DE102014109363A1

DE102014109363A1 - Verfahren zum Generieren eines Messsignals eines aktiven Sensors zur Messung einer Messgröße der Prozessautomatisierung sowie Feldgerät zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102014109363A1
Application number: DE102014109363.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Paul
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren eines Messsignals (1) eines aktiven Sensors (10) zur Messung einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Messgröße der Prozessautomatisierung eines Mediums in einem Behältnis, wobei es sich bei dem aktiven Sensor (10) um einen Sensor handelt, der ein Messsignal in das Medium sendet, wobei das Messsignal (1) mit dem Medium wechselwirkt und wobei das Messsignal (1) vom Medium in ein Empfangssignal in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird, wobei das Messsignal (1) diskontinuierlich, insbesondere in Intervallen und/oder nach Aufruf, durch einen Messburst (6) gesendet wird, wobei der Messburst (6) einen ersten Zeitabschnitt (3) mit einer definierten, vorzugsweise konstanten, Messamplitude (M) umfasst, wobei der Sensor (10) von einer übergeordneten Einheit (11) über eine galvanisch trennende, insbesondere induktive, Schnittstelle (8, 9) mit Energie versorgt wird, wobei der Sensor (10) mit der übergeordneten Einheit (11) über die Schnittstelle (8, 9) Daten austauscht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messburst (6) einen zweiten Zeitabschnitt (4) umfasst, der zeitlich vor dem ersten Zeitabschnitt (3) liegt, wobei die Messamplitude im zweiten Zeitabschnitt (4) von einem Startwert (S) auf die definierte, vorzugsweise auf die konstante, Messamplitude (M) innerhalb einer Zeitdauer ansteigt. Die Erfindung betrifft weiter ein Feldgerät (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Generieren eines Messsignals eines aktiven Sensors zur Messung einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Messgröße der Prozessautomatisierung. Die Erfindung betrifft weiter ein Feldgerät, insbesondere einen Leitfähigkeitssensor, zur Ausführung des Verfahrens.
Der prinzipielle Aufbau eines Feldgeräts besteht aus einer übergeordneten Einheit, z.B. einem Transmitter, die über ein Kabel mit einer Last, z.B. einem Sensor, verbunden ist. Die Kommunikation des Sensors mit dem Transmitter wird durch einen Mikrocontroller, im Allgemeinen eine Datenverarbeitungseinheit, gesteuert und gegebenenfalls geregelt.
Die Verbindung Kabel-Sensor erfolgt häufig über eine Steckverbindung, beispielsweise durch eine galvanisch entkoppelte, insbesondere eine induktive, Schnittstelle. Somit können kontaktlos elektrische Signale übertragen werden. Durch diese galvanische Trennung zeigen sich Vorteile hinsichtlich Korrosionsschutz, Potentialtrennung, Verhinderung mechanischer Abnutzung der Stecker usw. Die induktive Schnittstelle ist üblicherweise als System mit zwei Spulen ausgestaltet, die beispielsweise ineinander gesteckt werden. Darüber hinaus wird über diese Schnittstelle Energie übertragen. Über die Schnittstelle kann nur eine bestimmte maximale Leistung entnommen werden.
Derartige induktiv koppelnde Steckverbindungskupplungen mit zumindest einer Primär- und Sekundärspule werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Memosens“ vertrieben.
Bei kleinsten Elektronikabmessungen ist der zur Verfügung stehende Energiespeicher begrenzt. Insbesondere bei induktiv gespeisten Sensoren kann nicht beliebig viel Energie über die induktive Schnittstelle bezogen werden. Eine Möglichkeit den Energiebedarf zu minimieren, besteht darin die Messungen nicht kontinuierlich, sondern pulsartig auszuführen, d.h. nach einer Messung folgt eine Zeitdauer ohne Messung. Zwischen den Messungen wird die Messschaltung abgeschaltet und der Mikrokontroller in einen Schlafzustand versetzt. Dieses Verhalten verursacht im Mittelwert eine geringe Verlustleistung, aber im Gegenzug eine sehr hohe Pulsleistung.
