DE10392554T5

DE10392554T5 - Prozeßgeber mit drahtloser Kommunikationsverbindung

Info

Publication number: DE10392554T5
Application number: DE10392554T
Authority: DE
Inventors: Robert C. Young America Hedtke
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-04-05
Also published as: DE10392554B4; JP2005523503A; JP5039269B2; WO2003089881A1; US6839546B2; RU2293951C2; CN1310014C; US20040203421A1; CN1646881A; AU2003223460A1; RU2004133897A

Abstract

Prozeßgeber, der so konfiguriert ist, daß er eine Prozeßgröße eines industriellen Prozesses mißt, mit:
einem Prozeßgrößensensor, der so konfiguriert ist, daß er die Prozeßgröße erfaßt und als Reaktion darauf eine Prozeßgrößensensorausgabe liefert;
einem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau, der mit dem Prozeßgrößensensor gekoppelt ist;
einem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau, der so konfiguriert ist, daß er mit dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau zusammenwirkt;
einer Zweidraht-Prozeßsteuerschleifenkopplung, die so konfiguriert ist, daß sie Strom zum Schaltungsaufbau von einer Zweidraht-Prozeßsteuerschleife führt;
einem Gehäuse mit einem ersten Hohlraum, in dem der erste elektronische Geberschaltungsaufbau untergebracht ist, wobei das Gehäuse eine Sperre zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau aufweist; und
einer körperlosen elektromagnetischen Verbindung zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau, die so konfiguriert ist, daß sie Daten zwischen ihnen überträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Geber der Art, die zum Messen von Prozeßgrößen industrieller Prozesse verwendet werden.
Prozeßsteuerschleifen werden in verschiedenen Industriezweigen verwendet, um den Betrieb industrieller Prozesse zu steuern oder zu überwachen. Ein Prozeßgeber ist normalerweise Teil der Prozeßsteuerschleife und ist vor Ort angeordnet, um eine solche Prozeßgröße wie Druck, Durchfluß oder Temperatur zu messen und zu Leitwartentechnik zu senden. Einige Prozeßsteuerschleifen weisen eine Steuerung auf, z. B. eine Ventilsteuerung, die als Reaktion auf die vom Geber erfaßte Prozeßgröße gesteuert wird.
Häufig kommen Prozeßgeber in rauhen, ätzenden Umgebungen oder in Umgebungen zum Einsatz, die potentiell explosive Gase oder Mischungen enthalten. Um daher die Möglichkeit von Schäden an Innenkomponenten des Gebers aus der ätzenden Umgebung zu reduzieren und um die Möglichkeit zu senken, daß ein interner Schaltungsaufbau eine Entzündung explosiver Gase verursacht, weist der Geber normalerweise ein Gebergehäuse auf, das die Innenkomponenten sicher abdichtet. Allerdings müssen Öffnungen im Gehäuse so vorgesehen sein, daß der Geberschaltungsaufbau mit einem externen Schaltungsaufbau gekoppelt sein kann. Zur Aufrechterhaltung einer Abdichtung über diese Öffnungen muß jede Öffnung im Gehäuse mit Hilfe spezieller Isolier- und Blockiertechniken abgedichtet sein. Jede Öffnung durch das Gebergehäuse erfordert zusätzliche Herstellungsschritte und macht den Geber teurer.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Prozeßgeber ist so konfiguriert, daß er eine Prozeßgröße eines industriellen Prozesses mißt, und weist einen Prozeßgrößensensor auf, der die Prozeßgröße erfaßt. Ein erster elektronischer Geberschaltungsaufbau ist mit dem Prozeßgrößensensor gekoppelt, und ein zweiter elektronischer Geberschaltungsaufbau ist mit dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau gekoppelt. Ein Gebergehäuse hat einen ersten Hohlraum, in dem der erste elektronische Geberschaltungsaufbau untergebracht ist. Eine Sperre im Gehäuse erstreckt sich zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau. Eine körperlose elektromagnetische Verbindung koppelt den ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau mit dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau und überträgt Daten zwischen ihnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Prozeßsystems mit einem erfindungsgemäßen Prozeßgeber.
