EP1228494A1 - Vorrichtung und verfahren zum übermitteln von daten zwischen einem sensor und einer auswerteeinheit - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum übermitteln von daten zwischen einem sensor und einer auswerteeinheit

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Publication number
EP1228494A1
EP1228494A1 EP00974491A EP00974491A EP1228494A1 EP 1228494 A1 EP1228494 A1 EP 1228494A1 EP 00974491 A EP00974491 A EP 00974491A EP 00974491 A EP00974491 A EP 00974491A EP 1228494 A1 EP1228494 A1 EP 1228494A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
processor
data
value
unit
Prior art date
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Granted
Application number
EP00974491A
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English (en)
French (fr)
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EP1228494B1 (de
Inventor
Hans-Jörg Florenz
Armin Wernet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP1228494A1 publication Critical patent/EP1228494A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1228494B1 publication Critical patent/EP1228494B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting data between a sensor, in particular a capacitive fill level sensor or a pressure sensor, and an evaluation unit, the evaluation unit and the sensor being spatially separated from one another. Furthermore, the invention relates to a method for comparing, testing and operating the device according to the invention.
  • the invention can in principle be applied to any type of measuring device in which the sensor and evaluation unit have a certain spatial dimension
  • the device according to the invention and the method according to the invention can also be used in conjunction with a pressure sensor.
  • a capacitive level probe has become known, which is mounted at the level of the level to be monitored. Such probes are also referred to as point level detectors and installed as overflow protection devices in containers or as idle protection devices in front of pumps. If the probe is covered by the product to be detected, it has a larger capacity value than in the uncovered state.
  • the capacitance measurement value is compared with a threshold value by means of a capacitance measurement circuit and a comparator; the result shows whether the level to be monitored has been reached or not.
  • the setting of the threshold value or the switching point is of course extremely critical in this context.
  • the solution disclosed in DE 195 36 199 also aims to propose an automatic method for optimizing the setting of the switching point.
  • the cable probe described in EP 0 857 954 is used when the measurement is to be carried out by means of a level sensor or a pressure sensor at a location which is not readily accessible from the outside.
  • An example of this is the placement of a probe at a certain height in a tank or container.
  • the rope is used to attach the probe.
  • the electrical supply and the unidirectional transmission of measurement signals between the probe and the evaluation unit integrated in a housing takes place via the cable.
  • the adjustment of the sensor for the correct setting of the switching point is of very great importance for reliable and correct working of the sensor in the process.
  • the adjustment compensates for tolerances in the electronic and mechanical components. Since the sensors are usually encapsulated after assembly, adjustment, e.g. B. by turning a potentiometer or inserting an additional resistor, no longer possible. The sensor must therefore be designed so that it can be adjusted from the outside.
  • the invention is based on the object of proposing a device and a method which make it possible to test and / or adjust and / or operate a sensor which is in the process from the outside.
  • a first processor unit is provided, which is assigned to the sensor
  • a second processor unit is provided, which is assigned to the evaluation unit
  • at least one connecting line is provided, via which the two processor units exchange data bidirectionally.
  • the transmitted data is, for example, an adjustment value, this adjustment value compensating mechanical and / or electrical deviations of the sensors from one another or the sensitivity curve of the sensor, which is dependent on the sensor reflects the measurement data supplied.
  • a calibrated sensor can subsequently be connected to any evaluation unit, since all correspondingly calibrated sensors have a uniform behavior to the outside. Based on the stored sensitivity curve, conclusions can be drawn about sensor malfunctions.
  • a preferred development of the device according to the invention provides that the second processor unit is integrated in the evaluation unit and / or that the second processor unit is integrated in an additional device, for example in a PC (personal computer). If the sensor is connected to a PC, it can be checked and tested, for example, with regard to its functionality in the process by means of a test and / or simulation program stored in the PC.
  • the device according to the invention which is based on two processor units communicating with one another, also recognizes when the sensor fails. It remains to be mentioned that the desired functionality of the device is achieved in a cost-effective manner.
  • the one processor unit is a master processor and the other processor unit is a slave processor.
  • the master and slave processors are preferably connected to one another via two data lines, one data line being a unidirectional line via which the master processor specifies the clock, and the other data line being a bidirectional line via which the two processor units communicate with one another.
  • digital data communication has the well-known advantage of significantly higher interference immunity.
  • the power supply of the sensor takes place via the two data lines (two-wire line) or that two further lines are provided via which the power supply of the sensor takes place (four-wire line).
  • each of the two processor units is assigned an RC oscillator, which generates the clock for the communication between the two processor units.
  • a relatively low clock approximately 1 to 2 MHz.
  • interference suppression elements in particular RC elements, in front of the
  • Inputs or the outputs of the two processor units are switched.
