DE102017128440A1 - Impedance level sensor - Google Patents
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Abstract
Impedanzgrenzstandsensor (100) mit
- einer Messsonde (102), die durch ein die Messsonde (102) umgebendes Medium in einer Kapazität beeinflussbar ist,
- einem Messschwingkreis, in dem die Messsonde (102) als kapazitätsbestimmendes Element angeordnet ist,
- einer Elektronikeinheit (101) mit einem Signalgenerator () zur Anregung des Messschwingkreises und einem Signaldetektor (104) zur Ermittlung eins Antwortsignals des Messschwingkreises,
- einer Signalverarbeitungseinheit () zur Erzeugung eines Messsignals, die mit der Elektronikeinheit (101) verbunden ist und wobei der Impedanzgrenzstandsensor (100) als Zweileiter-Feldgerät ausgebildet ist und einen Energiezwischenspeicher (304) zur wenigstens teilweisen Versorgung des Impedanzgrenzstandsensors (100) mit Energie aufweist.
Impedance level sensor (100) with
a measuring probe (102) which can be influenced by a medium surrounding the measuring probe (102) in a capacity,
a measuring resonant circuit in which the measuring probe 102 is arranged as a capacitance-determining element,
- An electronic unit (101) with a signal generator () for exciting the measuring resonant circuit and a signal detector (104) for determining a response signal of the measuring resonant circuit,
- A signal processing unit () for generating a measurement signal, which is connected to the electronic unit (101) and wherein the impedance threshold sensor (100) is designed as a two-wire field device and an energy buffer (304) for at least partially supplying the impedance level sensor (100) with energy ,
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Impedanzgrenzstandsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensors.The present invention relates to an impedance threshold sensor according to the preamble of patent claim 1 and a method for operating such a sensor.
Impedanzgrenzstandsensoren sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik, bspw. zur Messung von Grenz- oder Füllständen bekannt. Typische Anwendungen für die Erfassung einer vordefinierten Füllhöhe sind Prozessbehältnisse, wie beispielsweise Prozesstanks, Lagertanks, Silos oder Rohrleitungen in der Prozessindustrie. Impedanzgrenzstandsensoren, werden dabei häufig als sog. Grenzschalter, d.h. zur Bestimmung, ob ein Füllmedium eine bestimmte Füllhöhe, den sog. Grenzstand, über- oder unterschreitet, in unterschiedlichen Flüssigkeiten, sowie granulierten und pulverförmigen Schüttgütern eingesetzt.Impedanzgrenzstandsensoren are basically known from the prior art, for example. For the measurement of limits or levels. Typical applications for the detection of a predefined level are process vessels, such as process tanks, storage tanks, silos or pipelines in the process industry. Impedance threshold sensors are often referred to as so-called limit switches, i. to determine whether a filling medium exceeds or falls below a certain filling level, the so-called limit level, in different liquids, as well as granulated and powdered bulk materials.
Es sind auch andere Arten von Grenzschaltern bzw. Grenzstandsensoren bekannt, die je nach Einsatzgebiet, Prozessbedingungen und Eigenschaften des Füllmediums ausgewählt werden. Neben Impedanzgrenzstandsensoren kommen Sensoren, die nach dem TDR (Time Domain Reflectometry) Prinzip arbeiten, oder Vibrationsgrenzstandsensoren oder kapazitiv arbeitende Sensoren zum Einsatz. Ein Schaltbefehl des Grenzschalters kann beispielsweise Befülleinrichtungen oder Entleereinrichtungen starten oder stoppen um entsprechend ein Überlaufen oder Leerlaufen des jeweiligen Prozessbehältnisses zu vermeiden.There are also other types of limit switches or level sensors known, which are selected depending on the application, process conditions and properties of the filling medium. In addition to impedance threshold sensors, sensors based on the TDR (Time Domain Reflectometry) principle or vibration level sensors or capacitive sensors are used. For example, a switching command of the limit switch can start or stop filling devices or emptying devices in order to correspondingly avoid overflowing or idling of the respective process container.
In der vorliegenden Anmeldung werden an Stelle des Begriffs Impedanzgrenzstandsensor der Einfachheit halber auch die Begriffe Impedanzsensor und Grenzschalter gleichwertig benutzt.In the present application, instead of the term impedance threshold sensor, the terms impedance sensor and limit switch are equally used for the sake of simplicity.
Ein bekannter Impedanzsensor
Die Messelektrode
Ein Betrag einer sich über die Frequenz ändernden komplexwertigen Impedanz |Z| dieses Messschwingkreises wird vorteilhafterweise zwischen 100 MHz und 200 MHz analysiert, d.h. der Messschwingkreis wird mittels eines Frequenzgenerators
Unter einem Frequenzsweep wird die sequenzielle Anregung mit einer Mehrzahl von aufeinander folgenden Frequenzen innerhalb eines Frequenzbereichs verstanden, wobei der Frequenzbereich idealerweise sämtliche möglichen Resonanzfrequenzen des Messschwingkreises enthalten sollte.A frequency sweep is understood to mean the sequential excitation with a plurality of successive frequencies within a frequency range, wherein the frequency range should ideally contain all possible resonant frequencies of the resonant circuit.