2 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform des Prozeßgebers von 1.
3 ist ein Blockschaltbild eines Prozeßsystems gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Technik bereit, um die Anzahl von Öffnungen oder Durchführungen zu reduzieren, die durch das Gehäuse eines industriellen Prozeßgebers vorgesehen sein müssen.
1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Prozeßüberwachungssystems 10, das so konfiguriert ist, daß es einen industriellen Prozeß überwacht. Das System 10 weist einen Geber 12 auf, der mit einer Leitwarte 14 über eine Prozeßsteuerschleife 16 gekoppelt ist. Die Prozeßsteuerschleife 16 ist als Zweidraht-Prozeßsteuerschleife dargestellt, kann aber jedem Format entsprechen und wird normalerweise verwendet, Daten zu übertragen sowie Strom dem Geber 12 zuzuführen. Ein Schaltungsaufbau in der Leitwarte 14 ist als Spannungsquelle 18 und Widerstand 20 modelliert. Zu exemplarischen Prozeßsteuerschleifen gehören 4-20-mA-Schleifen, Schleifen in Übereinstimmung mit dem HART^®-Standard und Fieldbus-Standard.
Der Geber 12 weist ein Gebergehäuse 38 auf, das einen ersten Hohlraum 40 und einen zweiten Hohlraum 42 hat, die darin gebildet sind. Eine Sperre 44 trennt die Hohlräume 40 und 42. Der Hohlraum 42 ist hermetisch abgedichtet, um ätzende Prozeßfluide am Eintritt in den Hohlraum 42 zu hindern und um ferner Entzündung brennbarer Prozeßfluide infolge einer Energieentladung vom Schaltungsaufbau im Hohlraum 42 zu verhindern. Ein elektronischer Geberschaltungsaufbau 50 ist im Hohlraum 42 angeordnet und mit der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife 16 über Durchführungen 52 gekoppelt. Die Durchführungen 52 können eine oder mehrere Öffnungen durch die Sperre 44 aufweisen und können über elektrische Komponenten verfügen, z. B. Komponenten zur Reduzierung von Energieentladung, Filter usw. Der elektronische Geberschaltungsaufbau 50 ist mit einem Prozeßgrößensensor 54 gekoppelt, der so konfiguriert ist, daß er eine Größe des Prozesses erfaßt. Zu exemplarischen Sensoren gehören Temperatur-, Druck- und Durchflußsensoren. Der Sensor 54 kann im Hohlraum 42 angeordnet oder kann außerhalb des Hohlraums 42 angeordnet sein.
Der Hohlraum 40 weist einen elektronischen Geberschaltungsaufbau 60 auf, der auch mit der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife 16 gekoppelt ist. Der Geber 12 ist mit der Schleife 16 über Schleifenverbindungen 90 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann die Schleife 16 den gesamten Strom zuführen, der vom Schaltungsaufbau 50 und Schaltungsaufbau 60 verbraucht wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung erstreckt sich eine körperlose elektromagnetische Verbindung 70 über die Sperre 44 und sorgt für eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Schaltungsaufbau 50 und Schaltungsaufbau 60. Die Verbindung 70 kann unidirektional oder bidirektional sein. Die Kommunikationsverbindung 70 ist zwischen einem Wandler 64, der mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau 50 gekoppelt ist, und einem Wandler 62 gebildet, der mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau 60 gekoppelt ist. Die Wandler 62 und 64 können z. B. Antennen, Kondensatorplatten oder Induktorelemente aufweisen.
