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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Vibrationssensoren werden häufig in der Füllstandmesstechnik als Grenzstandsensoren zur Überwachung von sog. Grenzständen, also einem Füllstand eines Füllguts in einem Behälter, dessen Über- oder Unterschreitung überwacht werden soll, eingesetzt. Solche Vibrationssensoren werden häufig auch als Grenzstandschalter oder Grenzstandmelder bezeichnet.
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Typischerweise weist der Vibrationssensor eine über eine Sende- und Empfangseinrichtung, bspw. einen Piezoantrieb oder einen elektromagnetischen Antrieb, zu einer Schwingung anregbare Membran auf, mittels der ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit dem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz, die von der Sende- und Empfangseinrichtung detektiert werden und in einer Signalverarbeitungseinheit in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
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Die Signalverarbeitung erfolgt dabei typischerweise in mehreren Stufen. Das von der Sende- und Empfangseinrichtung detektierte Signal wird einer analogen Filter/Verstärker-Stufe zugeführt. Typischerweise ist die Sende- und Empfangseinrichtung über einen sog. Flexleiter mit der Filter/Verstärker-Stufe verbunden. Die Filter/Verstärker-Stufe führt das Signal einem Mikrocontroller zu, der eine Auswertung der detektierten Frequenz vornimmt und abhängig von der Frequenz eine Schaltentscheidung, d.h. ein Signal mit der Information „bedeckt“ oder „unbedeckt“ an eine Ausgangsstufe weiterleitet.
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Die Sende- und Empfangseinrichtung, der Flexleiter, die Filter/Verstärker-Stufe und die Ausgansstufe stellen dabei analoge Komponenten ohne einen Controller oder Prozessor dar. Der Mikrocontroller zur Signalauswertung ist dementsprechend eine Komponente mit Controller oder Prozessor.
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Um mit einen Vibrationssensor oder allgemein einem Feldgerät bestimmte Risiken, sei es für einen überwachten Prozess oder das Bedienpersonal zu minimieren und eine dafür erforderliche sog. Sicherheitsanforderungsstufe (safety integrity level, SIL) zu erreichen, müssen sämtliche verwendeten Komponenten bestimmte Anforderungen erfüllen.
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Um diese Anforderungen nachvollziehbar zu erfüllen, müssen Risiken quantifizierbar und damit auch messbar sein.
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Zur Quantifizierung von Risiken hat sich die sog. Sicherheitsanforderungsstufe (safety integrity level, SIL) durchgesetzt. Die Sicherheitsanforderungsstufe stellt ein Maß für die Zuverlässigkeit eines Systems in Abhängigkeit von einer Gefährdung dar. Prozesse mit einer geringeren Gefährdung werden durch einen Sicherheitskreis mit geringerem SIL-Level aufgebaut als Prozesse mit höherer Gefährdung, bei denen z. B. Menschen getötet werden können. Gemäß SIL sind vier Stufen zur Spezifizierung der Anforderung für die Sicherheitsintegrität von Sicherheitsfunktionen definiert, wobei der Sicherheits-Integritätslevel 4 die höchste Stufe der Sicherheitsintegrität und der Sicherheits-Integritätslevel 1 die niedrigste Stufe darstellt.
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Typische Sicherheitsfunktionen sind Notausschaltungen, Abschalten überhitzter Geräte oder auch die Überwachung gefährlicher Bewegungen. Aus dem angestrebten SIL-Level ergeben sich die sicherheitsgerichteten Konstruktionsprinzipien, die eingehalten werden müssen, damit das Risiko einer Fehlfunktion minimiert werden kann.
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Diese Sicherheitsfunktionen werden durch einen Sicherheitskreis, der aus verschiedenen Betriebsmitteln wie z. B. Sensoren, Steuerungselementen und Aktoren bestehen kann, realisiert. Die Betreiber von Anlagen mit sicherheitsrelevanten Funktionen legen im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung den SIL-Level für die jeweilige Sicherheitsfunktion fest. Entsprechend dieser Festlegung werden die dafür geeigneten Geräte ausgewählt und zu einem System zusammengeführt.