Dies kommt insbesondere bei aktiven Sensoren zum Einsatz. Aktive Sensoren beaufschlagen das zu messende Medium mit einem Messsignal, welches aktiv vom Sensor erzeugt wird. Dies geschieht z.B. bei optischen Sauerstoffsensoren oder konduktiven, bzw. induktiven Leitfähigkeitssensoren. Bei diesen Sensortypen wird ein Signal erzeugt, welches eine Wechselwirkung mit dem zu messenden Medium bewirkt. Ein konduktiver Leitfähigkeitssensor erzeugt so z.B. eine sinusförmige Spannung, welche einen entsprechenden Strom durch das Medium erzeugt. Ein solches Sinussignal 1.StdT ist in 1 dargestellt. Die senkrechten Linien 2 markieren dabei den Bereich der zur Messung verwendet wird.
Ein solcher aktiver Sensor gibt also kein kontinuierliches Messsignal aus, sondern muss die Messungen in einzelne Messbursts aufteilen. Dies führt zu Perioden von Inaktivität, gefolgt von Perioden in denen der Sensor in sehr kurzer Zeit viel Strom aus dem Energiespeicher bezieht. Der Anstieg des bezogenen Stromes ( di(t) / dt) ist dabei also sehr groß.
Weiterhin erfolgt bei diesen Sensoren die Kommunikation zum übergeordneten Messsystem über die induktive Schnittstelle in der Regel durch ein Aufmodulieren eines Nutzsignals. Findet während einer solchen Kommunikation eine Messung statt, kann es vorkommen, dass der steilflankige Stromimpuls zu einer ungewollten Modulation, bzw. Demodulation führt und somit das Messsignal Kommunikationssignal verfälscht wird. Die benannten Zusammenhänge sind in 2 dargestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kommunikationsqualität bei über eine galvanisch trennende Schnittstelle mit einer übergeordneten Einheit gekoppelten Sensoren zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Generieren eines Messsignals, wobei das Messsignal diskontinuierlich, insbesondere in Intervallen und/oder nach Aufruf, durch einen Messburst gesendet wird, wobei der Messburst einen ersten Zeitabschnitt mit einer definierten, vorzugsweise konstanten, Messamplitude umfasst, wobei der Sensor von einer übergeordneten Einheit über eine galvanisch trennende, insbesondere induktive, Schnittstelle mit Energie versorgt wird, und wobei der Sensor mit der übergeordneten Einheit über die Schnittstelle Daten austauscht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messburst einen zweiten Zeitabschnitt umfasst, der zeitlich vor dem ersten Zeitabschnitt liegt, wobei die Messamplitude im zweiten Zeitabschnitt von einem Startwert auf die definierte, vorzugsweise auf die konstante, Messamplitude innerhalb einer Zeitdauer ansteigt.
Der abrupte Anstieg des Stromes wird somit gegenüber dem Stand der Technik verringert, der Energiespeicher wird weniger belastet und die Gefahr der ungewollten Modulation wird verringert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Messburst einen dritten Zeitabschnitt, der zeitlich nach dem ersten Zeitabschnitt liegt, wobei die Messamplitude zumindest innerhalb einer Zeitdauer auf den Startwert absteigt. Somit wird auch beim Ausschalten des Messsignals der abrupte Abstieg des Stromes minimiert, der Energiespeicher weniger belastet und die Gefahr der ungewollten Modulation verringert.
Um dennoch ein maximales Empfangssignal zu bekommen wird zur Auswertung des Empfangssignals nur der Zeitraum des ersten Zeitabschnitts mit definierter, vorzugsweise konstanter, Messamplitude verwendet. In einer Ausgestaltung kommen verschiedene Amplituden während eines Auswertezyklus zum Einsatz.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Messburst um ein Sinussignal mit konstanter Frequenz.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Messburst im ersten Zeitabschnitt eine erste Anzahl an Schwingungen, und die Messamplitude des Messbursts steigt im zweiten Zeitabschnitt innerhalb einer zweiten Anzahl an Schwingungen auf die definierte, vorzugsweise konstante, Messamplitude an, bzw. steigt im dritten Zeitabschnitt innerhalb einer dritten Anzahl an Schwingungen von der definierten, vorzugsweise konstanten, Messamplitude auf den Startwert ab.
