DE102021116822A1

DE102021116822A1 - Messeinrichtung und Verfahren zur digitalen Übermittlung eines Messwertes

Info

Publication number: DE102021116822A1
Application number: DE102021116822.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Isenmann; Ralf Schätzle; Fabian Rank; Michael Schnaitter
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Verfahren zur digitalen Übermittlung eines Messwertes aus einem Messbereich. Die Messeinrichtung besitzt einen Zweileitersensor, der zur Registrierung des Messwertes und zur Übermittlung eines analogen Signals nach dem 4-20mA Standard ausgebildet ist, wonach der registrierte Messwert als Strom mit einer Stromstärke zwischen einer minimalen Stromstärke Iminund einer maximalen Stromstärke Imaxübertragen wird, wobei zwischen den Messwerten des Messbereiches und der Stromstärke eine eineindeutige Zuordnungsvorschrift gegeben ist. Ferner besitzt die Messeinrichtung eine Zweidrahtleitung, die zur Leitung von Strom und Kommunikationssignalen ausgebildet ist, und einen Analog-Digital-Wandler, der zur Wandlung des analogen Signals in ein digitales Signal ausgebildet ist. Um eine Messvorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, womit eine digitale Übermittlung von Messwerten aus einem Messbereich uneingeschränkt möglich ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zweileitersensor derart eingestellt ist, dass der Messbereich auf einen reduzierten Strombereich abgebildet ist, wonach die maximale Stromstärke Imaxauf einen Wert von weniger als 20mA begrenzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Verfahren zur digitalen Übermittlung eines Messwertes aus einem Messbereich. Die Messeinrichtung besitzt einen Zweileitersensor, der zur Registrierung des Messwertes und zur Übermittlung eines analogen Signals nach dem 4-20mA Standard ausgebildet ist, wonach der registrierte Messwert als Strom mit einer Stromstärke zwischen einer minimalen Stromstärke I_min und einer maximalen Stromstärke I_max übertragen wird, wobei zwischen den Messwerten des Messbereiches und der Stromstärke eine eineindeutige Zuordnungsvorschrift gegeben ist. Ferner besitzt die Messeinrichtung eine Zweidrahtleitung, die zur Leitung von Strom und Kommunikationssignalen ausgebildet ist, und einen Analog-Digital-Wandler, der zur Wandlung des analogen Signals in ein digitales Signal ausgebildet ist.
Derartige Messeinrichtungen mit einem Zweileitersensor, einer Zweidrahtleitung und einem Analog-Digital-Wandler sind nach dem Stand der Technik bekannt. Unter einem Zweileitersensor der vorliegend angesprochenen Art wird ein Sensor verstanden, der über zwei Leitungen mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei über diese beiden Leitungen sowohl die Energieversorgung als auch die Messwertübermittlung stattfindet. Die Energieversorgung und die Messwertübermittlung erfolgt nach dem bekannten 4-20mA Standard, bei dem eine Stromschleife mit einer Zweidrahtleitung zwischen dem Zweileitersensor und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. In der Stromschleife fließt ein Gleichstrom, der innerhalb des Zweileitersensors durch eine messwertabhängige Stromaufnahme entsprechend einer eineindeutigen Zuordnungsvorschrift zwischen den Messwerten des vollständigen Messbereichs und der Stromstärke eingestellt wird. In der Regel steht hierzu ein Strombereich von I_min ≈ 4mA bis I_max ≈ 20mA zur Verfügung. Innerhalb der übergeordneten Einheit kann der dort empfangene Strom entsprechend der eineindeutigen Zuordnungsvorschrift einem eindeutigen Messwert zugeordnet werden.
Für unterschiedliche Anwendungszwecke ist anstelle der zuvor beschriebenen analogen Datenübermittlung eine digitale Übermittlung eines Messwertes wünschenswert. Hierzu besitzt die Messeinrichtung einen Analog-Digital-Wandler, der zur Wandlung des analogen Signals in ein digitales Signal und dessen Weiterleitung an die übergeordnete Einheit ausgebildet ist.
