DE10201621A1

DE10201621A1 - Meßwertumformer für mehrere Sensoren und Meßwertumformungsverfahren

Info

Publication number: DE10201621A1
Application number: DE2002101621
Authority: DE
Inventors: Henner Henkel; Dietmar Ehlert; Frank Kathmann
Original assignee: Hansen & Reinders & Co KG GmbH
Current assignee: Hansen & Reinders & Co KG GmbH
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: DE10201621B4

Abstract

Meßwertumformer für mehrere Sensoren mit unterschiedlichen elektrischen Signalarten. Um anstelle einer Insellösung für jedes eigene Meßproblem eine integrierte Kompaktlösung für die Meßwertumformung unterschiedlicher Signalarten zu schaffen, wird vorgeschlagen, DOLLAR A daß jeder der benutzten Meßwerteingänge ein mit Eingangsklemmen für den Sensoranschluß versehenes Eingangsmodul (11.1...11.n) aufweist, das für die jeweilige Eingangssignalart, wie 0 bis 10 V DC, 0 bis 20 oder 4 bis 20 mA DC, 5 bis 15 Hz, PT100, ausgerüstet ist und das Eingangssignal in eine für vorzugsweise alle Meßwerteingänge einheitliche Signalart, wie 0 bis 2,5 V oder eine digitale Frequenz, umwandelt, und DOLLAR A daß die Eingangsmodule (11.1...11.n) mit einem programmierbaren Mikrocontroller (1) verbunden sind, der den vereinheitlichten Signalen, die von dem jeweiligen Sensor erfaßte Meßgröße wieder zuordnet und diese mindestens einem Meßwertausgang zuführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwertumformer für mehrere Sensoren mit unterschiedlichen insbesondere analogen, elektrischen Signalarten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Meßwertumformungsverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9. Wenn Meßwerte für verschiedene Prozeßgrößen zentral gesammelt und genutzt werden sollen, ist es erforderlich, für jede Sensorart ein eigenes Anzeige- oder Meßwertverarbeitungsgerät zu benutzen, z. B. wenn Drucke, Temperaturen, Gaskonzentration, Strömungsgeschwindigkeiten und dergleichen gemessen werden müssen. Derartige Meßaufgaben fallen z. B. im untertägigem Bergbau an.
Davon ausgehend ist es das Ziel der Erfindung, anstelle einer Insellösung für jedes eigene Meßproblem eine integrierte Kompaktlösung für die Meßwertumformung unterschiedlicher Signalarten zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Meßwertumformer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Meßwertumformungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Demnach verwendet die Erfindung einen programmierbaren Microcontroller, dessen Meßwerteingängen unterschiedliche Eingangsmodule vorgeschaltet werden, wobei jedes Eingangsmodul unabhängig von der empfangenen Eingangs-Signalart eine einheitliche Signalart an den Microcontroler weitergibt. Der Microcontroler wiederum ordnet den vereinheitlichten Signalen die von dem jeweiligen Sensor erfaßte Meßgröße wieder zu und führt diese seinem mindestens einen Meßwertausgang zu. Diese zweifache Meßwertumformung ermöglicht es, den Meßwertumformer in Verbindung mit den verschiedensten Meßwertsensoren zu nutzen, auch wenn diese sehr unterschiedliche Signalarten haben. Die Meßwertausgabe kann unabhängig von der von den Sensoren empfangenen Signalart an die aktuellen Bedürfnisse angepaßt werden.
Die erfindungsgemäßen Eingangsmodule sind so ausgerüstet, daß sie unabhängig von der Eingangssignalart immer die gleiche Signalart an den Microcontroler weitergeben. Typische Signalarten und Wertebereiche von Sensoren sind Ströme, Spannungen, eletromagnetische Schwingungen oder akustische Schwingungen, wobei typische Eingangs-Signale
0 bis 1 mA
0 bis 20 mA
4 bis 20 mA
0 bis 10 V
0 bis 1 V
5 bis 15 Hz
sowie die Signale standardisierter Temperaturmeßstellen nach PT 100 sind. Diese Signale liegen am Meßwerteingang in der Regel in analoger Form vor. Die jeweilige Meßgröße wird von dem Eingangsmodul z. B. in eine Spannung von 0 bis 2,5 V umgewandelt, oder in eine digitale Frequenz von 5 bis 15 Hz. Während solche digitalen Frequenzen dem Microcontroler unmittelbar zugeführt werden können, ist es erforderlich, die elektrischen Spannung zwischen 0 und 2,5 V in digitale Werte umzuwandeln. Dies kann grundsätzlich zwar in dem betreffenden Eingangsmodul erfolgen, bevorzugt jedoch sind dem Microcontroler für jeden Meßwerteingang ein Analog/Digitalwandler für das Wandeln des analogen 0 bis 2,5 Volt-Signals zugeordnet.