Als erste Alternative dazu steigt die Messamplitude im zweiten Zeitabschnitt kontinuierlich bis auf die definierte, vorzugsweise konstante, Messamplitude an, bzw. steigt im dritten Zeitabschnitt ab.
Als zweite Alternative steigt die Messamplitude im zweiten Zeitabschnitt exponentiell bis auf die definierte, vorzugsweise konstante, Messamplitude an, bzw. steigt im dritten Zeitabschnitt ab. Grundsätzlich ist jedwede andere Form des Ansteigens bzw. Absteigens möglich. Für eine Signalgenerierung kann ein Digital-Analog-Wandler verwendet werden. Dieser wandelt einen digitalen Wert in einen analogen Wert. Anhand einer Wertetabelle kann dadurch eine beliebige Signalform generiert werden. Alternativ wird die Versorgungsspannung für einen Treiberbaustein nach einer bestimmten Funktion eingeschaltet. Dies entspricht einer Modulation des Sinussignals. Noch allgemeiner aus signal- und systemtheoretischer Sicht erfolgt eine Amplitudenmodulation zur Generierung des Messsignals.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht der Startwert null oder dem Mittelwert des Messsignals.
In einer bevorzugten Weiterbildung entspricht die Zeitdauer der Hälfte, insbesondere einem Viertel, bevorzugt einem Fünftel, der Dauer des ersten Zeitabschnitts, bzw. die zweite und/oder dritte Anzahl an Schwingungen entspricht der Hälfte, insbesondere einem Viertel, bevorzugt einem Fünftel der ersten Anzahl an Schwingungen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem aktiven Sensor um einen Leifähigkeitssensor, Sauerstoffsensor oder Trübungssensor.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Feldgerät, insbesondere einen Leitfähigkeitssensor, zur Ausführung des Verfahrens wie oben stehend beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
3 das erfindungsgemäße Feldgerät in schematischer Übersicht,
4 ein Messsignal generiert mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
5 den zeitlichen Verlauf des Stromes bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein diskretes Sinussignal generiert mit einem Digital-Analog-Wandler als Messburst, und
7 eine Amplitudenmodulation für den Messburst aus systemtheoretischer Sicht.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Zunächst soll auf das erfindungsgemäße Feldgerät 10 in 3 eingegangen werden, welches das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Bei dem Feldgerät 10 handelt es sich etwa um einen Leifähigkeitssensor, Sauerstoffsensor oder Trübungssensor. Im Allgemeinen ist dies ein aktiver Sensor, wobei aktive Sensoren das zu messende Medium mit einem Messsignal beaufschlagen, welches aktiv vom Sensor erzeugt wird. Bei diesen Sensortypen wird ein Signal erzeugt, welches eine Wechselwirkung mit einem zu messenden Medium bewirkt.
Über eine Schnittstelle 8 kommuniziert das Feldgerät 10 mit einer übergeordneten Einheit 11. An der übergeordneten Einheit 11 ist ein Kabel vorgesehen, an dessen anderem Ende eine zur ersten Schnittstelle 8 komplementäre Schnittstelle 9 vorgesehen ist. Die Schnittstellen 8, 9 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive Schnittstellen ausgestaltet, die mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander koppelbar sind. Über die Schnittstellen 8, 9 werden Daten (bidirektional) und Energie (unidirektional, d.h. von übergeordneter Einheit 11 zum Feldgerät 10) gesendet. Das Feldgerät 10 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet. Die übergeordnete Einheit 11 kann etwa als Messumformer oder auch als Leitstelle etc. ausgestaltet sein. Ein oder mehrere Aufgaben der übergeordneten Einheit 11 können auch in das Feldgerät 10 selbst oder in das feldgeräteseitige Ende des Kabels in einer entsprechenden Elektronik, z.B. in einen Mikrocontroller, verlagert werden.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Messsignals 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wechselwirkung mit dem zu messenden Medium. Das Messsignal 1 wird in Intervallen und/oder nach Aufruf durch die übergeordnete Einheit 11 durch einen Messburst 6 gesendet.