  • the time constants of the RC elements are dimensioned such that they largely suppress interference injections on the data lines, but do not interfere with the data exchange between the two processor units.
  • the resistors are chosen so low that the signal level is attenuated as little as possible.
  • the signals which represent the measured variable to be determined in each case are processed in the processor unit assigned to the sensor. Furthermore, it is provided that the processor unit assigned to the sensor has a memory unit in which the measured value for the adjustment of the sensor to a target value, the so-called adjustment value, is stored.
  • the object is achieved in that the data exchange between the two processor units is implemented via a clock-edge-controlled point-to-point transmission.
  • This type of digital communication is characterized in that it reacts relatively unaffected by clock fluctuations in the processor units. This is important because the processor units are preferably operated with RC oscillators for reasons of cost. In this context, relatively unaffected means that relative clock fluctuations of up to -50% and +100%, which may be due to tolerances and aging, do not affect the data transmission.
  • the senor is switched to measuring mode in the adjustment and test phase and that the sensor is switched to normal mode for the purpose of determining the respective value of the measured variable.
  • an advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the sensitivity of the sensor is determined in the measuring mode by approaching or simulating certain values of the measured variable, and that the determined sensitivity curve is stored.
  • the sensitivity profile of the sensor is preferably stored in the processor unit of the additional device (e.g. the PC).
  • the senor after final assembly with an additional device for. B. is connected to a PC, that the additional device switches the sensor into measuring mode, that the sensitivity curve of the sensor is recorded, and that the stored values of the measured variable are used to check whether the sensor is working properly.
  • Sensitivity curve of the sensor is understood here to mean the measuring voltage as a function of the degree of coverage of the sensor. The determination and verification of the sensitivity curve of the sensor is important for the detection of manufacturing errors and scatter.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the achievement of a predetermined value of the measured variable is simulated and that the measured value of the measured variable is stored permanently as a comparison value. Furthermore, it is proposed that the stored value of the measured variable be verified by means of a subsequent test run before the adjustment value is finally saved.
  • the adjustment or reference value is preferably in the vicinity of the later switching point for a medium to be detected with a low dielectric constant. With this measure, the tolerances can be kept very low.
  • the actual switching points are based on a clear calculation rule. The corresponding investigation procedure is already state of the art.
  • the senor is used as a limit switch which means that a predetermined measured variable, e.g. B. signals the reaching of a limit level in a container, during the initialization on the basis of the adjustment value and from the sensitivity value transmitted by the master processor in the evaluation unit, the switching threshold for reaching the predetermined measured variable is determined.
  • a predetermined measured variable e.g. B. signals the reaching of a limit level in a container
  • the falling below or exceeding the switching threshold is transmitted to the processor unit operating as the master processor, that the master processor forms an average value on the basis of the transmitted data and that after an unambiguous detection of the switching state this average value is sent to an output / display unit is forwarded.
  • Improved interference suppression is achieved by averaging. At the same time, this results in a switching delay. Only after the switching state has been clearly identified is this sent to the output and e.g. B. passed on to a switching status display.
  • Fig. 4 a flow chart of the communication between the two processor units at the bit level
  • FIG. 5 shows a flow chart for testing the device according to the invention.
  • the device 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the device 1 according to the invention is intended to determine the limit fill level of a filling material 9 in the container 2.
  • the device 1 is composed of a sensor 7, which is in the process, an evaluation unit 5, which is mounted outside the process in an opening 4 in the lid 3 of the container 2, and a connecting means 10, for. B. a cable or a rope that connects the sensor 7 to the evaluation unit 5.
  • FIG. 2 shows a block diagram which explains the data communication between the two processor units 6, 8 in more detail.
  • the two processor units 6, 8 are a master processor 6 and a slave processor 8.
  • the master processor 6 specifies the clock for data transmission via a unidirectional data line 12;
  • the data exchange between takes place via the bidirectional data line 11 the two processor units 6, 8.
  • Interference suppressors 17, 17 ', 18, 18' are connected in front of the outputs or the inputs of the processor units 6, 8, respectively.
  • the interference suppressors 17, 17 ', 18, 18' are low-pass filters consisting of a resistor 19, 19 ', 20, 20' and a capacitor 21, 21 ', 22, 22', the data lines 1 1, 12 are grounded via the capacitor 21, 21 ', 22, 22'.
  • the time constants of the RC elements 17, 17 ', 18, 18' are selected such that on the one hand the communication is not impaired, but on the other hand interference injections are largely suppressed. Furthermore, the resistors 19, 19 ', 20, 20' have such a low resistance that an excessive weakening of the signal level is prevented.
  • FIG. 3 shows the transmission characteristic of a low-pass filter that can be used in connection with the device according to the invention. While low-frequency signals can pass the line almost undamped, high-frequency signals are attenuated or completely suppressed. in the
  • the preferred and sufficient clock frequency is approximately 100 Hz. Both this fundamental frequency and its first harmonics are thus transmitted from the master processor 6 to the slave processor without damping.