Die körperlose elektromagnetische Verbindung 70 kann jede Art von elektromagnetischer Verbindung sein, die keine körperliche Kopplung erfordert. Zu Beispielen zählen eine HF-(Hochfrequenz-) Verbindung, eine induktive Verbindung oder eine kapazitive Verbindung. Ist die Verbindung 70 eine HF-Verbindung, können die Wandler 62 und 64 Antennen aufweisen, die so konfiguriert sind, daß sie Hochfrequenzsignale senden und/oder empfangen. Die Frequenz der HF-Signale kann nach Bedarf ausgewählt sein, was auch für die Form und Konfiguration der Antennen gilt, die die Wandler 62 und 64 bilden. Ist die Verbindung 70 eine induktive Verbindung, können die Wandler 62 und 64 Induktoren aufweisen, die ausreichend eng plaziert sind, um Signalübertragung dazwischen zu ermöglichen. Ist die Verbindung 70 eine kapazitive Verbindung, können die Wandler 62 und 64 ähnlich kapazitive Platten aufweisen.
Die Verbindung 70 kann Daten mit jeder gewünschten Datenrate übertragen. Schnellere Datenübertragungsraten tendieren dazu, einen größeren Strombedarf zu haben. Das spezielle Format der Daten und Protokolle, die auf den Verbindungen 70 zum Einsatz kommen, kann standardisierten oder anwendereigenen Formaten entsprechen. Die Datenverbindung 70 kann unidirektional sein, wobei sie Daten in eine der beiden Richtungen zwischen dem Schaltungsaufbau 50 und 60 überträgt, oder kann eine bidirektionale Verbindung sein. In Ausführungsformen, in denen der Schaltungsaufbau 50 oder 60 einen ausreichend geringen Strombedarf hat, kann die Verbindung 70 auch Strom zum Schaltungsaufbau 50 oder 60 führen, so daß dieser Schaltungsaufbau keine separate Verbindung mit der Schleife 16 erfordert.
Im Betrieb ist der elektronische Geberschaltungsaufbau 50 mit dem Sensor 54 gekoppelt und wird verwendet, eine Prozeßgröße zu erfassen und zu messen, z. B. Druck, Temperatur, Durchfluß, Pegel usw. In einer Ausführungsform wird der Geber 12 vollständig mit Strom gespeist, der über die Prozeßsteuerschleife 16 empfangen wird. Daten, die sich auf die erfaßte Prozeßgröße beziehen, werden über die Schleife 16 in einem digitalen oder analogen Format zur Leitwarte 14 oder zu anderer Technik an der Schleife 16 übertragen.
Die Verbindung 70 bildet eine sichere Kommunikationsverbindung zum elektronischen Schaltungsaufbau 60, ohne zusätzliche Durchführungen durch die Sperre 44 zu erfordern. Ferner erfordert die Verbindung 70 keine zusätzliche Stromquelle zum Betrieb. Durch Reduzieren der Anzahl von Durchführungen und Senken des Bedarfs an zusätzlichen Stromquellen werden auch die Herstellungskosten gesenkt. Ferner sorgt diese Konfiguration für Flexibilität beim Kapseln.
Der elektronische Geberschaltungsaufbau 60 kann jede Art von Schaltungsaufbau aufweisen, bei dem erwünscht ist, den Schaltungsaufbau vom Schaltungsaufbau 50 trennen zu lassen. Zu spezifischen Beispielen gehören ein Meßgerät oder eine Anzeige, so daß Informationen am Geber 12 lokal angezeigt werden können. Angezeigt werden können z. B. Meßwerte vom Sensor 54 oder Einstell- oder Konfigurationsinformationen im Zusammenhang mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau 50. Ein weiteres Beispiel für den Schaltungsaufbau 60 weist Schalter zum lokalen Steuern von Prozeßsteuerelementen auf, z. B. Ventilen oder anderen Komponenten. In einem weiteren Beispiel kann der Schaltungsaufbau 60 einen Eingangsschaltungsaufbau, z. B. Drucktasten zum Empfangen einer manuellen Eingabe, oder eine elektronische Kopplung aufweisen, die so konfiguriert ist, daß sie mit einem Konfigurations- und Überwachungsschaltungsaufbau gekoppelt ist. In solchen Ausführungsformen werden Eingaben über den Schaltungsaufbau 60 verwendet, den elektronischen Geberschaltungsaufbau 50 zu programmieren, kalibrieren und/oder abzufragen.