Der Messburst 6 ist zumindest in zwei zeitliche Abschnitte geteilt. Einen ersten Zeitabschnitt 3 mit einer definierten, vorzugsweise konstanten, Amplitude M. Nur dieser erste Zeitabschnitt 3 (gekennzeichnet durch die senkrechten Linien mit dem Bezugszeichen 2) wird zur Auswertung des Empfangssignals verwendet. Und einen zweiten Zeitabschnitt 4 der zeitlich vor dem ersten Zeitabschnitt 3 liegt, innerhalb dessen die Amplitude des Messbursts 6 von einem Startwert S bis zur definierten Amplitude M ansteigt.
Der Messburst 6 umfasst weiter einen dritten Zeitabschnitt 5, der zeitlich nach dem ersten Zeitabschnitt 3 liegt, wobei die Messamplitude zumindest innerhalb einer Zeitdauer auf den Startwert S absteigt.
Die Dauer des An- bzw. Abstiegs der Messamplitude, also die zweite bzw. dritte Zeitdauer 4, 5, entspricht bevorzugt der Hälfte, insbesondere einem Viertel, bevorzugt einem Fünftel, der Dauer des ersten Zeitabschnitts 3.
Bei dem Messburst 6 handelt es sich etwa um ein Sinussignal konstanter Frequenz, wobei der Messburst 6 im ersten Zeitabschnitt 3 eine erste Anzahl an Schwingungen umfasst.
Die Messamplitude des Messbursts 6 steigt im zweiten Zeitabschnitt 4 innerhalb einer zweiten Anzahl an Schwingungen auf die definierte Messamplitude M an, bzw. steigt im dritten Zeitabschnitt 5 innerhalb einer dritten Anzahl an Schwingungen von der definierten Messamplitude M auf den Startwert S ab. Die zweite Anzahl und/oder dritte Anzahl an Schwingungen entspricht der Hälfte, insbesondere einem Viertel, bevorzugt einem Fünftel der ersten Anzahl an Schwingungen.
Alternativ zum An- bzw. Abstieg der Messamplitude innerhalb einer zweiten bzw. dritten Anzahl an Schwingungen kann die Messamplitude kontinuierlich bis auf die definierte Messamplitude M an- bzw. absteigen. Als weitere Alternative steigt die Messamplitude exponentiell bis auf die definierte Messamplitude M an bzw. ab.
Jedwede andere Form des Ansteigens bzw. Absteigens ist möglich. Für diese Signalgenerierung wird ein Digital-Analog-Wandler verwendet. Dieser wandelt einen digitalen Wert in einen analogen Wert. Anhand einer Wertetabelle kann dadurch eine beliebige Signalform generiert werden. In 6 sind die einzelnen Wertepunkte eines solchen diskreten Sinussignals dargestellt. Ebenso wäre denkbar, dass die Versorgungsspannung für einen Treiberbaustein nach einer bestimmten Funktion „hochgefahren“ wird. Dies würde einer Modulation des Sinussignals entsprechen. Noch allgemeiner aus signal- und systemtheoretischer Sicht erfolgt eine Amplitudenmodulation wie in 7 dargestellt.
Der Startwert S ist dabei beispielsweise null oder entspricht dem Mittelwert des Messsignals 6.