  • the interference suppressors 17, 17 ', 18, 18' not only ensure undisturbed transmission of the data. They also have a protective function if, for example, the data lines 11, 12 are open during assembly.
  • SC is used to characterize the signal level on the data line 12 that specifies the clock.
  • SD identifies the signal level of the data line 11, via which the bidirectional data exchange between the two processor units 6, 8 takes place. In the upper part is the
  • the transmission consists of four bits of data each. Which information is hidden behind the bits can be seen from the table likewise shown in FIG. 4.
  • the slave processor 8 receives the request from the master processor to supply measurement data.
  • the corresponding communication between the slave processor 8 and the master processor 6 is visualized in the lower illustration in FIG. 4.
  • 2-bit data are transmitted, which correspond to the 'BEDECKT' or 'UNBEDECKT' states.
  • 10-bit data are transmitted in test mode or measuring mode.
  • both lines 11, 12 and SC, SD are set to logic 1. Every connection establishment must be initiated via the idle state 'STOP'.
  • the master processor 6 sets data to 0 while SC remains at 1. For all other bits, data can only be changed while SC is at 0. Data is evaluated by the receiver while SC is 1.
  • the transmission begins with a data direction bit, followed by data bits. Finally, an identical confirmation bit 'Ack' is always transmitted for control purposes.
  • the data backup is preferably done by repetition; Such a method places lower demands on the processors 6, 8 than methods that implement data backup using a parity bit or a checksum.
  • sensitivity values can be set for the correct determination of the switching point san of the device according to the invention.
  • a 4-way dip switch is provided on the evaluation unit 5 for this purpose.
  • the processor unit 6 reads the set value and sets the switching point relative to the measured value in the 'UNCOVERED' state. The 'New' definition of the switching point is always carried out when the sensitivity setting is changed.
  • Fig. 5 shows a flow chart for testing the functionality of the
  • Evaluation unit first processor unit; Master processor

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Description

Vorrichtung und Verfahren zum Übermitteln von Daten zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Übermitteln von Daten zwischen einem Sensor, insbesondere einem kapazitiven Füllstandssensor oder einem Drucksensor, und einer Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit und der Sensor räumlich voneinander getrennt sind. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abgleichen, Testen und Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Obwohl nachfolgend stets Bezug auf einen kapazitiven Füllstandssensor genommen wird, ist die Erfindung prinzipiell auf jede Art von Meßvorrichtung anwendbar, bei der Sensor und Auswerteeinheit eine gewisse räumliche
Distanz voneinander haben. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren auch in Verbindung mit einem Drucksensor verwendet werden.
Aus der DE 195 36 199 C2 ist eine kapazitive Füllstandssonde bekannt geworden, die auf der Höhe des zu überwachenden Füllstandes montiert ist. Derartige Sonden werden auch als Grenzstanddetektoren bezeichnet und als Überlaufsicherungen in Behältern oder als Leerlaufsicherungen vor Pumpen montiert. Ist die Sonde von dem jeweils zu detektierenden Füllgut bedeckt, so hat sie einen größeren Kapazitätswert als im unbedeckten Zustand. Mittels einer Kapazitätsmeßschaltung und einem Komparator wird der Kapazitätsmeßwert mit einem Schwellenwert verglichen; anhand des Ergebnisses ist erkennbar, ob der zu überwachende Füllstand erreicht oder noch nicht erreicht ist. Extrem kritisch ist in diesem Zusammenhang natürlich die Einstellung des Schwellenwertes bzw. des Schaltpunktes. So zielt die in der DE 195 36 199 offenbarte Lösung auch darauf ab, ein automatisches Verfahren zur Optimierung der Einstellung des Schaltpunktes vorzuschlagen.
Die in der EP 0 857 954 beschriebene Seilsonde wird eingesetzt, wenn die Messung mittels eines Füllstandssensors oder eines Drucksensors an einem Ort ausgeführt werden soll, der nicht ohne weiteres von außen zugänglich ist. Ein Beispiel hierfür ist die Einbringung einer Sonde auf eine bestimmte Höhe in einem Tank oder einem Behälter. Das Seil dient dazu, die Sonde zu befestigen. Gleichzeitig erfolgt über das Seil die elektrische Versorgung und die unidirektionale Übertragung von Meßsignalen zwischen der Sonde und der in einem Gehäuse integrierten Auswerteeinheit.
Die in der EP 0 857 954 A1 beschriebene Lösung beschreibt eine Vorrichtung zur Befestigung des Seils an der Sonde, wobei die Vorrichtung allen prozeßbedingten Belastungen, insbesondere hohen Zugkräften, standhält. Die Offenlegungsschrift enthält jedoch keinen Hinweis auf einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen der Sonde und der entfernt lokalisierten Auswerteeinheit.
