen, welche über die Membran auf die Gabelzinken wirkt. Die mechanischen Schwingungen der Schwinggabel hängen dabei davon ab, ob sie durch das Medium bedeckt sind, bzw. welche Eigenschaften das Medium aufweist. So sind die Schwingungen beispielsweise auch von der Viskosität oder der Dichte des Mediums abhängig. Die mechanischen Schwingungen werden umgekehrt von dem elektro-mechanischen Wandler wieder in eine Wechselspannung übertragen und als Messsignal an die Steuereinheit 2 übergeben. Die Steuereinheit 2 umfasst hier eine Rückkoppelelektronik, die das Messsignal in Amplitude, Phase und Frequenz verändert und wieder der Sensoreinheit 1 zuführt, so dass kontinuierliche Schwingungen ausgeführt werden.
In dem hier gezeigten Fall handelt es sich bei der Prozessgröße, die durch das Messgerät gemessen wird, um die Dichte des Mediums. Dafür ist es erforderlich, dass das Messsignal an die Auswerteeinheit 3 übertragen wird, in welcher die erforderlichen Kalibrationsdaten hinterlegt sind bzw. von welcher die für die Berechnung notwendigen Parameter wie Druck und Temperatur gemessen oder von den entsprechenden Messzellen abgefragt werden. Für die Dichtemessung wird die Frequenz der Schwingungen ausgewertet. Die Kalibrationsdaten beschreiben daher den Zusammenhang zwischen der Schwingungsfrequenz und der Dichte des Mediums.
In der Steuereinheit 2 und der Auswerteeinheit 3 befindet sich jeweils ein Mikroprozessor 4 zur Steuerung bzw. Regelung der Schwingungen und zur Auswertung der Messsignale. Mikroprozessoren sind jedoch meist mit Quarztoleranzen bzw. mit Resonatortoleranzen behaftet. Weiterhin reagieren Mikroprozessoren auch auf die Umgebungstemperatur, so dass sich insbesondere bei dem Mikroprozessor 4 in der Steuereinheit 2, welche in der Nähe des Prozesses und somit stärker der Temperatur ausgesetzt ist, die Schwingungsfrequenz ändern kann. Dies führt auch dazu, dass der Mikroprozessor 4 der Steuereinheit 2 eine unterschiedliche Anregefrequenz für die Sensoreinheit 1 erzeugt. Wird dann von der Auswerteeinheit 3 die Frequenz der Schwingungen ausgewertet, so ergibt sich auch ein anderer Wert, da meist mit Frequenzdifferenzen gearbeitet wird. In einer alternativen Ausgestaltung übermittelt die Steuereinheit 2 daher die Differenz zwischen der Anregefrequenz und der Empfangsfrequenz an die Auswerteeinheit 3. Um eine genaue Auswertung zu ermöglichen, übersendet erfindungsgemäß in diesem Fall die Steuereinheit 2 ein Referenzsignal mit einer vorgebbaren Frequenz, beispielsweise 1 000 Hz an die Auswerteeinheit 3. Somit weiß die Auswerteeinheit 3 relativ zu welcher Frequenz die Steuereinheit 2 arbeitet. D.h. es ist ein Referenzpunkt gegeben. Eine weitere Möglichkeit der Referenzierung bezieht sich auf das Verfahren zur Übertragung des Nutzsignals, bei welchem ein 4 bis 20 mA-Signal verwendet wird. D.h. es wird beispielsweise die Frequenzänderung relativ zur Anregefrequenz übertragen, welche sich aus der Wechselwirkung der Schwinggabel mit dem Medium ergibt und aus welcher sich die Prozessgrößen wie Dichte oder Füllstand berechnen lassen, indem der Bereich zwischen 4 mA und 20 mA z.B. linear ausgenutzt wird, wobei die Amplitude einer gewissen Frequenz entspricht. Hierfür ist es jedoch wichtig, dass von beiden Einheiten 2, 3 der gesamte Bereich zwischen 4 mA und 20 mA ausgenutzt wird. Daher besteht in diesem Fall das Referenzierungssignal aus einer gewissen, vorher festzulegenden und beiden Einheiten 2, 3 bekannten Amplitude des Ausgangssignals beispielsweise der Steuereinheit 2. D.h. ist als Referenzsignal eine Amplitude von