Bezugszeichenliste

1.StdT: Messsignal nach dem Stand der Technik
1: Messsignal
2: Markierung des Bereichs der Messsignalauswertung
3: Erster Zeitabschnitt
4: Zweiter Zeitabschnitt
5: Dritter Zeitabschnitt
6: Messburst
8: Schnittstelle
9: Schnittstelle
10: Feldgerät
11: Übergeordnete Einheit
a.u.: willkürliche Einheiten (englisch: arbitrary units)
i: Strom
t: Zeit
S: Startwert Messamplitude
M: Definierte Messamplitude

Claims

Verfahren zum Generieren eines Messsignals (1) eines aktiven Sensors (10) zur Messung einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Messgröße der Prozessautomatisierung eines Mediums in einem Behältnis, wobei es sich bei dem aktiven Sensor (10) um einen Sensor handelt, der ein Messsignal in das Medium sendet, wobei das Messsignal (1) mit dem Medium wechselwirkt und wobei das Messsignal (1) vom Medium in ein Empfangssignal in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird, wobei das Messsignal (1) diskontinuierlich, insbesondere in Intervallen und/oder nach Aufruf, durch einen Messburst (6) gesendet wird, wobei der Messburst (6) einen ersten Zeitabschnitt (3) mit einer definierten, vorzugsweise konstanten, Messamplitude (M) umfasst, wobei der Sensor (10) von einer übergeordneten Einheit (11) über eine galvanisch trennende, insbesondere induktive, Schnittstelle (8, 9) mit Energie versorgt wird, wobei der Sensor (10) mit der übergeordneten Einheit (11) über die Schnittstelle (8, 9) Daten austauscht, dadurch gekennzeichnet, dass der Messburst (6) einen zweiten Zeitabschnitt (4) umfasst, der zeitlich vor dem ersten Zeitabschnitt (3) liegt, wobei die Messamplitude im zweiten Zeitabschnitt (4) von einem Startwert (S) auf die definierte, vorzugsweise auf die konstante, Messamplitude (M) innerhalb einer Zeitdauer ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messburst (6) einen dritten Zeitabschnitt (5) umfasst, der zeitlich nach dem ersten Zeitabschnitt (1) liegt, wobei die Messamplitude zumindest innerhalb einer Zeitdauer auf den Startwert (S) absteigt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Auswertung des Empfangssignals nur der Zeitraum des ersten Zeitabschnitts (3) mit definierter, vorzugsweise konstanter, Messamplitude (M) verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei dem Messburst (6) um ein Sinussignal mit konstanter Frequenz handelt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Messburst (6) im ersten Zeitabschnitt (3) eine erste Anzahl an Schwingungen umfasst, und die Messamplitude des Messbursts (6) im zweiten Zeitabschnitt (4) innerhalb einer zweiten Anzahl an Schwingungen von dem Startwert (S) auf die definierte, vorzugsweise konstante, Messamplitude (M) ansteigt, bzw. im dritten Zeitabschnitt (5) innerhalb einer dritten Anzahl an Schwingungen von der definierten, vorzugsweise konstanten, Messamplitude (M) auf den Startwert (S) absteigt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messamplitude im zweiten Zeitabschnitt (4) kontinuierlich bis auf die definierte, vorzugsweise konstante, Messamplitude (M) ansteigt, bzw. im dritten Zeitabschnitt (5) absteigt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messamplitude im zweiten Zeitabschnitt (4) exponentiell bis auf die definierte, vorzugsweise konstante, Messamplitude (M) ansteigt, bzw. im dritten Zeitabschnitt (5) absteigt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Startwert (S) null oder dem Mittelwert des Messsignals entspricht.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zeitdauer der Hälfte, insbesondere eines Viertels, bevorzugt eines Fünftels, der Dauer des ersten Zeitabschnitts (3) entspricht, bzw. die zweite und/oder dritte Anzahl an Schwingungen entspricht der Hälfte, insbesondere ein Viertels, bevorzugt ein Fünftels der ersten Anzahl an Schwingungen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei es sich bei dem aktiven Sensor (10) um einen Leifähigkeitssensor, Sauerstoffsensor oder Trübungssensor handelt.
Feldgerät (10), insbesondere Leitfähigkeitssensor, zur Ausführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10.