EP1228494B1 - 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 Download PDF

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EP1228494B1
EP1228494B1 EP00974491A EP00974491A EP1228494B1 EP 1228494 B1 EP1228494 B1 EP 1228494B1 EP 00974491 A EP00974491 A EP 00974491A EP 00974491 A EP00974491 A EP 00974491A EP 1228494 B1 EP1228494 B1 EP 1228494B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
value
data
unit
processing unit
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00974491A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1228494A1 (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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Filing date
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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    • 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 level sensor or a pressure sensor, and an evaluation unit, wherein the evaluation unit and the sensor are spatially separated. Furthermore the invention relates to a method for balancing, testing and operating the Device according to the invention.
  • the invention is in principle to any type of measuring device applicable, in the sensor and evaluation a certain spatial Have distance from each other.
  • the device according to the invention or the inventive method also in conjunction with a pressure sensor be used.
  • transducers to a fieldbus become known.
  • a universal handheld interface e.g. a laptop on a fieldbus connected.
  • the connection of the laptop to the fieldbus takes place via a correspondingly configured interface.
  • the communication via the fieldbus takes place after a fieldbus protocol, in particular is uses the HART protocol.
  • the individual transducers are connected to the Fieldbus connected, and the communication between one Transmitter and a control center or a universal handheld interface takes place exclusively via the fieldbus.
  • a capacitive level sensor is known become, which is mounted at the height of the monitored level.
  • Such probes are also referred to as limit level detectors and as Overflow safety devices in containers or as idle safety devices in front of pumps assembled. If the probe is covered by the respective product to be detected, then it has a larger capacity value than in the uncovered state. through a capacitance measuring circuit and a comparator becomes the capacitance value compared with a threshold; based on the result Recognizable whether the level to be monitored reached or not yet is reached.
  • the rope 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 in a location which is not easily accessible from the outside.
  • An example of this is the introduction of a probe to a certain height in a tank or a container.
  • the rope serves to fix the probe.
  • the solution described in EP 0 857 954 A1 describes a device for fastening the cable to the probe, the device withstanding all process-related loads, in particular high tensile forces.
  • the publication does not contain any indication of a bidirectional data exchange between the probe and the remotely located evaluation unit.
  • the adjustment of the sensor for the correct setting of the Switching point of very significant importance for a reliable and correct functioning of the sensor in the process.
  • the invention is based on the object, an apparatus and a method to propose that allow a sensor that is in the process to test and / or match and / or operate from the outside.
  • the object is achieved by providing a first processor unit is associated with the sensor, that a second processor unit is provided is, which is assigned to the evaluation unit, and that connecting lines are provided, over which the two processor units bidirectionally exchange data, and that the data exchange between the Both processor units via a clock edge-controlled point-to-point Transmission is realized.
  • the Sensor supplies the measured data obtained to the evaluation, but Data and signals are also sent from the evaluation unit to the sensor transmitted.
  • the transmitted data is an adjustment value, this adjustment value mechanical and / or compensates for electrical deviations of the sensors with each other or in order the sensitivity of the sensor, which depends on the sensor reflects measured data provided by the degree of coverage.
  • a balanced one Sensor is subsequently connectable to any evaluation, since all appropriately balanced sensors outwardly a unified Behave. Based on the stored sensitivity curve Draw conclusions about malfunctions of the sensor.
  • a preferred development of the device according to the invention provides that the second processor unit is integrated into 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, then it can be checked and tested at any intervals with respect to its functionality in the process, for example via 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 each other, also recognizes when the sensor fails. It should be noted that the desired functionality of the device is achieved in a cost effective manner.
  • one processor unit is a master processor and at the other processor unit, a slave processor.
  • Master and Slave processors are preferably via two data lines with each other connected, wherein a data line is a unidirectional line, via the the master processor sets the clock, and the other data line a bidirectional line is over which the two processor units communicate with each other.