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Für die Festlegung der Stufe der Sicherheitsintegrität eines Betriebsmittels, bspw. eines Feldgerätes oder Sensors, ist zum einen eine Betrachtung des Ausfallverhaltens der betrachteten Baugruppe notwendig, zum anderen wird in beurteilt, ob redundante Strukturen vorliegen, wie das Verhältnis zwischen sicheren Fehlern und unsicheren Fehlern ist und ob die Sicherheitsfunktion kontinuierlich oder auf Anforderung zu betrachten ist.
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In den Sicherheitsanforderungsstufen werden dann die potentiellen Risiken von Systemen zusammengefasst. Die Bestimmung der Sicherheitsanforderungsstufe ist von der Safe Failure Fraction (SFF) und der Hardware Fault Tolerance (HFT) abhängig.
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Nachfolgend ist die erreichbare SIL-Stufe für Geräte der Hardware Fault Tolerance von 0, also für Geräte, die keine Hardwarefehler oder -ausfälle tolerieren, in Abhängigkeit von der Safe Failure Fraction angegeben:
| Safe Failure Fraction | SIL for Hardware Fault Tolerance 0 |
| < 60% | SIL1 |
| <60% - <90% | SIL2 |
| 90% - <99% | SIL3 |
| >99% | SIL3 |
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Ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungseinheit eines aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensors ist in 3 gezeigt. Die typischerweise verwendeten Hardwarekomponenten weisen allesamt eine Safe Failure Fraction von größer 90 % auf. Für Komponenten des Typs A, d.h. Hardware ohne Controller, wäre damit ein SIL-Level der Stufe 3 möglich. Für Komponenten der Stufe B, d.h. Hardware mit einem Controller, gilt dies jedoch nicht, sodass für diese nur ein SIL-Level der Stufe 2 erreichbar ist.
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In 3 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungseinheit 20 eines bekannten Vibrationssensors 100 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Signalverarbeitungseinheit 20 weist einen Mikroprozessor 21 auf, der über einen Filter/Verstärker 26 und einen sogenannten Flexleiter 28 mit einer Sende- und Empfangseinrichtung 10 des Vibrationssensors 100 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der Mikroprozessor 21 mit einer Ausgangsstufe 30 verbunden, die beispielsweise eine Verbindung zu einer übergeordneten Einheit, beispielsweise eine Leitwarte herstellen kann.
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Wie bereits erwähnt weisen die Komponenten gemäß 3 allesamt eine Safe Failure Fraction SFF von größer 90 % auf. Um für den Vibrationssensor 100 damit insgesamt ein höheres SIL-Level erreichen zu können ist es notwendig, auch für die Komponenten mit Controller, d. h. vorliegend den Mikrocontroller 21 ein erhöhtes SIL-Level der Stufe 3 zu erreichen.
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Gemäß den üblichen Vorgehensweisen würde zur Erreichung eines erhöhten SIL-Levels für den Mikrocontroller ein entsprechender Mikrocontroller 121 mit erhöhtem SIL-Level, der zwei Prozessorkerne aufweist und damit SIL-Level Stufe 3 erreicht, eingesetzt oder eine Anordnung mit zwei parallel geschalteten Mikrocontrollern 21 gewählt. Diese beiden Varianten sind in den 4 und 5 dargestellt.
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Beide der vorgenannten Varianten weisen jedoch den Nachteil auf, dass ein Mikrocontroller mit erhöhtem SIL-Level aufgrund der zwei Prozessorkerne oder zwei parallel geschaltet Mikrocontroller einen deutlich erhöhten Strombedarf haben, der bei Feldgeräten mit Zweileiterversorgung in der Regel nicht zur Verfügung steht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vibrationssensor zur Verfügung zu stellen, der bei geringem Energiebedarf ein erhöhtes SIL-Level aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
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Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer Sende- und Empfangseinrichtung zur Anregung und Detektion einer Schwingung eines mechanischen Schwingers, einer Signalverarbeitungseinheit mit wenigstens einem Mikrocontroller und einer Ausgangsstufe zeichnet sich dadurch aus, dass die Signalverarbeitungseinheit einen ersten Mikrocontroller und einen mit dem ersten Mikrocontroller verbundenen zweiten Mikrocontroller aufweist, wobei beiden Mikrocontrollern ein Empfangssignal der Sende- und Empfangseinrichtung zur Frequenzermittlung zugeführt ist, eine von dem ersten Mikrocontroller ermittelte erste Frequenz dem zweiten Mikrocontroller zugeführt ist und ein von dem zweiten Mikrocontroller auf Basis eines Vergleichs der ersten Frequenz mit einer in dem zweiten Mikrocontroller ermittelten zweiten Frequenz generiertes Ausgabesignal der Ausgangsstufe zugeführt ist.