x mA vorgesehen und empfängt die Auswerteeinheit 3 eine Amplitude von y mA, so sind die normalen Nutzsignale, d.h. die eigentlichen Messsignale relativ zur Differenz zwischen dem Soll- (x mA) und dem Ist-Wert (y mA) zu verstehen. Somit dient das Referenzsignal in einer Ausgestaltung der internen Kalibration, um eine richtige Aus- und Weiterverarbeitung des Nutzsignals zu erreichen. In einer alternativen Ausgestaltung sind in beiden Einheiten die Grenzwerte bzw. die Bandbreite des Nutzsignals hinterlegt und in dem Fall, dass das Referenzsignal von einem Grenzwert oder von der Bandbreite abweicht, wird dies als Fehler signalisiert.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die momentan an der schwingfähigen Einheit gemessene Schwingfrequenz übertragen. Die für die Auswertung erforderliche Vakuumfrequenz der Schwinggabel, d.h. die Resonanzfrequenz bei Schwingungen im Vakuum, ist in der Auswerteeinheit 3 hinterlegt, so dass daraus über entsprechend hinterlegte Formeln die Dichte ermittelt bzw. berechnet wird. Alternativ wird die Differenz zwischen der Vakuumfrequenz und der momentanen Schwingfrequenz übertragen.
In der 2 ist die Messvorrichtung der 1 schematisch in Bezug auf eine Referenzierung bzw. auf das erfindungsgemäße Übertragen des Referenzsignals dargestellt. Die Sensoreinheit 1 besteht aus einer Schwinggabel 5 und einer Elektronikeinheit 6 zur Ansteuerung der Gabel 5. Der Mikroprozessor oder Mikrocontroller 4 der Steuereinheit 2 misst die Schwingfrequenz oder referenziert sie auf die Frequenz des Anregesignals und gibt diese Frequenz bzw. eine Differenz zur Anregefrequenz als Analogsignal in Form des Nutzsignals an die Auswerteeinheit 3, deren Mikroprozessor 4 aus dem Nutzsignal die Frequenz ermittelt und daraus über eine entsprechend hinterlegte Formel bzw. in Verbindung mit hinterlegten Kalibrierdaten die Prozessgröße, d.h. in diesem Fall die Dichte des Mediums bestimmt. Dieser Wert wird dann an die Ausgabeeinheit 7 übertragen. Das Referenzsignal besteht daher in einer Ausgestaltung in einem analogen Signal, welches eine bestimmte Frequenz aufweist, so dass die Auswerteeinheit 3 die Abweichung zwischen der aus dem Referenzsignal bestimmten Frequenz und dem eigentlichen Sollwert für die Referenzierung der Nutzsignale verwendet. Die Kalibrierung der Steuereinheit 2 bzw. der Verbindung von Steuereinheit 2 und Sondeneinheit 1 geschieht entweder, indem ein Referenzmedium 8 gemessen und der gemessene Wert auf den bekannten Wert des Referenzmediums 8 gesetzt wird, oder indem ein Referenzmediumssignal 9 der Steuereinheit 2 zugeführt wird, wobei dieses Signal dem entspricht, welches bei dem entsprechenden Referenzmedium auftreten würde. Diese Referenzierung oder Kalibrierung wird auf die Auswerteeinheit 3 überführt, indem das aus der Messung mit dem Referenzmedium 8 oder aus dem Empfangen des Referenzmediumssignal entstehende Nutzsignal bzw. Referenzsignal von der Auswerteeinheit 3 ausgewertet wird, bzw. indem der bei der Auswertung erhaltene Wert mit dem Sollwert verglichen und die Abweichungen für die Auswertung der Nutzsignale verwendet wird.
In der 3 ist eine Abfolge von Signalen dargestellt, wie sie zwischen den beiden Einheiten 2, 3 übertragen werden. Dabei sei darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausgestaltungen beschränkt, sondern in jeder Art von Messgerät Anwendung finden kann, also beispielsweise auch bei Füllstandsmessgeräten nach dem Laufzeitverfahren oder bei Durchflussmessgeräten. Oberhalb ist noch einmal der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt.