Darüber hinaus ist der Abgleich des Sensors zwecks korrekter Einstellung des Schaltpunktes von ganz erheblicher Bedeutung für ein verläßliches und korrektes Arbeiten des Sensors im Prozeß. Durch den Abgleich werden übrigens Toleranzen in den elektronischen und mechanischen Bauteilen ausgeglichen. Da die Sensoren üblicherweise nach der Montage verkapselt sind, ist ein Abgleich, z. B. über das Verdrehen eines Potentiometers oder das Einsetzen eines zusätzlichen Widerstandes, nicht mehr möglich. Der Sensor muß daher so ausgelegt sein, daß er von außen abgeglichen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die es ermöglichen, einen Sensor, der sich im Prozeß befindet, von außen zu testen und/oder abzugleichen und/oder zu betreiben.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine erste Prozessoreinheit vorgesehen ist, die dem Sensor zugeordnet ist, daß eine zweite Prozessoreiπheit vorgesehen ist, die der Auswerteeinheit zugeordnet ist, und daß zumindest eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, über die die beiden Prozessoreinheiten bidirektional Daten austauschen. Nunmehr ist es also nicht nur möglich, daß der Sensor die ermittelten Meßdaten an die Auswerteeinheit liefert, sondern Daten und Signale werden auch von der Auswerteeinheit an den Sensor übermittelt. Bei den übermittelten Daten handelt es sich beispielsweise um einen Abgleichswert, wobei dieser Abgleichswert mechanische und/oder elektrische Abweichungen der Sensoren untereinander ausgleicht oder um den Empfindlichkeitsverlauf des Sensors, der die vom Sensor in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad gelieferten Meßdaten widerspiegelt. Ein abgeglichener Sensor ist nachfolgend mit einer beliebigen Auswerteeinheit verbindbar, da alle entsprechend abgeglichenen Sensoren nach außen ein einheitliches Verhalten aufweisen. Anhand des abgespeicherten Empfindlichkeitsverlaufs lassen sich Rückschlüsse auf Fehlfunktionen des Sensors ziehen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die zweite Prozessoreinheit in die Auswerteeinheit integriert ist und/oder daß die zweite Prozessoreinheit in einem Zusatzgerät, beispielsweise in einem PC (Personal Computer) integriert ist. Ist der Sensor mit einem PC verbunden, so kann er beispielsweise über ein in dem PC gespeichertes Test- und/oder Simulationsprogramm in beliebigen Abständen hinsichtlich seiner Funktionstüchtigkeit im Prozeß überprüft und getestet werden. Natürlich erkennt die erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf zwei miteinander kommunizierenden Prozessoreinheiten aufbaut, auch, wenn der Sensor ausfällt. Bleibt zu erwähnen, daß die gewünschte Funktionalität der Vorrichtung auf eine kostengünstige Art und Weise erreicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der einen Prozessoreinheit um einen Master-Prozessor und bei der anderen Prozessoreinheit um einen Slave-Prozessor. Master- und Slave-Prozessor sind bevorzugt über zwei Datenleitungen miteinander verbunden, wobei eine Datenleitung eine unidirektionale Leitung ist, über die der Master-Prozessor den Takt vorgibt, und wobei die andere Datenleitung eine bidirektionale Leitung ist, über die die beiden Prozessoreinheiten miteinander kommunizieren. Die digitale Datenkommunikation hat gegenüber der analogen Datenübertragung den bekannten Vorteil einer wesentlich höheren Störsicherheit.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Stromversorgung des Sensors über die beiden Datenleitungen erfolgt (Zweidraht-Leitung) oder daß zwei weitere Leitungen vorgesehen sind, über die die Stromversorgung des Sensors erfolgt (Vierdraht-Leitung). Zwecks Reduzierung der Herstellungskosten ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß jedem der beiden Prozessoreinheiten jeweils ein RC-Oszillator zugeordnet ist, der den Takt für die Kommunikation zwischen den beiden Prozessoreinheiten erzeugt. Um die Leistungsaufnahme der Prozessoreinheiten so gering wie möglich zu halten, werden diese übrigens mit einem relativ geringen Takt (ca. 1 bis 2 MHz) betrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, daß Entstörglieder, insbesondere RC-Glieder, vor die
Eingänge bzw. die Ausgänge der beiden Prozessoreinheiten geschaltet sind. Die Zeitkonstanten der RC-Glieder sind derart bemessen, daß sie Störeinkopplungen auf den Datenleitungen weitgehend unterdrücken, jedoch den Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten nicht stören. Weiterhin sind die Widerstände so niederohmig gewählt, daß der Signalpegel möglichst wenig abgeschwächt wird. Durch das Vorschalten der RC-Glieder ist die Verbindung zwischen Sensor und Auswerteeinheit weitgehend störsicher gegenüber äußeren elektromagnetischen Felder.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Signale, die die jeweils zu bestimmende Meßgröße repräsentieren, in der dem Sensor zugeordnete Prozessoreinheit verarbeitet. Weiterhin ist vorgesehen, daß die dem Sensor zugeordnete Prozessoreinheit eine Speichereinheit aufweist, in der der Meßwert zum Abgleich des Sensors auf einen Soll-Wert, der sog. Abgleichswert, gespeichert ist.