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Dadurch, dass die Signalverarbeitungseinheit einen ersten Mikrocontroller und einen mit dem ersten Mikrocontroller verbundenen zweiten Mikrocontroller aufweist wird eine Anordnung geschaffen, in der es möglich ist, dass der erste Mikrocontroller und der zweite Mikrocontroller miteinander kommunizieren, sodass damit in dem zweiten Mikrocontroller eine Diagnosefunktion implementiert werden kann. Der zweite Mikrocontroller muss damit nicht die volle Rechenleistung des ersten Mikrokontrollers aufweisen, da dieser keine volle Prozesssteuerung implementieren muss. In dem zweiten Mikrocontroller wird damit im Wesentlichen eine Überprüfung einer in dem ersten Mikrocontroller ermittelten Frequenz durchgeführt.
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Um eine Ausgabe von Fehlern, die beispielsweise dadurch entstehen können, dass aufgrund von Laufzeitunterschieden der erste Mikrocontroller und der zweite Mikrocontroller unterschiedliche Frequenzen ermitteln zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass der zweite Mikrocontroller die von dem ersten Mikrocontroller ermittelte erste Frequenz mit der von dem zweiten Mikrocontroller ermittelten zweiten Frequenz vergleicht und eine Positivmeldung ausgibt, wenn die erste Frequenz innerhalb eines Toleranzbereichs um die zweite Frequenz liegt.
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Auf dem zweiten Mikrocontroller muss damit insbesondere lediglich eine Diagnosesoftware laufen. Dies kann mit deutlich reduzierter Rechenleistung und damit deutlich reduzierter Stromaufnahme erfolgen.
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Das Empfangssignal kann der Signalverarbeitungseinheit über eine Filter- und/oder Verstärkerstufe zugeführt sein. Dadurch, dass das Empfangssignal zuvor gefiltert und/oder verstärkt wird kann eine bessere Signalqualität und damit eine erhöhte Erkennungsgenauigkeit erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, dass der erste Mikrocontroller und der zweite Mikrocontroller unterschiedlich ausgebildet sind. Das kann insbesondere bedeuten, dass der zweite Mikrocontroller einen geringeren Energieverbrauch als der erste Mikrocontroller aufweisen kann. Ein geringerer Energieverbrauch des zweiten Mikrokontrollers kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass dieser eine geringere Rechenleistung aufweist, als sie von dem ersten Mikrocontroller zur Verfügung gestellt wird.
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Sämtliche vorgenannten Eigenschaften basierend darauf, dass der zweite Mikrocontroller lediglich eine Überprüfungsfunktion wahrnimmt und damit nicht zur Steuerung eines Gesamtprozesses, insbesondere einer Steuerung der Sende- und Empfangseinrichtung, eine Energiesteuerung, einer Kommunikation des Vibrationssensors sowie die Steuerung der Schaltausgänge bzw. des Stromausgangs ausgelegt sein muss. Dadurch ist es aber möglich, dass der zweite Mikrocontroller deutlich energiesparender ausgelegt sein kann.
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Auf diese Weise wird es möglich, dass auch bei Feldgeräten mit Zweileiterversorgung ein Aufbau mit zwei Mikrocontrollern implementiert werden kann und so ein höheres SIL-Level erreicht werden kann, da eine Anordnung geschaffen wird, die gegenüber den Lösungen im Stand der Technik deutlich weniger Energie benötigt und damit auch über die Zweidrahtleitung mit ausreichend Energie versorgt werden kann. Das Feldgeräte ist daher vorzugsweise als Zweileiterfeldgeräte, insbesondere Zweileiter-Vibrationssensor, ausgebildet.
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Der erste Mikrocontroller muss insbesondere für die Steuerung der Sende- und Empfangseinrichtung eine hohe Taktrate aufweisen um die Schwingfrequenz auf min. 0,1 Hz genau auflösen zu können. Dies erfordert beispielsweise einen Mikrocontroller mit einem Prozessor vom Typ Cortex-M4. Da der zweite Mikrocontroller nicht für die Steuerung der Sende- und Empfangseinrichtung zuständig ist, ist eine deutlich geringere Taktrate von 15 MHz, bspw. die „kleinste“ Prozessorvariante vom Typ Cortex-M0 ausreichend.