Die Meßwertausgänge des Microcontrolers können sehr verschieden sein. Eine besonders einfache Meßwertanzeige kann über ein dem Microcontroler zugeordnetes Anzeigegerät erfolgen, welches für jeden der Meßwerteingänge den aktuellen Meßwert wiedergibt. Aufgrund der vorherigen Programmierung des Microcontrolers wird sowohl die gemessene physikalische Größe angegeben, wie z. B. bar, N/mm², °Celsius und dergleichen. Außerdem skaliert der Microcontroler aufgrund seiner vorherigen Programmierung den Meßwert richtig. So kann an einem Meßwerteingang das vereinheitlichte Meßsignal von 0 bis 2,5 V einem Druckbereich von 1 bis 10 bar entsprechen, während für einen anderen Meßwerteingang das vereinheitlichte Eingangssignal von 0 bis 2,5 Volt einem Meßwert von 1 bis 100 Millibar entspricht. Aufgrund der vorherigen Programmierung erfolgt für jeden Meßwerteingang eine eigene, dem konkreten Meßproblem entsprechende Skalierung.
Wenn die verschiedenen Meßwerte nicht an ein einheitliches Anzeigegerät sondern über einzelne Meßwertleitungen an verschiedene Meßwertanzeigegeräte weitergegeben werden sollen, weist der Microcontroler der Zahl der Meßwerteingänge entsprechend viele Meßwertausgänge auf, die alle ein vereinheitlichtes Signal abgeben, das entweder digital ausgegeben wird oder analog, z. B. 0 bis 2,5 Volt. Diesen Meßwertausgängen sind dann entsprechend viele Ausgangsmodule zugeordnet, die die vereinheitlichten Signale wieder in, in der Regel analoge, elektrische Signale von vorgebbarer Signalart umformen, so daß je nach Art des Ausgangsmoduls von diesem ein analoges elektrisches Signal von z. B. 0 bis 1 mA, 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA, 0 bis 10 V, 0 bis 1 V, 5 bis 15 Hz an ein entsprechend ausgelegtes Anzeigegerät oder dergleichen abgeben wird.
Außerdem kann der Microcontroler Grenzwertschalter für einige oder jeden der Meßwerteingänge aufweisen, wobei je ein Grenzwert-Ausgangsmodul dem Microcontroler nachgeordnet ist, um das digitale Grenzwertsignal einem Relaisausgang oder Optokopplerausgang des Ausgangsmoduls zugeordnet wird, wobei auch hier die Größe der Grenzwerte an den Anwendungsfall angepaßt werden können.
Schließlich ist es auch möglich, den Microcontroler mit einem Datenbus oder einem PC-Anschluß über ein entsprechendes Ausgangsmodul zu koppeln, daß die für den Anwendungsfall benötigte Schnittstelle bildet.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Meßwertumformers für mehrere Sensoren dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßwertumformers, aus welchem folgendes ersichtlich ist. Ein für vier Meßwerteingänge ausgestatteter Microcontroler 1 weist für jeden Meßwerteingang einen 5 bis 15 Hz-Digitaleingang und einen Analog/Digitalwandler 2 auf, der ein vereinheitlichtes analoges Spannungssignal von 0 bis 2,5 V in ein digitales Signal wandelt.
Ferner weist der Microcontroler 1 einen Sammelausgang 3 für ein Mehrfach- Anzeigegerät 4 auf, z. B. eine vierzeilige LCD-Anzeige. Ein weiterer Ausgang 5 des Microcontrolers 1 kann für einen PC-Anschluß 6 oder einen Datenbus 7 vorgesehen sein, welchen eine entsprechende Schnittstelle 6A bzw. 7A vorgeordnet ist.
Fünf Grenzwertausgänge 8 des Microcontrolers 1 ermöglichen den Anschluß von in der Zeichnung nicht dargestellten Grenzwertschaltern, denen entsprechende Grenzewertausgangsmodule 8A vorgeschaltet sein können. Vier dieser Grenzwertausgänge dienen der Zuordnung zu je einem Meßwerteingang während der fünfte Grenzwertausgang als Sammelausgang ausgebildet sein kann.