Die Änderung der Impedanz des Messschwingkreises wird für eine Auswertung in einer Auswerte- und Steuereinheit
In
Eine erste Kurve
Das Verhalten einer mit Anhaftungen von Ketchup verschmutzten Messsonde
Schaltbefehle (leer, voll) werden von der Auswerte- und Steuereinheit
Die Grenzstandsensoren
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Impedanzgrenzstandsensor zur Verfügung zu stellen, der einen verringerten Verkabelungsaufwand ermöglicht.It is the object of the present invention to provide an impedance threshold sensor which allows a reduced cabling effort.
Diese Aufgabe wird durch einen Impedanzgrenzstandsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an impedance threshold sensor having the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.Advantageous developments are the subject of dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer Impedanzgrenzstandsensor mit einer Messsonde , die durch ein die Messsonde umgebendes Medium in einer Kapazität beeinflussbar ist, einem Messschwingkreis, in dem die Messsonde als kapazitätsbestimmendes Element angeordnet ist, einer Elektronikeinheit mit einem Signalgenerator zur Anregung des Messschwingkreises und einem Signaldetektor zur Ermittlung eins Antwortsignals des Messschwingkreises und einer Signalverarbeitungseinheit zur Erzeugung eines Messsignals, die mit der Elektronikeinheit verbunden ist zeichnet sich dadurch aus, dass der Impedanzgrenzstandsensor als Zweileiter-Feldgerät ausgebildet ist und einen Energiezwischenspeicher zur wenigstens teilweisen Versorgung des Impedanzgrenzstandsensors mit Energie aufweist.An impedance threshold sensor according to the invention with a measuring probe which can be influenced by a medium surrounding the measuring probe in a capacitance, a measuring resonant circuit in which the measuring probe is arranged as capacitance determining element, an electronic unit with a signal generator for exciting the measuring resonant circuit and a signal detector for determining a response signal of Measuring resonant circuit and a signal processing unit for generating a measurement signal, which is connected to the electronic unit characterized by the fact that the impedance threshold sensor is designed as a two-wire field device and has an energy buffer for at least partially supplying the impedance level sensor with energy.
Unter einem Zweileiter-Feldgerät gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Feldgerät verstanden das über zwei Leitungen mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei über diese beiden Leitungen sowohl eine Energieversorgung als auch eine Messwertübermittlung stattfindet.A two-wire field device according to the present invention is understood to mean a field device which is connected via two lines to a higher-order unit, with both a power supply and a measured value transmission taking place via these two lines.
Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem Zweileiter-Feldgerät und der übergeordneten Einheiten erfolgt dabei nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife, d.h. eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus-PA-Protokoll genannt.The energy and / or signal transmission between the two-wire field device and the higher-level units is carried out according to the known 4 mA to 20 mA standard, in which a 4 mA to 20 mA current loop, i. a two-wire line is formed between the field device and the higher-level unit. In addition to the analogue transmission of signals, there is the possibility that the measuring devices, according to various other protocols, in particular digital protocols, transmit or receive further information to or from the higher-level unit. By way of example, the HART protocol or the Profibus PA protocol may be mentioned here.
Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungsleitungen vorzusehen.The power supply of these field devices is also provided via the 4 mA to 20 mA current signal, so that no additional supply line is required in addition to the two-wire line. In order to minimize the wiring and installation costs and the safety measures, for example when used in explosion-proof areas, it is also not desirable to provide additional power supply lines.
Mit dem erfindungsgemäßen Impedanzgrenzstandsensor ist es damit möglich, den erforderlichen Verkabelungsaufwand deutlich zu reduzieren und trotz der nur beschränkten Verfügbarkeit von Energie, die über die Zweidrahtleitung zur Verfügung gestellt wird, eine zuverlässige Messung zu ermöglichen.With the impedance threshold sensor according to the invention, it is thus possible to significantly reduce the required cabling and to allow a reliable measurement despite the limited availability of energy that is provided via the two-wire line.
Der Energiespeicher kann vorteilhafterweise als Kondensator oder als Akkumulator ausgebildet sein. Auf diese Weise werden eine hohe Anzahl an Ladezyklen, eine hohe Verfügbarkeit sowie eine hohe Energiedichte des Energiespeichers erreicht.The energy store can advantageously be designed as a capacitor or as an accumulator. In this way, a high number of charging cycles, high availability and high energy density of the energy storage can be achieved.