Bezüglich des Verfahrens zum Abgleichen, Testen und Betreiben der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten über eine taktflankengesteuerte Punkt-zu-Punkt Übertragung realisiert wird. Diese Art der digitalen Kommunikation zeichnet sich dadurch aus, daß sie relativ unanfällig auf Taktschwankungen der Prozessoreinheiten reagiert. Das ist wichtig, da die Prozessoreinheiten aus Kostengründen bevorzugt mit RC- Oszillatoren betrieben werden. Relativ unanfällig bedeutet in diesem Zusammenhang übrigens, daß relative Taktschwankungen von bis zu -50 % und +100 %, welche durch Toleranzen und Alterungen bedingt sein können, die Datenübertragung nicht beeinträchtigen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Sensor in der Abgleichs- und Testphase in den Meßbetrieb geschaltet wird und daß der Sensor zwecks Bestimmung des jeweiligen Werts der Meßgröße in den Normalbetrieb geschaltet wird.
Darüber hinaus sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, daß im Meßbetrieb die Empfindlichkeit des Sensors durch Anfahren oder Simulieren gewisser Werte der Meßgröße bestimmt wird, und daß der ermittelte Empfindlichkeitsverlauf abgespeichert wird. Der Empfindlichkeitsverlauf des Sensors wird, wie bereits zuvor beschrieben, bevorzugt in der Prozessoreinheit des Zusatzgerätes (z. B. des PCs) gespeichert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Sensor nach der Endmontage mit einem Zusatzgerät, z. B. einem PC verbunden wird, daß das Zusatzgerät den Sensor in den Meßbetrieb schaltet, daß der Empfindlichkeitsverlauf des Sensors aufge- nommen wird und daß anhand der gespeicherten Werte der Meßgröße überprüft wird, ob der Sensor ordnungsgemäß arbeitet. Unter Empfindlichkeitsverlauf des Sensors wird hier die Meßspannung in Abhängigkeit vom Grad der Bedeckung des Sensors verstanden. Der Ermittlung und Überprüfung der Empfindlichkeitskurve des Sensors ist wichtig für das Erkennen von Herstellungsfehlern und Streuungen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß das Erreichen eines vorgegebenen Wertes der Meßgröße simuliert wird und daß der gemessene Wert der Meßgröße als Abgleichswert dauerhaft abgespeichert wird. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der gespeicherte Wert der Meßgröße mittels eines anschließenden Probelaufs verifiziert wird, bevor die endgültige Abspeicherung des Abgleichswertes erfolgt. Der Abgleichs- bzw. Referenzwert liegt übrigens bevorzugt in der Nähe des späteren Schaltpunktes für ein zu detektierendes Füllgut mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten. Durch diese Maßnahme lassen sich die Toleranzen sehr gering halten. Die tatsächlichen Schaltpunkte werden übrigens nach einer eindeutigen Rechenvorschrift ermittelt. Das entsprechende Ermittlungsverfahren ist bereits Stand der Technik.
Gemäß einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle der Verwendung des Sensors als Grenzwertschalter, der das Erreichen einer vorbestimmten Meßgröße, z. B. das Erreichen eines Grenzfüllstandes in einem Behälter signalisiert, während der Initialisierung anhand des Abgleichwertes und aus dem vom Master-Prozessor in der Auswerteeinheit übermittelten Empfindlichkeitswert die Schaltschwelle für das Erreichen der vorbestimmten Meßgröße ermittelt. Wie bereits in Verbindung mit dem Stand der Technik in der Beschreibungseinleitung ist die Festlegung des korrekten Schaltpunktes von ausschlaggebender Bedeutung für die korrekte Funktion eines z. B. kapazitiven Füllstandsmeßgeräts.