Für eine anderweitige Meßwertverarbeitung oder Anzeige sind vier Meßwertausgänge 9 am Microcontroler 1 vorgesehen, von denen je einer einem der Meßwerteingänge zugeordnet ist und an dem ein digitales 5 bis 15 Hz-Signal oder ein analoges 2,5 Voltsignal ansteht. Den analogen Meßwertausgängen ist dementsprechend je ein Digital/Analogwandler 10 vorgeschaltet.
Um den Meßwerteingängen beliebige Signalarten zuführen und an den Meßwertausgängen beliebige Signalarten abgeben zu können, sind den Meßwerteingängen Eingangsmodule 11.1 bis 11.n zugeordnet und den Meßwertausgängen Ausgangsmodule 12.1 bis 12.n. Erstere wandeln jedes der frei wählbaren Eingangssignale je in ein vereinheitlichtes Signal um, das der Microcontroler 1 verarbeiten kann. Entsprechend werden ausgangsseitig die am Microcontroler anstehenden Ausgangssignale wieder in die gewünschten Signalarten zur Weiterverwendung durch das Einsetzen entsprechender Ausgangsmodule bereitgestellt.
Insbesondere können die Ausgangsmodule jeweils andere Signalarten abgeben, als dem zugehörigen Eingangsmodul zugeführt wird.
Sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsmodule können für Standardsignalarten der weiter oben angegebenen Art eingerichtet sein. Wenn andere Signalarten zu verarbeiten sind, werden daran angepaßte Eingangsmodule verwendet.
Ein erfindungsgemäßer Meßwertumformer dient also der Erfassung mehrerer physikalischer Größen, welche z. B. über ein Display angezeigt oder in ein anderes Signal umgewandelt werden können. Jeder Meßwertumformerkanal kann mit gleichen oder verschiedenen Eingangsmodulen sowie mit gleichen oder verschiedenen Ausgangsmodulen ausgestattet werden. Außerdem kann pro Kanal ein Grenzwertschalter in Gestalt eines Optokoppler- oder Relaisausganges vorgesehen sein, welcher innerhalb des physikalischen Wertebereiches mit beliebigen Grenzwerten programmiert werden kann. Ein weiterer Grenzwertschalter kann für Sammelmeldungen vorgesehen sein und z. B. anzeigen, wenn mindestens ein Grenzwertschalter ausgelöst hat. Der PC-Anschluß kann sowohl zur Programmierung bzw. Parametrierung des Microcontrolers als auch für die Weiterleitung von Meßwerten an einem PC genutzt werden.
Die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Meßwertumformers ist z. B. folgende: Die analog zugeführten Meßwerte werden von den Eingangsmodulen dem zentralen Controler zugeführt, der die Verarbeitung der Meßwerte und deren Umwandlung in andere Formate, Datenkommunikation und Ansteuerung der Grenzwertschalter organisiert. Über geeignete Software ist es möglich überall je nach eingesetztem Modul die Eingangsports, die Ausgangsports und die Steuerausgänge des Microcontrolers über einen PC aufgabenspezifisch zu modifizieren. Zur Modifizierung jedes Kanals können entsprechende Menüs aufgerufen werden, z. B. "Kanalparametrieren", "Kanaljustieren", "Sende-Intervallsetzen". Die Beschaltung jedes Eingangskanals wird durch die Wahl des Eingangsmodultyps festgelegt, wie ein Frequenzmodul, ein PT100-Modul, ein Spannungsmodul, ein Strommodul sowie für jedes Modul unterschiedliche Eingangssteuerbereiche, wie z. B. 0 bis 10 Volt, 0 bis 20 Milliampere oder andere. Ebenso kann der Microcontroler so parametriert sein, daß dem einen oder anderen Kanal kein Modul zugeordnet ist. Für die Grenzwertschalter werden außerdem die jeweiligen Grenzwerte dem Microcontroler einprogrammiert.
Die Beschaltung der Ausgangskanale wird wiederum durch die Auswahl entsprechender Ausgangsmodule festgelegt, wie Frequenzmodul, Spannungsmodul, Strommodul.
Durch die Erfindung wird also insgesamt eine sehr kompfortabel zu handhabende Meßwertumformung ermöglicht, die von den im einzelnen verwendeten Meßwertsensoren - bis auf die Verwendung signalartangepaßter Eingangsmodule - unabhängig ist. Bezugszeichenliste 1 Microcontroler
2 Analog/Digital-Wandler
3 Sammelausgang
4 Mehrfachanzeigegerät
5 Ausgang
6 PC-Anschluß
6A Schnittstelle
7 Datenbus
7A Schnittstelle
8 Grenzwertausgänge
8A Grenzwertausgangsmodule
9 Meßwertausgänge
10 Digital/Analog-Wandler
11.1 bis 11.n Eingangsmodule
12.1 bis 12.n Ausgangsmodule