Die Energieversorgung sowohl des Zweileitersensors als auch des Analog-Digital-Wandlers erfolgt über die Zweidrahtleitung. Mit bekannten Zweidrahtleitungen, die zur Leitung von Strom und Kommunikationssignalen, insbesondere Zweidraht-Ethernet-Leitungen, bspw. Ethernet APL, für die gattungsgemäßen Messeinrichtungen ausgebildet sind, lassen sich jedoch nur Ströme mit einer eingeschränkten Stromstärke leiten, womit nicht zeitgleich der Analog-Digital-Wandler und der Zweileitersensor über den gesamten Strombereich versorgt werden können. Die Messperformance, d.h. der Bereich, in dem Messwerte zuverlässig und fehlerfrei digital übermittelt werden können, ist daher bei bekannten gattungsgemäßen Messeinrichtungen eingeschränkt.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, womit eine digitale Übermittlung von Messwerten aus einem Messbereich uneingeschränkt möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Messeinrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zweileitersensor derart eingestellt ist, dass der Messbereich auf einen reduzierten Strombereich abgebildet ist, wonach die maximale Stromstärke I_max auf einen Wert von weniger als 20mA begrenzt ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Zweileitersensor derart eingestellt ist, dass der Messbereich auf einen reduzierten Strombereich abgebildet ist, so dass der registrierte Messwert als Strom mit einer Stromstärke zwischen 4mA und 15mA, vorzugsweise zwischen 4mA und 10mA übertragen wird. Durch die Reduktion der maximalen Stromstärke und die Abbildung des gesamten (uneingeschränkten) Messbereichs auf den reduzierten Strombereich wird der Stromverbrauch des Sensors erheblich reduziert, so dass der Analog-Digital-Wandler unabhängig vom registrierten Messwert mit einer hinreichenden elektrischen Energie versorgt werden kann, so dass eine digitale Messwertübermittlung aller Messwerte des Messbereichs uneingeschränkt möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen angegeben.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zweileitersensor als SIL-Sensor (Safety Integrity Level) ausgebildet ist. Das erlaubt die Verwendung der Messeinrichtung innerhalb einer sicherheitskritischen Umgebung. Mit anderen Worten, es wird ermöglicht, dass auch Zweileitersensoren, die keine SIL-konforme Digitalschnittstelle aufweisen, sondern sichere Messwerte ausschließlich über Analogschnittstellen zur Verfügung stellen, nachgerüstet und für eine SIL-konforme, digitale Kommunikation hergerichtet werden. Es ist dafür nicht erforderlich, den Zweileitersensor oder dessen Schnittstelle insgesamt auszutauschen, sondern es ist lediglich erforderlich, den Zweileitersensor mit dem als Zusatzelektronik ausgebildeten Analog-Digital-Wandler zu versehen, was bei einer entsprechenden Umrüstung zu einer erheblichen Kosteneinsparung führt.
Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Zweileitersensor zur Verwendung außerhalb einer sicherheitskritischen Umgebung wahlweise ausgebildet ist, um registrierte Messwerte digital zu übertragen. Hierdurch erweitert sich das Anwendungsspektrum einer anspruchsgemäßen Messeinrichtung - zumindest außerhalb eines sicherheitskritischen Bereiches.