Insbesondere ist vorgesehen, daß das Unter- oder Überschreiten der Schaltschwelle an die als Master-Prozessor arbeitende Prozessoreinheit übermittelt wird, daß der Master-Prozessor anhand der übermittelten Daten einen Mittelwert bildet und daß nach eindeutiger Erkennung des Schaltzustandes dieser Mittelwert an eine Ausgabe-/Anzeigeeinheit weitergeleitet wird. Durch die Mittelwertbildung wird eine verbesserte Störunterdrückung erzielt. Gleichzeitig wird hierdurch eine Schaltverzögerung realisiert. Erst nach eindeutiger Erkennung des Schaltzustands wird dieser an den Ausgang und z. B. an eine Schaltzustandsanzeige weitergegeben.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungs- gemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: ein Blockschaltbild, das die Datenkommunikation zwischen den beiden Prozessoreinheiten darstellt,
Fig. 3: eine Übertragungskennlinie der Entstörglieder, Fig. 4: ein Ablaufschema der Kommunikation zwischen den beiden Prozessoreinheiten auf Bit Ebene und
Fig. 5: ein Flußdiagramm zum Testen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Im gezeigten Fall soll die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 den Grenzfüllstand eines Füllguts 9 in dem Behälter 2 bestimmen. Die Vorrichtung 1 setzt sich zusammen aus einem Sensor 7, der sich im Prozeß befindet, einer Auswerteeinheit 5, die außerhalb des Prozesses in einer Öffnung 4 im Deckel 3 des Behälters 2 montiert ist, und einem Verbindungsmittel 10, z. B. einem Kabel oder einem Seil, das den Sensor 7 mit der Auswerteeinheit 5 verbindet.
Der Auswerteeinheit 5 ist eine erste Prozessoreinheit 6 und dem Sensor 7 eine zweite Prozessoreinheit 8 zugeordnet. Vorzugsweise ist die der Auswerteeinheit 5 zugeordnete Prozessoreinheit 6 ein Master-Prozessor und die dem Sensor zugeordnete Prozessoreinheit 8 ein Slave-Prozessor. Beide Prozessoreinheiten 6, 8 kommunizieren miteinander über die Datenleitungen 1 1 , 12, wobei es sich bei der einen Datenleitung 1 1 um eine unidirektionale Datenleitung handelt, über die der Master-Prozessor 6 den Takt vorgibt. Die zweite Datenleitung 12 erlaubt einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen dem Master-Prozessor 6 und dem Slave-Prozessor 8. Zum Abgleichen oder Testen und/oder Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist diese mit einem Zusatzgerät 13, vorzugsweise einem Personal Computer, verbindbar. In dem Speichermittel 16, das ebenso wie der Slave-Prozessor 8 in den Sensor 7 integriert ist, wird der für den jeweiligen Sensor 7 ermittelte Abgleichswert gespeichert.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das die Datenkommunikation zwischen den beiden Prozessoreinheiten 6, 8 näher erläutert. Wie bereits zuvor beschrieben handelt es sich bei den beiden Prozessoreinheiten 6, 8 um einen Master- Prozessor 6 und einen Slave-Prozessor 8. Über eine unidirektionale Daten- leitung 12 gibt der Master-Prozessor 6 den Takt für die Datenübertragung vor; über die bidirektionale Datenleitung 1 1 erfolgt der Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten 6, 8. Entstörglieder 17, 17', 18, 18' sind jeweils vor die Ausgänge bzw. die Eingänge der Prozessoreinheiten 6, 8 geschaltet sind. Bei den Entstörgliedern 17, 17', 18, 18' handelt es sich um Tiefpässe, bestehend aus einem Widerstand 19, 19', 20, 20' und einem Kondensator 21 , 21 ', 22, 22', wobei die Datenleitungen 1 1 , 12 über den Kondensator 21 , 21 ', 22, 22' geerdet sind. Die Zeitkonstanten der RC-Glieder 17, 17', 18, 18' sind derart gewählt, daß einerseits die Kommunikation nicht beeinträchtigt wird, andererseits aber Störeinkopplungen weitestgehend unterdrückt werden. Weiterhin sind die Widerstände 19, 19', 20, 20' derart niederohmig, daß eine zu starke Abschwächung des Signalpegels verhindert wird.