2 ist eine Perspektivansicht des Gebers 12. In 2 ist der elektronische Geberschaltungsaufbau 60 als Anzeige dargestellt. Die Anzeige kann Sensorwerte, Kalibrierinformationen, Diagnoseinformationen usw. anzeigen. In 2 sind in Durchsicht auch die Positionen des Sensors 54, des Schaltungsaufbaus 50 und der Sperre 44, der Wandler 64 und 62 gezeigt.
3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Steuersystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Darstellungsgemäß weist das Steuersystem 100 mehrere Geber, Geber 12A, 12B und 12C, auf, die mit der Prozeßsteuer schleife 16 gekoppelt sind. Obwohl 3 eine einzelne Prozeßsteuerschleife 16 zeigt, können bei Bedarf mehrere Prozeßsteuerschleifen 16 zum Einsatz kommen. Ein Vorortmeßgerät 102 ist mit der Prozeßsteuerschleife gekoppelt. Das Meßgerät 102 kann mit derselben Schleife 16 wie die Geber 12 oder mit einer unterschiedlichen Steuerschleife 16 gekoppelt sein. Körperlose elektromagnetische Verbindungen 106 sorgen für eine Kommunikationsverbindung zwischen den Gebern 12A, 128 und 12C und dem Meßgerät 102. Die Verbindung kann unidirektional gemäß 3 oder bidirektional sein. Die Verbindungen können unterschiedliche Frequenzen haben, zu verschiedenen Zeiten auftreten oder Codiertechniken verwenden, so daß Daten zu oder von den unterschiedlichen Gebern differenziert werden können.
In der Ausführungsform von 3 wird ein einzelnes Meßgerät 102 verwendet, um mehrere Geber 12A, 12B und 12C zu überwachen. Ferner ist in einigen Fällen ein Geber 12 so positioniert, daß er schwer zu sehen ist. In einer solchen Ausführungsform kann das Meßgerät 102 an einer leichter sichtbaren Stelle plaziert sein, so daß eine Ausgabe vom Geber 12 in Augenschein genommen werden kann.
Das Meßgerät 102 zusammen mit den Gebern 12A, 12B und 12C kann vollständig mit Strom gespeist sein, der über die Prozeßsteuerschleife 16 empfangen wird. In einer Ausführungsform weist das Element 102 gemäß 3 einen Schalter oder, eine andere Vorrichtung zum Steuern des Prozesses oder einen Eingang zum Bereitstellen von Eingaben für die Geber 12A, 12B und 12C auf. Außerdem können die Geber 12A, 12B und 12C eine interne körperlose Kommunikationsverbindung 70, z. B. die gemäß 1, aufweisen, um mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau 60 zu kommunizieren, der im speziellen Geber 12A, 12B und 12C angeordnet ist.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. In verschiedenen Aspekten der Erfindung wird eine Verringerung der Anzahl von Durchführungen im Gehäuse eines Gebers er reicht. Die Erfindung erfordert keine zusätzlichen Batterien oder Stromversorgungen und reduziert Kosten, die mit mehreren Durchführungen zusammenhängen. Ferner sorgt die Erfindung für größere Flexibilität beim Verkapseln und bei der Konfiguration von Prozeßgebern. Die Erfindung kann mit anderen Arten von Geberkonfigurationen, Prozeßgrößensensoren oder Prozeßsteuerschleifen verwendet werden. Daten auf der Kommunikationsverbindung können jedem gewünschten Format entsprechen. Die auf der Verbindung übertragenen Daten können jede Art von Daten sein, u. a. Prozeßgrößen-, Programmier-, Kalibrier- und Konfigurationsdaten.
Zusammenfassung Prozeßgeber mit drahtloser Kommunikationsverbindung
Ein Prozeßgeber (10) ist so konfiguriert, daß er eine Prozeßgröße eines industriellen Prozesses mißt. Ein Gehäuse (12) hat einen ersten Hohlraum (42), in dem ein erster elektronischer Geberschaltungsaufbau (50) untergebracht ist, und stellt eine Sperre (44) zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50) und einem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau (60) bereit. Eine körperlose elektromagnetische Verbindung zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50) und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau (60) ist so konfiguriert, daß sie Daten zwischen ihnen überträgt.