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Eine Rechenleistung des ersten Mikrocontrollers ist bevorzugterweise derartig dimensioniert, dass diese geeignet ausgebildet ist einen Gesamtprozess zu steuern.
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Der Begriff Gesamtprozess soll in der vorliegenden Anmeldung insbesondere in Abgrenzung zu der Überprüfungs- bzw. Diagnoseaufgabe des zweiten Mikrocontrollers verstanden werden. Der Gesamtprozess umfasst weitere Prozessbestandteile, die über die Bestimmung einer Frequenz aus dem Empfangssignal, den Vergleich dieser Frequenz mit einer zugeführten Frequenz und die Ausgabe eines auf diesem Vergleich basierenden Schaltbefehls, hinausgehen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors mit einer Sende- und Empfangseinrichtung zur Anregung und Detektion einer Schwingung eines mechanischen Schwingers, einer Signalverarbeitungseinheit mit wenigstens einem Mikrocontroller und eine Ausgangsstufe zeichnet sich dadurch aus, dass ein Empfangssignal der Sende- und Empfangseinrichtung einem ersten Mikrocontroller und einem zweiten Mikrocontroller zugeführt wird, der erste Mikrocontroller und der zweite Mikrocontroller eine Frequenz des Empfangssignals unabhängig voneinander bestimmen, die von dem ersten Mikrocontroller bestimmte erste Frequenz dem zweiten Mikrocontroller zugeführt wird, der zweite Mikrocontroller die erste Frequenz mit einer im zweiten Mikrocontroller bestimmten zweiten Frequenz vergleicht und ein der ersten Frequenz entsprechendes Schaltsignal ausgibt, wenn diese innerhalb eines Toleranzbereiches um die zweite Frequenz liegt oder eine Fehlermeldung ausgibt, wenn die erste Frequenz außerhalb des Toleranzbereiches liegt.
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Durch das vorliegende Verfahren wird es damit ermöglicht, dass der zweite Mikrocontroller eine geringere Rechenleistung als der erste Mikrocontroller aufweisen kann und damit ein stromsparender Mikrocontroller zum Einsatz kommen kann. Dies liegt darin begründet, dass der zweite Mikrocontroller lediglich eine Frequenzbestimmung durchführen muss während der erste Mikrocontroller eine Steuerung des Gesamtprozesses, d. h. insbesondere eine Steuerung der Sende- und Empfangseinrichtung, eine Kommunikation mit einer übergeordneten Einheit sowie die Steuerung der Schaltausgänge bzw. des Stromausgangs durchführt.
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Das Empfangssignal kann den Mikrocontrollern insbesondere über eine Filter- und/oder Verstärker-Stufe zugeführt werden. Durch eine vorherige Filterung und/oder Verstärkung wird eine Signalqualität verbessert und damit eine verbesserte Frequenzermittlung ermöglicht.
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Der Toleranzbereich innerhalb dessen der zweite Mikrocontroller eine Positivmeldung ausgibt, d. h. innerhalb dessen der zweite Mikrocontroller ausgibt, dass die erste Frequenz und die zweite Frequenz übereinstimmen, kann beispielsweise +/-30 Hz, vorzugsweise +/-10 Hz.
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Durch einen Toleranzbereich in dieser Größenordnung wird sichergestellt, dass Fehldetektionen aufgrund von Messfehlern oder Laufzeitunterschieden weitestgehend ausgeschlossen werden.
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Bevorzugterweise steuert der erste Mikrocontroller die Sende- und Empfangseinrichtung. Ferner kann der erste Mikrocontroller die Schaltausgänge bzw. den Stromausgang steuern.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensor gemäß der vorliegenden Anmeldung,
- 2 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitungseinheit des Vibrationssensors aus 1,
- 3 ein Blockschaltbild eines Vibrationssensors gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt),
- 4 eine Weiterbildung des Blockschaltbilds gemäß 3 (schon behandelt) und
- 5 eine alternative Weiterbildung des Blockschaltbilds gemäß 3 (schon behandelt).
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 100 gemäß der vorliegenden Anmeldung in einer vereinfachten Darstellung.