In Fig. 3 ist die Übertragungskennlinie eines in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren Tiefpaßfilters gezeigt. Während niederfrequente Signale nahezu ungedämpft die Leitung passieren können, werden hochfrequente Signale gedämpft bzw. völlig unterdrückt. Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung liegt die bevorzugte und ausreichende Taktfrequenz bei ca. 100 Hz. Sowohl diese Grundfrequenz als auch ihre ersten Oberwellen werden also ungedämpft vom Master-Prozessor 6 zum Slave-Prozessor übertragen. Die Entstörglieder 17, 17', 18, 18' stellen aber nicht nur eine ungestörte Übertragung der Daten sicher. Ihnen kommt auch eine Schutzfunktion zu, wenn beispielsweise die Datenleitungen 1 1 , 12 während der Montage offen sind.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufschema der Kommunikation zwischen den beiden Prozessoreinheiten auf digitaler Ebene. Der Master-Prozessor 6 wird in der Darstellung als PSU und der Slave-Prozessor als Meas (=Measure) bezeichnet. Mit SC ist jeweils der Signalpegel auf der Datenleitung 12, die den Takt vorgibt, charakterisiert. SD kennzeichnet den Signalpegel der Datenleitung 11 , über die der bidirektionale Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten 6, 8 erfolgt. In dem oberen Teil ist die
Kommunikation zwischen dem Master-Prozessor 6 und dem Slave-Prozessor 8 dargestellt. Die Übertragung setzt sich aus jeweils vier Bit Daten zusammen. Welche Information sich hinter den Bits verbirgt, ist aus der gleichfalls in Fig. 4 gezeigten Tabelle ersichtlich. Im dargestellten Fall erhält übrigens der Slave- Prozessor 8 von dem Master-Prozessor die Aufforderung, Meßdaten zu liefern. Die entsprechende Kommunikation zwischen dem Slave-Prozessor 8 und dem Master-Prozessor 6 ist in der unteren Darstellung in Fig. 4 visualisiert. Im Standardbetrieb des Füllstandssensors als Grenzstanddetektor werden 2 Bit Daten übermittelt, die den Zuständen 'BEDECKT' bzw. 'UNBEDECKT' entsprechen. Im Testbetrieb oder Meßbetrieb werden im gezeigten Fall 10 Bit Daten übermittelt.
Im Ruhezustand sind beide Leitungen 11 , 12 bzw. SC, SD auf logisch 1 gesetzt. Jeder Verbindungsaufbau muß über den Ruhezustand 'STOP' eingeleitet werden. Um eine Übertragung einzuleiten, setzt der Master- Prozessor 6 Data auf 0, während SC auf 1 bleibt. Für alle weiteren Bits gilt, daß Data nur geändert werden darf, während SC auf 0 ist. Data wird vom Empfänger ausgewertet, während SC 1 ist.
Die Übertragung beginnt jeweils mit einem Datenrichtungs-Bit, danach folgen Daten-Bits. Als letztes wird zwecks Kontrolle immer ein identisches Bestätigungs-Bit 'Ack' übertragen. Die Datensicherung erfolgt bevorzugt durch eine Wiederholung; ein derartiges Verfahren stellt geringere Anforderungen an die Prozessoren 6, 8 als Verfahren, die die Datensicherung über ein Paritäts-Bits oder über eine Prüfsumme realisieren.
Weiterhin ist vorgesehen, daß unterschiedliche Empfindlichkeitswerte zwecks korrekter Ermittlung des Schaltpunktes san der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingestellt werden können. Insbesondere ist hierzu an der Auswerteeinheit 5 ein 4-fach Dip-Schalter vorgesehen. Die Prozessoreinheit 6 liest den eingestellten Wert ab und legt den Schaltpunkt relativ zum Meßwert im Zustand 'UNBEDECKT' fest. Die 'Neu'-Festlegung des Schaltpunktes wird immer dann durchgeführt, wenn die Empfindlichkeitseinstellung geändert wird.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm zum Testen der Funktionstüchtigkeit des
Sensors 7. Vorzugsweise wird der Sensor hierzu mit einem PC verbunden, in dem ein Simulations-/Testprogramm abgespeichert ist. Prinzipiell kann der Test jedoch auch über die Prozessoreinheit 6, die in die Auswerteeinheit 5 integriert ist, erfolgen. Nach dem Programmstart bei Punkt 23 wird bei Programmpunkt 24 ein vorgegebener Füllstandswert simuliert. Bei 25 werden die Meßdaten des Sensors eingelesen. Nachfolgend werden die Meßdaten mit den vorgegebenen Sollwerten verglichen (Programmpunkt 26). Liegt der Meßwert nicht innerhalb der Toleranzen um den vorgegebenen Sollwert, so wird bei 28 eine Fehlermeldung ausgegeben; der Sensor 7 ist defekt. Stimmt hingegen der Istwert mit dem Sollwert überein, so wird das Programm bei Punkt 27 beendet.