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Claims

Prozeßgeber, der so konfiguriert ist, daß er eine Prozeßgröße eines industriellen Prozesses mißt, mit: einem Prozeßgrößensensor, der so konfiguriert ist, daß er die Prozeßgröße erfaßt und als Reaktion darauf eine Prozeßgrößensensorausgabe liefert; einem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau, der mit dem Prozeßgrößensensor gekoppelt ist; einem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau, der so konfiguriert ist, daß er mit dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau zusammenwirkt; einer Zweidraht-Prozeßsteuerschleifenkopplung, die so konfiguriert ist, daß sie Strom zum Schaltungsaufbau von einer Zweidraht-Prozeßsteuerschleife führt; einem Gehäuse mit einem ersten Hohlraum, in dem der erste elektronische Geberschaltungsaufbau untergebracht ist, wobei das Gehäuse eine Sperre zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau aufweist; und einer körperlosen elektromagnetischen Verbindung zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau, die so konfiguriert ist, daß sie Daten zwischen ihnen überträgt.
Verfahren zum Bereitstellen einer Ausgabe von einem Geber mit den folgenden Schritten: Koppeln eines ersten elektronischen Geberschaltungsaufbaus mit einem Prozeßgrößensensor, der so konfiguriert ist, daß er eine Prozeßgröße erfaßt; Einschließen des ersten elektronischen Geberschaltungsaufbaus in einem hermetisch abgedichteten Hohlraum; Plazieren eines zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbaus außerhalb des Hohlraums, wobei der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau vom ersten elektronischen Schaltungsaufbau durch eine Sperre getrennt ist; Bereitstellen von Schleifenverbindungen, um den Geber mit einer Zweidraht-Prozeßsteuerschleife zu koppeln, wobei der Geber so konfiguriert ist, daß er von der Prozeßsteuerschleife vollständig gespeist wird; und Koppeln des ersten elektronischen Geberschaltungsaufbaus mit dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau durch eine körperlose elektromagnetische Verbindung.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die körperlose elektromagnetische Verbindung eine Hochfrequenz- (HF-) Verbindung aufweist.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die körperlose elektromagnetische Verbindung eine kapazitive Kopplung aufweist.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die körperlose elektromagnetische Verbindung eine induktive Kopplung aufweist.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau innerhalb des Gehäuses positioniert ist.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau vom Gehäuse beabstandet ist.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Daten eine Prozeßgröße, Kalibrierdaten, Programmierdaten und/oder Konfigurationsdaten aufweisen.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau vollständig durch den ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau über die körperlose elektromagnetische Verbindung gespeist wird.
Prozeßüberwachungssystem mit: einem Prozeßgeber, der so konfiguriert ist, daß er eine Prozeßgröße eines industriellen Prozesses mißt, mit: einem Prozeßgrößensensor, der so konfiguriert ist, daß er die Prozeßgröße erfaßt und als Reaktion darauf eine Prozeßgrößensensorausgabe liefert; einem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau, der mit dem Prozeßgrößensensor gekoppelt ist; einer Zweidraht-Prozeßsteuerschleifenkopplung, die so konfiguriert ist, daß sie Strom zum Schaltungsaufbau von einer Zweidraht-Prozeßsteuerschleife führt; einem Gehäuse mit einem ersten Hohlraum, in dem der erste elektronische Geberschaltungsaufbau untergebracht ist, wobei das Gehäuse eine Sperre zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau aufweist; einem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau, der vom Prozeßgeber beabstandet und so konfiguriert ist, daß er mit dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau zusammenwirkt; und einer körperlosen elektromagnetischen Verbindung zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau, die so konfiguriert ist, daß sie Daten zwischen ihnen überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau so konfiguriert ist, daß er mit mehreren ersten elektronischen Geberschaltungsaufbauten in mehreren Gebern über mehrere körperlose elektromagnetische Verbindungen kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau eine Anzeige aufweist, um Daten von den mehreren Gebern anzuzeigen.