Claims

1. Meßwertumformer für mehrere Sensoren mit unterschiedlichen elektrischen Signalarten, mit 1 bis n Meßwerteingängen und mindestens einem Meßwertausgang, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der benutzten Meßwerteingänge ein mit Eingangsklemmen für den Sensoranschluß versehenes Eingangsmodul (11.1 . . . 11.n) aufweist, das für die jeweilige Eingangssignalart, wie 0 bis 10 V DC, 0 bis 20 oder 4 bis 20 mA DC, 5 bis 15 Hz, PT100, ausgerüstet ist und das Eingangssignal in eine für vorzugsweise alle Meßwerteingänge einheitliche Signalart, wie 0 bis 2,5 V oder eine digitale Frequenz, umwandelt, und
daß die Eingangsmodule (11.1, . . . 11.n) mit einem programmierbaren Microcontroler (1) verbunden sind, der den vereinheitlichten Signalen die von dem jeweiligen Sensor erfaßte Meßgröße wieder zuordnet und diese mindestens einem Meßwertausgang zuführt.

2. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem Meßwertausgang (Sammelausgang 3) ein Anzeigegerät (4) nachgeordnet ist.

3. Meßwertumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwertausgängen (9) Ausgangsmodule (12.1, . . . 12.n) zugeordnet sind.

4. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Grenzwertausgängen (8) Grenzwertschalter (8.1, . . . 8.n, 8.n + x) zugeordnet sind.

5. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Meßwertausgang (5) über eine Schnittstelle (7A) mit einem Datenbus (7) verbunden ist.

6. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Meßwertausgang (5) über eine Schnittstelle (6A) einem PC-Anschluß (6) zugeordnet ist.

7. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßwerteingängen des Microcontrolers (1) Digital/Analog-Wandler (2) für die Umwandlung vereinheitlichter analoger Signale in digitale Signale für jeden Kanal vorgeordnet sind.

8. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Microcontroler (1) Digital/Analog-Wandler (10) zur Umwandlung digitaler Signale in vereinheitlichte analoge Ausgangssignale für jeden Kanal nachgeordnet sind.

9. Meßwertumformungsverfahren von 1 bis n Meßwerten unterschiedlicher Eingangssignalarten, wie 0 bis 10 V, 0 bis 20 oder 4 bis 20 mA DC durch einen programmierbaren Microcontroler, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte in einheitlicher digitaler Form dem Microcontroler zugeführt, von diesem den ursprünglichen Eingangssignalarten wieder zugeordnet und mindestens einem Meßwertausgang zugeführt werden.