  • the digital data communication has opposite the analog data transmission the known advantage of a significant higher interference immunity.
  • the power supply of the sensor over the two Data lines are made (two-wire line) or that two more lines are provided, via which the power supply of the sensor (Four-wire line).
  • each the two processor units each associated with an RC oscillator, the the clock for the communication between the two processor units generated.
  • a relatively low clock approximately 1 to 2 MHz.
  • suppressors in particular RC elements
  • the time constants of the RC elements are such that they Suppressing disturbance couplings on the data lines to a large extent, however Do not disturb the data exchange between the two processor units.
  • the resistors are chosen so low impedance that the signal level is weakened as little as possible.
  • the signals representing the respective measured variable to be determined are processed in the processor unit associated with the sensor. Furthermore, it is provided that the processor unit associated with the sensor has a memory unit in which the measured value for adjusting the sensor to a desired value, the so-called. Abreteswert stored.
  • the task is characterized solved that the data exchange between the two processor units is realized via a clock edge-controlled point-to-point transmission.
  • This type of digital communication is characterized by the fact that they are relatively unresponsive to clock fluctuations of the processor units responded. The is important because the processor units for cost reasons preferably with RC oscillators operate. Relatively unreliable means in this Incidentally, that relative clock fluctuations of up to -50% and +100%, which may be due to tolerances and aging, do not affect the data transfer.
  • the sensor in the calibration and test phase in the Measuring mode is switched and that the sensor for the purpose of determining the respective value of the measured variable is switched to normal operation.
  • an advantageous embodiment of the invention provides Procedure before that in the measuring mode, the sensitivity of the sensor Starting or simulating certain values of the measured variable is determined, and that the determined sensitivity curve is stored.
  • the sensitivity course of the sensor as already described above, preferably in the processor unit of the auxiliary device (eg the PC) stored.
  • the sensor after final assembly with an additional device, z.
  • the attachment the sensor in the Measurement mode switches that recorded the sensitivity of the sensor and that based on the stored values of the measured variable It checks if the sensor is working properly.
  • Sensitivity History of the sensor here is the measuring voltage as a function of Degree of coverage of the sensor understood. The investigation and Checking the sensitivity curve of the sensor is important for that Recognition of manufacturing errors and scatters.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the reaching of a predetermined value of the measured variable is simulated and that the measured value of the measured variable is stored permanently as a calibration value. Furthermore, it is proposed that the stored value of the measured variable is verified by means of a subsequent test run before the final storage of the calibration value takes place.
  • the adjustment or reference value is preferably in the vicinity of the later switching point for a product to be detected with a low dielectric constant. By this measure, the tolerances can be kept very low.
  • the actual switching points are determined according to a unique calculation rule. The corresponding investigation procedure is already state of the art.
  • the method according to the invention becomes in the case of using the sensor as a limit switch, the Reaching a predetermined measurement, z. B. the achievement of a Limit level signaled in a tank during initialization based on the adjustment value and from the master processor in the Evaluation unit transmitted sensitivity value, the switching threshold for the Reaching the predetermined measured variable determined.
  • the undershooting or exceeding of the switching threshold transmitted to the working as a master processor processing unit is that the master processor based on the transmitted data one Mean value forms and that after clear detection of the switching state this average value is forwarded to an output / display unit.
  • the master processor based on the transmitted data one Mean value forms and that after clear detection of the switching state this average value is forwarded to an output / display unit.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of Device according to the invention 1.
  • the inventive Device 1 the limit level of a product 9 in the container. 2 determine.
  • the device 1 is composed of a sensor 7, the is in the process, an evaluation unit 5, outside the Process is mounted in an opening 4 in the lid 3 of the container 2, and a connecting means 10, for. As a cable or a rope, the Sensor 7 connects to the evaluation unit 5.
  • the evaluation unit 5 is a first processor unit 6 and the sensor 7 a second processor unit 8 assigned.