Bezugszeichenliste
erfindungsgemäße Vorrichtung
Behälter
Deckel
Öffnung
Auswerteeinheit erste Prozessoreinheit; Master-Prozessor
Sensor zweite Prozessoreinheit; Slave-Prozessor
Füllgut
Verbindungsmittel; Seil
Verbindungsleitung
Verbindungsleitung
Zusatzgerät; PC (Personal Computer)
RC-Oszillator
Ausgabe-/Anzeigeeinheit
Speichermittel
Entstörglied
Entstörglied
Widerstand
Widerstand
Kondensator
Kondensator

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Übermitteln von Daten zwischen einem Sensor, insbesondere einem kapazitiven Füllstandssensor oder einen Drucksensor, und einer Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit und der Sensor räumlich voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Prozessoreinheit (8) vorgesehen ist, die dem Sensor (7) zugeordnet ist, daß eine zweite Prozessoreinheit (6) vorgesehen ist, die der Auswerteeinheit
(5) zugeordnet ist, und daß Verbindungsleitungen (1 1 , 12) vorgesehen sind, über die die beiden
Prozessoreinheiten (6, 8) bidirektional Daten austauschen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Prozessoreinheit (6) in die Auswerteeinheit (5) integriert ist und/oder daß die zweite Prozessoreinheit (6) in einem Zusatzgerät (13) integriert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der einen Prozessoreinheit (6; 8) um einen Master-Prozessor und daß es sich bei der anderen Prozessoreinheit (8; 6) um einen Slave- Prozessor handelt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Verbindungsleitungen (11 , 12) um zwei Datenleitungen handelt, wobei die eine Datenleitung (1 1 ; 12) eine unidirektionale Leitung ist, über die der Master-Prozessor den Takt vorgibt, und daß die andere Datenleitung (12; 1 1 ) eine bidirektionale Leitung ist, über die die beiden Prozessoreinheiten (6, 8) miteinander kommunizieren.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung des Sensors (7) über die beiden Datenleitungen (1 1 , 12) erfolgt (Zweidraht-Leitung) oder daß zwei weitere Leitungen vorgesehen sind, über die die Stromversorgung des Sensors (7) erfolgt (Vierdraht-Leitung).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Prozessoreinheiten (6, 8) jeweils ein RC-Oszillator
(14a, 14b) zugeordnet ist, der den Takt für den Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten (6, 8) erzeugt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Entstörglieder (17, 18) vor die Eingänge bzw. die Ausgänge der beiden Prozessoreinheiten (6, 8) geschaltet sind, deren Zeitkonstanten derart bemessen sind, daß sie Störeinkopplungen auf den Datenleitungen (11 , 12) weitgehend unterdrücken, aber den Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten (6, 8) nicht stören.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Sensor (7) zugeordnete Prozessoreinheit (8) die Signale verarbeitet, die die jeweils zu bestimmende Meßgröße repräsentieren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Sensor (7) zugeordnete Prozessoreinheit (8) ein Speichermittel (16) aufweist, in dem zumindest ein Meßwert zum Abgleich des Sensors (7) auf einen Sollwert, den sog. Abgleichswert, speicherbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzgerät (13), vorzugsweise ein Personal Computer vorgesehen ist, der anstelle der Auswerteeinheit (5) mit dem Sensor (7) verbindbar ist und über den der Sensor (7) abgeglichen und/oder getestet und/oder betrieben wird.
1 1. Verfahren zum Abgleichen, Testen und Betreiben einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten (6, 8) über eine taktflankengesteuerte Punkt-zu-Punkt Übertragung realisiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) in der Abgleichs- und Testphase in den Meßbetrieb geschaltet wird und daß der Sensor (7) zwecks Bestimmung des jeweiligen Werts der Meßgröße in den Normalbetrieb geschaltet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßbetrieb die Empfindlichkeit des Sensors (7) durch Anfahren oder Simulieren gewisser Werte der Meßgröße bestimmt wird, und daß die entsprechenden Empfindlichkeitswerte abgespeichert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor nach der Endmontage mit einem Zusatzgerät (13) verbunden wird, daß das Zusatzgerät (13) den Sensor (7) in den Meßbetrieb schaltet, daß der Empfindlichkeitsverlauf des Sensors (7) aufgenommen wird und daß anhand der gespeicherten Werte der Meßgröße überprüft wird, ob der Sensor (7) ordnungsgemäß arbeitet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Erreichen eines vorgegebenen Wertes der Meßgröße simuliert wird und daß der gemessene Wert der Meßgröße als Abtastwert dauerhaft abgespeichert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der gespeicherte Wert der Meßgröße mittels eines anschließend Probelaufs verifiziert wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Verwendung des Sensors (7) als Grenzwertschalter, der das Erreichen einer vorbestimmten Meßgröße, z. B. das Erreichen eines
Grenzfüllstandes in einem Behälter signalisiert, während der Initialisierung anhand des Abgleichwertes und aus dem von dem Master-Prozessor (6) in der Auswerteeinheit (5) übermittelten Empfindlichkeitswert die Schaltschwelle für das Erreichen der vorbestimmten Meßgröße ermittelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Unter- oder Überschreiten der Schaltschwelle an die als Master- Prozessor arbeitenden Prozessoreinheit (6) übermittelt wird, daß der Master-Prozessor anhand der übermittelten Daten einen Mittelwert bildet und daß nach eindeutiger Erkennung des Schaltzustandes dieser Mittelwert an eine Ausgabe-/Anzeigeeinheit (15) weitergeleitet wird.
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