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Der Vibrationssensor 100 ist in der in 1 gewählten Darstellung nur vereinfacht gezeigt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 ist an einer in Schwingung versetzbaren Membran 90 ein mechanischer Schwinger 91 angeordnet. Die Membran 90 ist über eine Sende- und Empfangseinrichtung 10 in Schwingung versetzbar. Schwingungen der Membran 90 sind von der Sende- und Empfangseinrichtung 10 detektierbar. Über einen sogenannten Flexleiter 28 werden Signale der Sende- und Empfangseinrichtung 10 mit einer Signalverarbeitungseinheit 20 ausgetauscht. Die Signalverarbeitungseinheit 20 steuert dabei einerseits die Sende- und Empfangseinrichtung 10 zur Anregung der Membran 90 und wertet andererseits die von der Sende- und Empfangseinrichtung 10 generierte Empfangssignale hinsichtlich einer Schwingungsfrequenz der Membran 90 bzw. des an der Membran befestigten mechanischen Schwingers 91 aus.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt kann aufgrund dieser Schwingungsfrequenz auf einen Bedeckungszustand des mechanischen Schwingers 91 geschlossen werden. Das Empfangssignal kann der Signalverarbeitungseinheit 20 auch über einen vorliegend nicht näher dargestellten Filter/Verstärker 26 zugeführt sein. Durch einen Filter und/oder Verstärker 26 kann eine Signalqualität des Empfangssignals weiter verbessert und damit eine nachgelagerte Analyse des Empfangssignals in der Signalverarbeitungseinheit 20 verbessert werden. Ausgangsseitig ist der Signalverarbeitungseinheit 20 eine Ausgangsstufe 30 nachgeschaltet, die ein Schaltsignal, das von der Signalverarbeitungseinheit 20 bereitgestellt wird an eine übergeordnete Einheit, beispielsweise eine Leitwarte weitergeben kann.
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Die Signalverarbeitungseinheit 20 gemäß der vorliegenden Anmeldung ist in 2 in einem Blockschaltbild in größerer Detaillierung dargestellt. Das Empfangssignal der Sende- und Empfangseinrichtung 10 ist der Signalverarbeitungseinheit 20 über einen sogenannten Flexleiter, d. h. eine flexibel ausgebildete Leiterplatte, auf der beispielsweise weitere Komponenten wie der zuvor angesprochene Filter und/oder Verstärker 26 angeordnet sein können, zugeführt. Das gebildete und/oder verstärkte Empfangssignal ist einem ersten Mikroprozessor 21 und einem zweiten Mikroprozessor 22 zugeführt.
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Sowohl der erste Mikrocontroller 21 als auch der zweite Mikrocontroller 22 Ermitteln aus dem Empfangssignal dessen Frequenz. Eine von dem ersten Mikrocontroller 21 ermittelte erste Frequenz f1 ist dem zweiten Mikrocontroller 22 zugeführt. In dem zweiten Mikrocontroller 22 wird die in dem ersten Mikrocontroller 21 ermittelte erste Frequenz f1 mit der in dem zweiten Mikrocontroller 22 ermittelten zweiten Frequenz f2 verglichen. Liegt die erste Frequenz f1 innerhalb eines Toleranzbereichs von +/- 10 Hz um die zweite Frequenz f2 , so gibt der zweite Mikrocontroller 22 ein der von dem ersten Mikrocontroller 21 ermittelten ersten Frequenz f1 entsprechendes Ausgabesignal an die Ausgangsstufe 30 aus, die dieses beispielsweise an eine übergeordnete Einheit weiter kommuniziert.
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Das Ausgangssignal signalisiert in diesem Fall, ob die ermittelte Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers 91 auf eine Bedeckung mit Füllgut hindeutet oder nicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sende- und Empfangseinrichtung
- 20
- Signalverarbeitungseinheit
- 21
- erster Mikrocontroller
- 22
- zweiter Mikrocontroller
- 26
- Filter- / Verstärkerstufe
- 28
- Flexleiter
- 30
- Ausgangsstufe
- 90
- Membran
- 91
- mechanischer Schwinger
- 100
- Vibrationssensor
- 121
- Mikrocontroller mit erhöhter Rechenleistung
- f1
- erste Frequenz
- f2
- zweite Frequenz