  • Both Processor units 6, 8 communicate with each other via the data lines 11, 12, wherein the one data line 11 is a unidirectional one Data line is about which the master processor 6 sets the clock.
  • the second data line 12 allows bidirectional data exchange between the master processor 6 and the slave processor 8.
  • Zum Matching or testing and / or operating the invention Device 1 is this with an accessory 13, preferably a Personal computer, connectable.
  • the slave processor 8 is integrated in the sensor 7, which is for the Stored each sensor 7 determined adjustment value.
  • Fig. 2 is a block diagram showing the data communication between the two processor units 6, 8 explained in more detail.
  • the two processor units 6, 8 is a master processor 6 and a slave processor 8.
  • the master processor 6 specifies the clock for the data transfer; via the bidirectional data line 11, the data exchange between the two processor units 6, 8.
  • suppressors 17, 17 ', 18, 18' are respectively in front of the outputs or the inputs of the processor units 6, 8 connected are.
  • the suppression elements 17, 17 ', 18, 18' are low passes, consisting of a resistor 19, 19 ', 20, 20' and a capacitor 21, 21 ', 22, 22', wherein the data lines 11, 12 via the capacitor 21, 21 ', 22, 22 'are grounded.
  • the time constants of the RC elements 17, 17 ', 18, 18' are chosen so that on the one hand the communication is not affected, On the other hand, however, interfering couplings are largely suppressed. Furthermore, the resistors 19, 19 ', 20, 20' so low resistance that a Too strong attenuation of the signal level is prevented.
  • Fig. 3 the transfer characteristic of one in connection with the invention Device usable low-pass filter shown. While low-frequency signals can pass through the line almost unattenuated, High-frequency signals are attenuated or completely suppressed. in the In connection with the present invention is the preferred and sufficient clock frequency at about 100 Hz. Both this fundamental frequency as So their first harmonics are also undamped by the master processor 6 transmitted to the slave processor. The suppressors 17, 17 ', 18, 18' provide but not only an undisturbed transfer of data safely. You come also a protective function if, for example, the data lines 11, 12 are open during assembly.
  • Fig. 4 shows a flowchart of the communication between the two Processor units on a digital level.
  • SC the signal level on the data line 12, which is the Dictates, characterizes.
  • SD indicates the signal level of the Data line 11, via which the bidirectional data exchange between the two processor units 6, 8 takes place.
  • the transmission consists of four bits of data each. Which information is hidden behind the bits is also shown in FIG. 4 shown table. Incidentally, in the case shown, the slave processor is obtained 8 from the master processor requesting measurement data deliver.
  • the corresponding communication between the slave processor 8 and the master processor 6 is visualized in the lower illustration in FIG. in the Standard operation of the level sensor as limit level detector becomes 2 bits Sends data corresponding to 'COVERED' or 'UNCOVERED' states correspond. In test mode or measuring mode, in the case shown, 10 bits Data transmitted.
  • both lines 11, 12 or SC, SD are at logical 1 set. Every connection must be established via the idle state 'STOP' be initiated.
  • the master processor resets 6 Data to 0 while SC stays at 1. For all other bits, Data can only be changed while SC is 0. Data is from the Receiver evaluated while SC is 1.
  • Transmission begins with one data direction bit each, followed by data bits. Finally, for verification, an identical acknowledge bit 'Ack' is always transmitted.
  • the data backup is preferably carried out by a repetition; Such a method makes lower demands on the processors 6, 8 than methods that implement data backup via a parity bit or via a checksum.
  • different sensitivity values for the correct determination of the switching point san of the device according to the invention can be set. In particular, a 4-fold dip switch is provided for this purpose at the evaluation unit 5.
  • 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 is a flowchart for testing the operation of the Sensor 7.
  • the sensor is for this purpose connected to a PC, in which a simulation / test program is stored.
  • the processor unit 6 in the evaluation unit. 5 integrated, done.