In den darunter befindlichen Graphen ist dargestellt der Wechsel zwischen Nutz- und Referenzsignal. Wesentlich ist, dass das Referenzsignal auch als solches von der das Referenzsignal empfangenden Einheit 3 verstanden wird. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass das Referenzsignal zu festen Zeitpunkten gesendet wird oder dass es nach einer Anfrage gesendet wird, oder dass es eine bestimmte Abfolge von Werten zeigt oder dass es außerhalb eines zu erwartenden Bereiches liegt. In den gezeigten Beispielen wird ein Wert konstant über eine Zeitdauer gehalten, es wird eine Abfolge von zwei konstanten Werten erzeugt oder es kommt zu einer Wiederholung dieses Musters. In einer weiteren Ausgestaltung wird eine solche Signalisierung als Trigger verwendet, dem sich das Referenzsignal anschließt, um beispielsweise als Analogsignal ein Frequenzsignal zu übertragen.
In der 4 ist insbesondere der Fall dargestellt, dass das Referenzsignal den Amplitudenbereich des Nutzsignals übermittelt. Dabei ist das Nutzsignal entweder durch seine Stromstärke oder durch seine Spannung gekennzeichnet, d.h. das Nutzsignal trägt seine zu übermittelnde Information entweder in Form der Stromstärke oder der Spannung. Bei dem Nutzsignal handelt es sich beispielsweise um ein 4...20 mA-Signal. Erfindungsgemäß wird während des Kalibrierintervalls das Referenzsignal übersendet, welches die beiden Grenzwerte und damit auch die Bandbreite für das Nutzsignal überträgt. Dies geschieht hier zu Anfang und zum Ende des Kalibierintervalls. Mit diesem Referenzsignal, d.h. mit diesem speziellen Nutzsignal, welches die Grenzen für das eigentliche, normale Nutzsignal voll ausnutzt, wird somit übermittelt, a) ob das Nutzsignal innerhalb dieser Grenzen vollständig liegen kann, d.h. es wird bei Abweichungen ggf. eine Fehlermeldung erzeugt, oder b) wie die Bandbreite für das Nutzsignal von der das Referenzsignal sendenden Einheit realisiert wird, d.h. mit dem Referenzsignal findet somit eine interne Kalibration statt.
In der 5 wird gezeigt, wie das Referenzsignal dazu dient, um Aussagen über den Übertragungsweg zwischen den Einheiten 2, 3 zu gewinnen. Im gezeigten Beispiel - 5 a) - besteht der Übertragungsweg zwischen der Steuereinheit 2 bzw. der eigentlichen Messeinheit und der Auswerteeinheit 3 aus zwei elektrischen Leitern, die für das weitere Verständnis durch ihre elektrische Impedanz Z_L repräsentiert seien.
In der 5 b) ist der ideale Signalverlauf des Stromsignals dargestellt. Der Messwert sei mit Im bezeichnet, welcher zwischen dem unteren I_u und dem oberen Grenzwert I₀ liegt. Nach dem Messwert Im wird hier das Referenzsignal übertragen, welches einmal den unteren I_u und einmal den oberen Grenzwert I_o beinhaltet. Ein solches Sprungsignal unterscheidet sich deutlich von einem üblichen Nutzsignal. Das Referenzsignal ist hier ein reines Rechtecksignal mit steilen Flanken.
Die 5 c) zeigt den realen Verlauf mit den Auswirkungen der Impedanz Z_L der beiden elektrischen Leiter. Die Flanken des Referenzsignals sind nicht mehr steil, wobei hier jedoch weiterhin die beiden Grenzwerte auftreten. D.h. das Referenzsignal wird zwar in der Form durch die Leiter beeinflusst, der Informationsgehalt ändert sich jedoch unter Voraussetzung des optimal funktionierenden Übertragungsweges nicht.
In der 5 d) ist die Ladekurve dargestellt, welche die Einheit, welche das Referenzsignal empfängt, aus dem Referenzsignal ableitet. Beispielsweise werde hier das Referenzsignal von der Steuereinheit 2 bzw. der eigentlichen Messeinheit gesendet und von der Auswerteeinheit 3 verarbeitet. Die Ladekurve nähert sich hier mit einer Exponentialfunktion dem oberen Grenzwert I_o an. Der untere I_u Grenzwert entspricht 0% und der obere Grenzwert I_o 100% der Ladekurve. Der Verlauf des Ladestromes iL lässt sich wie folgt beschreiben: i_L =I_o *(1-e^-t/τ), dabei beschreibt τ den Zeitpunkt, an welchem ca. 63% des Maximalwerts erreicht wird.