Die übergeordnete Einheit umfasst neben einer optionalen Stromversorgung auch eine Steuereinheit und es ist im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Analog-Digital-Wandler eine erste Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Zweileitersensor und eine zweite Schnittstelle zur Kommunikation mit der Steuereinheit der übergeordneten Einheit aufweist. Zur Kommunikation mit der Steuereinheit ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Analog-Digital-Wandler über eine Zweidraht-Ethernet-Leitung, vorzugsweise ein Ethernet APL, mit der Steuereinheit verbindbar ist und eingerichtet ist, um einen Messwert in einem SIL-konformen Kommunikationsprotokoll, insbesondere Profisafe, zu übertragen. Auch dieses Kommunikationsprotokoll ist insbesondere für Anwendungen in einer sicherheitskritischen Umgebung ausgebildet und eingerichtet.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Analog-Digital-Wandler und der Zweileitersensor zwei voneinander getrennte Module der Messeinrichtung bilden. Dabei können der Analog-Digital-Wandler und der Zweileitersensor innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sein, wobei das Gehäuse vorzugsweise unterschiedliche Kammern zur Aufnahme des Analog-Digital-Wandlers und des Zweileitersensors besitzen. Ein derartiges Gehäuse lässt sich insbesondere in sicherheitskritischer Umgebung einfach montieren, weshalb sich der Montageaufwand durch die Integration beider Bauteile in ein gemeinsames Gehäuse erheblich reduziert. Auch die Verkabelung mit einer übergeordneten Einheit, insbesondere mit der Steuereinheit, wird hierdurch erleichtert.
Die beschriebene Messeinrichtung wird vorteilhafterweise zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele für derartige Messeinrichtungen sind Füllstandsmessgeräte, Grenzstandsmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. Häufig sind solche Messeinrichtungen mit Leitsystemen oder Steuereinheiten als übergeordnete Einheit verbunden, die zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung ausgebildet sind.
Eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine Messeinrichtung 10 mit einem Zweileitersensor 11, einer ersten Zweidrahtleitung 12 und einem Analog-Digital-Wandler 13. Der Zweileitersensor 11 ist mittels eines Umformers 14 ausgebildet, um einen Messwert M zu registrieren, wie beispielsweise einen Druck p, und einen durch den Zweileitersensor 11 fließenden Gleichstrom messwertabhängig und unter Berücksichtigung einer eineindeutigen Zuordnungsvorschrift auf eine Stromstärke I(M) abzubilden. Der vollständige Messbereich wird hierbei auf einem Strombereich zwischen I_min = 4mA und I_max = 15mA oder vorzugsweise zwischen I_min = 4mA und I_max = 10mA abgebildet. Der Zweileitersensor 11 ist über die erste Zweidrahtleitung 12 mit dem Analog-Digital-Wandler 13 verbunden. Der Analog-Digital-Wandler 13 ist ein Bestandteil einer Zusatzelektronik und besitzt eine erste Schnittstelle 16 zur Kommunikation mit dem Zweileitersensor 11. Die analogen Daten werden mittels des Analog-Digital-Wandlers 13 in digitale Daten nach dem SIL-konformen Kommunikationsprotokoll Profisafe umgewandelt und über eine zweite Schnittstelle 17 sowie eine zweite und als Ethernet APL ausgebildete Zweidrahtleitung 15 an eine übergeordnete Einheit 18 mit einer Steuereinheit 19 gesendet, wobei in der übergeordneten Einheit auch eine (nicht gezeigte) Stromquelle zur Energieversorgung der Messeinrichtung 10 angeordnet ist.
Durch die Reduktion des Strombereiches, auf den der vollständige Messbereich abgebildet wird, verringert sich der Energiebedarf des Zweileitersensors erheblich, so dass insgesamt genügend elektrische Energie vorhanden ist, um auch den Analog-Digital-Wandler zu versorgen, so dass eine SIL-konforme Übermittlung digitaler Daten mittels eines analogen SIL-Sensors möglich ist.