In einer Weiterbildung kann der Impedanzsensor eine Energiemanagementeinrichtung aufweisen, die mit dem Energiezwischenspeicher und/oder einem Controller bspw. in einer Auswerte- und Steuereinheit und/oder einer Messelektronik verbunden ist. Auf diese Weise kann ein effizientes Energiemanagement erreicht werden, bspw. können der Controller und/oder die Messelektronik für die Dauer, in der Energie zwischengespeichert werden muss, deaktiviert oder in einen Energiesparmodus versetzt werden.In a further development, the impedance sensor can have an energy management device which is connected to the intermediate energy store and / or a controller, for example, in an evaluation and control unit and / or measuring electronics. In this way, an efficient energy management can be achieved, for example, the controller and / or the measuring electronics for the duration in which energy must be cached, disabled or put into a power saving mode.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Impedanzgrenzstandsensor gemäß der vorliegenden Anmeldung weist folgende Schritte auf:
- - Überprüfen einer momentan zur Verfügung stehenden Energiemenge,
- - wenn eine für eine erfolgreiche Messung notwendige Mindestenergiemenge zur Verfügung steht,
- i) Aktivieren eines Controllers sowie einer Messelektronik,
- ii) Durchführen einer Impedanzmessung,
- iii) Ausgeben eines Messwertes und nach Abschluss der Messung oder wenn die Mindestenergiemenge nicht erreicht ist
- iv) Puffern der mittels der Zweidrahtleitung übertragenen Energie.
- - Checking a currently available amount of energy,
- - if the minimum energy required for a successful measurement is available,
- i) activating a controller and a measuring electronics,
- ii) performing an impedance measurement,
- iii) Outputting a measurement and after completion of the measurement or when the minimum energy level is not reached
- iv) buffering the energy transmitted by the two-wire line.
Um schneller eine neue Messung durchführen zu können, kann ferner der Controller und/oder die Messelektronik deaktiviert oder in einen Energiesparmodus versetzt werden.In order to be able to carry out a new measurement more quickly, the controller and / or the measuring electronics can also be deactivated or put into an energy-saving mode.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
-
1 ein vereinfachtes Schnittbild eines Impedanzsensor gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt), -
2 das Impedanzverhalten des Impedanzsensors gemäß1 (schon behandelt), -
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Impedanzgrenzstandsensors gemäß der vorliegenden Anmeldung und -
4 einen Verfahrensablauf zum Betreiben des Sensors gemäß3 .
-
1 a simplified sectional view of an impedance sensor according to the prior art (already discussed), -
2 the impedance behavior of the impedance sensor according to1 (already treated), -
3 a simplified block diagram of an impedance threshold sensor according to the present application and -
4 a procedure for operating the sensor according to3 ,
Um den Impedanzsensor
Da sowohl eine Energieversorgung als auch eine Ausgabe des Schaltzustands über zwei Leitungen erfolgt, weist das Netzteil den Stromregler
Im einfachsten Fall ist ein solcher Stromregler
Über den zusätzlichen Spannungsregelung
Es kann dabei die Situation auftreten, dass eine Leistungsaufnahme der Sensorik
Diese Unterschiede in der Leistungsaufnahme werden durch ein Energiemanagement in geeigneter Weise kontrolliert und entsprechend organisiert.These differences in power consumption are appropriately controlled by an energy management and organized accordingly.
Ein möglicher Ablauf zum Betreiben der Anordnung gemäß
Vor Beginn einer Messung wird in Schritt
Wird in Schritt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 9090
- Prozessraum process space
- 100100
- Impedanzsensorimpedance sensor
- 101101
- Elektronikeinheitelectronics unit
- 102102
- Messsondeprobe
- 103103
- Frequenzgeneratorfrequency generator
- 104104
- Frequenzdetektorfrequency detector
- 105105
- Auswerte- und SteuereinheitEvaluation and control unit
- 106106
- Messelektrodemeasuring electrode
- 107107
- Isolierunginsulation
- 108108
- Bezugselektrode/GehäuseReference electrode / Housing
- 109109
- Induktivitätinductance
- 110110
- Messkapazität measuring capacitance
- 200200
- erste Kurvefirst turn
- 201201
- zweite Kurvesecond bend
- 202202
- dritte Kurve third turn
- 301301
- Stromreglercurrent regulator
- 302302
- Spannungsreglervoltage regulators
- 303303
- EnergiemanagementeinheitEnergy management unit
- 304304
- Energiezwischenspeicher Storage of energy
- 401-405401-405
- Verfahrensschritte steps
- II
- erster Bereichfirst area
- IIII
- zweiter Bereich second area
- Δf.delta.f
- Frequenzänderungfrequency change
- ΔzAz
- Amplitudenänderungamplitude change
- fresfres
- Resonanzfrequenzresonant frequency
Claims (6)
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