Bleibt die Ladkurve unterhalb des oberen Grenzwerts I_o, welcher beispielsweise in der Auswerteeinheit 3 passend hinterlegt ist, so wird ein Alarm ausgelöst, welcher besagt, dass etwas mit dem Messgerät oder speziell mit den Leitungen des Übertragungsweges nicht stimmt. Nähert sich jedoch die Ladekurve bis auf ein vorgebbares Toleranzband dem oberen Grenzwert I_o hinreichend nahe an, so bedeutet dies, dass alles in Ordnung ist. Zwischen diesen beiden Bereichen lässt sich ein Grenzbereich definieren (hier durch die Schraffierung gekennzeichnet), innerhalb dessen ein „Voralarm“ als eine Vorwarnung hin auf das Auftreten eines Fehlers ausgelöst werden kann.
Die Ladekurve kann sich beispielsweise durch schleichende Korrosion oder durch eine erhöhte Leitfähigkeit durch das Eindringen von Feuchtigkeit verändern.
Bezugszeichenliste

1: Sensoreinheit
2: Steuereinheit
3: Auswerteeinheit
4: Mikroprozessor
5: Schwinggabel
6: Elektronikeinheit
7: Ausgabeeinheit
8: Referenzmedium
9: Referenzmediumssignal

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums mit mindestens einer Sensoreinheit (1), welche mindestens ein von der Prozessgröße abhängiges Messsignal erzeugt, mit einer Steuereinheit (2), die so ausgestaltet ist, dass sie die Sensoreinheit (1) steuert, und mit einer Auswerteinheit (3), die so ausgestaltet ist, dass sie die Messsignale der Sensoreinheit (1) verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) und die Auswerteeinheit (3) Nutzsignale und Referenzsignale untereinander austauschen, wobei ein Nutzsignal im Zusammenhang mit dem Messsignal steht und das Messsignal trägt, dass mindestens ein Grenzwert vorgegeben ist, der das Nutzsignal begrenzt, dass ein Referenzsignal derartig ausgestaltet ist, dass es mindestens eine Information über den vorgebbaren Grenzwert trägt, und dass der mit dem Referenzsignal übertragene Grenzwert kommuniziert, wie ein empfangenes Nutzsignal weiterzuverarbeiten oder zu interpretieren ist, oder wie ein Nutzsignal auf der Sendeseite zu erzeugen oder zu skalieren ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Grenzwerte vorgegeben sind, wobei das Nutzsignal durch die zwei Grenzwerte begrenzt ist, und wobei durch die zwei Grenzwerte eine Bandbreite des Nutzsignals vorgegeben ist, und dass das Referenzsignal derartig ausgestaltet ist, dass es mindestens eine Information über die zwei Grenzwerte und/oder über die Bandbreite trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal im Wesentlichen einem Nutzsignal entspricht, welches mindestens einen Grenzwert für das Nutzsignal und/oder die Bandbreite des Nutzsignals trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzsignal ein Strom- oder Spannungssignal ist, und dass es sich bei den zwei Grenzwerten um maximale Strom- oder Spannungswerte handelt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Referenzsignal empfangende Einheit (2, 3) das Referenzsignal zur Verarbeitung des Nutzsignals verwendet.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die das Referenzsignal empfangende Einheit (2, 3) das Referenzsignal dazu verwendet, um festzustellen, ob die das Referenzsignal sendende Einheit (3, 2) in der Lage ist, ein Nutzsignal innerhalb des mindestens einen Grenzwertes oder der Bandbreite zu erzeugen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die das Referenzsignal empfangende Einheit (2, 3) aus dem Referenzsignal mindestens eine Aussage über einen Übertragungsweg zwischen der ersten Einheit (2) und der zweiten Einheit (3) gewinnt.
Vorrichtung nach Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, dass die das Referenzsignal empfangende Einheit (2, 3) mindestens eine aus dem Referenzsignal sich ergebende Ladekurve auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (3) aus dem Messsignal den Wert der Prozessgröße bestimmt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1) mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit aufweist.