Bezugszeichenliste

10: Messeinrichtung
11: Zweileitersensor
12: erste Zweidrahtleitung
13: Analog-Digital-Wandler
14: Umformer
15: zweite Zweidrahtleitung
16: erste Schnittstelle
17: zweite Schnittstelle
18: übergeordnete Einheit
19: Steuereinheit

Claims

Messeinrichtung zur digitalen Übermittlung eines Messwertes aus einem Messbereich mit a) einem Zweileitersensor (11), der zur Registrierung des Messwertes und zur Übermittlung eines analogen Signals nach dem 4-20mA Standard ausgebildet ist, wonach der registrierte Messwert als Strom mit einer Stromstärke zwischen einer minimalen Stromstärke I_min und einer maximalen Stromstärke I_max übertragen wird, wobei zwischen den Messwerten des Messbereichs und der Stromstärke eine eineindeutige Zuordnungsvorschrift gegeben ist, b) einer Zweidrahtleitung (12), die zur Leitung von Strom und Kommunikationssignalen ausgebildet ist, und c) einem Analog-Digital-Wandler (13), der zur Wandlung des analogen Signals in ein digitales Signal ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweileitersensor (11) derart eingestellt ist, dass der Messbereich auf einen reduzierten Strombereich abgebildet ist, wonach die maximale Stromstärke I_max auf einen Wert von weniger als 20mA begrenzt ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweileitersensor (11) derart eingestellt ist, dass der Messbereich auf einen reduzierten Strombereich abgebildet ist, so dass der registrierte Messwert als Strom mit einer Stromstärke zwischen 4 und 15mA, vorzugsweise zwischen 4 und 10mA übertragen wird.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweileitersensor (11) als SIL-Sensor ausgebildet ist und mithin die Verwendung der Messeinrichtung (10) in einer sicherheitskritischen Umgebung erlaubt.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweileitersensor (11) zur Verwendung außerhalb einer sicherheitskritischen Umgebung ausgebildet ist, um registrierte Messwerte digital zu übertragen.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (13) eine erste Schnittstelle (16) zur Kommunikation mit dem Zweileitersensor (11) und eine zweite Schnittstelle (17) zur Kommunikation mit einer Steuereinheit (19) aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (13) über eine Zweidraht-Ethernet-Leitung, vorzugsweise ein Ethernet APL, mit der Steuereinheit (19) verbindbar ist und eingerichtet ist, um einen Messwert in einem SIL-konformen Kommunikationsprotokoll, vorzugsweise Profisafe, zu übertragen.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (13) und der Zweileitersensor (11) zwei voneinander getrennte Module der Messeinrichtung (10) bilden.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (13) und der Zweileitersensor (11) innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind, wobei das Gehäuse vorzugsweise unterschiedliche Kammern zur Aufnahme des Analog-Digital-Wandlers (13) und des Zweileitersensors (11) besitzt.
Verfahren zur digitalen Übermittlung eines Messwertes aus einem Messbereich mit einer Messeinrichtung (10), wobei die Messeinrichtung (10) aufweist: a) einen Zweileitersensor (11), der einen Messwert registriert und ein analoges Signal nach dem 4-20mA Standard übermittelt, wonach der registrierte Messwert als Strom mit einer Stromstärke zwischen einer minimalen Stromstärke I_min und einer maximalen Stromstärke I_max übertragen wird, wobei zwischen den Messwerten des Messbereichs und der Stromstärke eine eineindeutige Zuordnungsvorschrift gegeben ist, b) eine Zweidrahtleitung (12), die Strom und Kommunikationssignale leitet, und c) einen Analog-Digital-Wandler (13), der das analoge Signal des Zweileitersensors (11) in ein digitales Signal wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweileitersensor (11) den Messbereich auf einen reduzierten Strombereich abbildet, wonach die maximale Stromstärke I_max auf einen Wert von weniger als 20mA begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweileitersensor (11) den Messbereich auf einen reduzierten Strombereich abbildet, wonach der registriere Messwert als Strom mit einer Stromstärke zwischen 4 und 15mA, vorzugsweise zwischen 4 und 10 mA übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (13) über eine erste Schnittstelle (16) mit dem Zweileitersensor (11) und über eine zweite Schnittstelle (17) mit einer Steuereinheit (19) kommuniziert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (13) über eine Zweidraht-Ethernet-Leitung, vorzugsweise ein Ethernet APL, mit der Steuereinheit (19) verbunden ist und einen Messwert in einem SIL-konformen Kommunikationsprotokoll, vorzugsweise Profisafe, überträgt.