  • program item 26 the measured data of the Sensors read. Below the measurement data with the predetermined setpoints compared (program item 26). Is the measured value not within the tolerances around the given setpoint, then at 28 an error message is issued; the sensor 7 is defective. That's right If the actual value coincides with the setpoint, the program will start at point 27 completed.

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Description

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 dem Artikel 'Intelligente Meßumformer für die Prozeßtechnik' ist die Anbindung von Meßumformern an einen Feldbus bekannt geworden. Beispielsweise wird ein Universal Handheld Interface, z.B. ein Laptop an einen Feldbus angeschlossen. Die Anbindung des Laptops an den Feldbus erfolgt über eine entsprechend konfigurierte Schnittstelle. Die Kommunikation über den Feldbus erfolgt nach einem Feldbus-Protokoll, insbesondere wird das HART-Protokoll verwendet. Die einzelnen Meßumformer sind an den Feldbus angeschlossen, und die Kommunikation zwischen einem Meßumformer und einer Leitstelle oder einem Universal Handheld Interface erfolgt ausschließlich über den Feldbus.
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 Prozessoreinheit vorgesehen ist, die der Auswerteeinheit zugeordnet ist, und daß Verbindungsleitungen vorgesehen sind, über die die beiden Prozessoreinheiten bidirektional Daten austauschen, und daß der Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten über eine taktflankengesteuerte Punkt-zu-Punkt Übertragung realisiert ist. 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 Testund/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 aufgenommen 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 erfindungsgemäßen 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 11, 12, wobei es sich bei der einen Datenleitung 11 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 Datenleitung 12 gibt der Master-Prozessor 6 den Takt für die Datenübertragung vor; über die bidirektionale Datenleitung 11 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 11, 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 11, 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 Füilstandssensors 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
    1
    erfindungsgemäße Vorrichtung
    2
    Behälter
    3
    Deckel
    4
    Öffnung
    5
    Auswerteeinheit
    6
    erste Prozessoreinheit; Master-Prozessor
    7
    Sensor
    8
    zweite Prozessoreinheit; Slave-Prozessor
    9
    Füllgut
    10
    Verbindungsmittel; Seil
    11
    Verbindungsleitung
    12
    Verbindungsleitung
    13
    Zusatzgerät; PC (Personal Computer)
    14
    RC-Oszillator
    15
    Ausgabe-/Anzeigeeinheit
    16
    Speichermittel
    17
    Entstörglied
    18
    Entstörglied
    19
    Widerstand
    20
    Widerstand
    21
    Kondensator
    22
    Kondensator

    Claims (17)

    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 (11, 12) vorgesehen sind, über die die beiden Prozessoreinheiten (6, 8) bidirektional Daten austauschen, und
      daß der Datenaustausch zwischen den beiden Prozessoreinheiten (6, 8) über eine taktflankengesteuerte Punkt-zu-Punkt Übertragung realisiert Ist.
    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,
      dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Verbindungsleitungen (11, 12) um zwei Datenleitungen handelt, wobei die eine Datenleitung (11; 12) eine unidirektionale Leitung ist, über die der Master-Prozessor den Takt vorgibt, und
      daß die andere Datenleitung (12; 11) 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 (11, 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 Datenieitungen (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.
    11. Verfahren zum Abgleichen, Testen und Betreiben einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
      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.
    12. Verfahren nach Anspruch 11,
      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.
    13. Verfahren nach Anspruch 11,
      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.
    14. Verfahren nach Anspruch 13,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Erreichen eines vorgegebenen Wertes der Meßgröße simuliert wird und daß der gemessene Wert der Meßgröße als Abtastwert dauerhaft abgespeichert wird.
    15. Verfahren nach Anspruch 14,
      dadurch gekennzeichnet, daß der gespeicherte Wert der Meßgröße mittels eines anschließend Probelaufs verifiziert wird.
    16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11,
      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.
    17. Verfahren nach Anspruch 16,
      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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