WO2013087389A1 - VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG MINDESTENS EINER PROZESSGRÖßE - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG MINDESTENS EINER PROZESSGRÖßE Download PDF

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Franco Ferraro
Philipp Walser
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a device for determining and / or monitoring at least one process variable, with a primary side and a secondary side, which are galvanically isolated from each other, wherein the
  • Secondary side has a sensor for the process size sensitive sensor element and a secondary-side electronics unit and a process size
  • the process variable is
  • the level of a liquid or a bulk material in a container For example, the level of a liquid or a bulk material in a container, the density, the viscosity, the electrical conductivity, the flow or the pH of a liquid.
  • measuring devices which are equipped with two electronic units, which are often galvanically isolated from each other.
  • the primary-side electronics unit is connected to the power supply of the meter, while the secondary-side electronics unit is assigned to the sensor.
  • one or more galvanically isolated interfaces are provided, which may be designed to be inductive or capacitive. The communication between the two
  • Electronic units take place, for example, from the primary side to the secondary side via frequency modulation and in the reverse direction via load modulation, as described in DE 10 2006 051 900 A1.
  • An amplitude modulation is also known.
  • no or only unidirectional communication takes place from the primary side to the secondary side via the galvanically isolated interface, and an optocoupler serves to transfer data from the secondary side to the primary side.
  • the secondary side transmits to the primary side measurement data representing the process variable, while the primary side transmits to the secondary side above all parameterization data or sensor-specific characteristics.
  • the number of interfaces between the primary side and secondary usually reduced to a minimum. As a result, the communicable information is severely limited.
  • the object of the invention is a device for determining
  • the secondary side of the measuring device assigned to the sensor element generates the measuring signal which evaluates the primary side in relation to the process variable.
  • the secondary-side electronics unit has a modulation unit which generates a modulated measurement signal by at least one more time, at least temporarily, of the measurement signal representing the process variable
  • This modulated measurement signal transmits the
  • the Primary side thus more information than pure transmission of the measurement signal.
  • the primary side On the basis of the evaluated modulated measurement signal, the primary side generates an output signal which indicates a current value of the process variable or an error state and can be supplied, for example, to a control room or to the device downstream field devices.
  • the output signal may be, for example, a standard 4 ... 20 mA signal and is to be distinguished from the modulated measurement signal, which is an internal measurement signal.
  • the modulation unit performs a frequency modulation or a pulse width modulation.
  • the measuring signal is usually an electrical alternating voltage signal.
  • the modulated measurement signal has over the
  • Measurement signal according to the configuration of the modulation unit at least temporarily a changed frequency or an altered pulse-pause ratio.
  • the at least one further piece of information may, for example, contain information about a configuration of the sensor element or the secondary-side electronics unit, an information for determining or monitoring a further process variable, or information about a current operating state of the secondary side concern.
  • the primary side can check whether data transmitted by it have arrived correctly on the secondary side, eg if the configuration of the
  • Secondary electronics unit is correct.
  • the primary side is informed about the modulation of the measuring signal as the secondary side is configured.
  • a control function with respect to parameters changed due to an error in the operation of the measuring device is made possible. This configuration readback function increases the security of the device.
  • the secondary side indicates, via the current operating state, whether the secondary-side electronic unit is in the measuring mode for determining and / or monitoring the process variable or in a diagnostic state.
  • the diagnostic state is to be understood as the execution of a diagnosis for the detection of errors in the components of the secondary-side electronics unit and the sensor element.
  • the primary-side electronics unit determines, based on the frequency of the modulated measurement signal, a current value of the process variable and, on the basis of the pulse width of the modulated measurement signal, determines the further one
  • the primary-side electronics unit determines a current value of the frequency based on the frequency of the modulated measurement signal
  • the device is a vibronic measuring device having a mechanically oscillatable unit and a drive / receiving unit
  • the drive / receiving unit excites the mechanically oscillatable unit by means of a transmission signal to mechanical vibrations and vibrations from this receives and into one converts electrical received signal carries the modulated measurement signal information about at least one vibration property.
  • the further information concerns the configuration of the drive / receiving unit or the configuration of the device as a limit level switch for a minimum or maximum limit level or a vibration characteristic or a variable for assessing the quality of the oscillatable unit and / or the drive / receiver unit.
  • the measurement signal carries the frequency of the oscillations and that the further information is the amplitude, the phase shift between the transmission signal and the reception signal, or an energy requirement, in particular a power requirement, of the drive / reception unit.
  • the primary side determines the process variable level. For example, a change in the viscosity of the medium can be derived from a change in the phase shift. Is the oscillatory unit out of the medium or the vibration excitation occurs outside a frequency range in which the vibration properties depend on the process medium is a
  • a decrease in the amplitude relative to the amplitude of the vibration of a batch-free oscillatable unit indicates buildup.
  • About the energy requirement is the quality of the oscillatory unit and the
  • the process variable is preferably the fill level, the density and / or the viscosity of a medium. This is especially true in the case where the device is a vibronic meter. However, it may also be any other process variable such as pressure, temperature, flow or pH.
  • the invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
  • Fig. 1 shows a sketch of a measuring device in use
  • FIG. 2 shows the schematic structure of a measuring device according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a vibronic measuring device 1 for determining and / or monitoring a limit level, the density, or the viscosity of a medium 5 in a container 4.
  • the measuring device 1 is arranged at a height in the container 4, which corresponds to a limit level to be monitored.
  • the measuring device 1 serves as overfill protection and monitors whether the medium 5 reaches the limit level. If this is the case, that generates
  • a drive / receiving unit 3 excites the oscillatable unit 2 to mechanical vibrations, for example, with the resonant frequency at.
  • the drive / receiving unit 3 is designed as an electromechanical converter unit with one or more piezoelectric elements, which also receive the oscillations of the oscillatable unit 2 and convert it into electrical signals. If the oscillatable unit 2 is covered with medium 5, the oscillation frequency changes with respect to an oscillation with uncovered oscillatable unit 2. The limit level can thus be monitored by means of a frequency evaluation.
  • Vibration properties are further the density and viscosity of the oscillatory unit 2 surrounding medium determinable.
  • the meter 1 has a galvanic isolation between a secondary side II with the
  • the secondary side II transmits the measurement signal to the primary side I. This carries out the evaluation of the measurement signal and generates the output signal of the measuring device.
  • Fig. 2 discloses a schematic representation of the structure of a vibronic measuring device 1 as shown in Fig.1.
  • the sensor unit 2 is one
  • Primary side I and secondary side II are galvanically separated from each other.
  • the primary-side electronic unit 8 transmits via a galvanically separated interface 15, which is, for example, an inductive or capacitive interface
  • Energy and data to the secondary side II Energy and data can also be transmitted via separate interfaces.
  • the data transmission takes place unidirectionally from the primary side I to the secondary side II. It is also
  • Secondary side II transmits, for example, if a memory element of
  • secondary-side electronics unit 9 is directly configurable and thus the secondary side all information on the configuration of the resonant circuit for vibrational excitation of the oscillatory unit 2 are present.
  • the primary-side electronics unit 8 has a logic unit in the form of a first microcontroller 1 1.
  • the secondary-side electronics unit 9 also has a logic unit in the form of a second microcontroller 12. In place of one
  • Microcontroller 1 1, 12 are also other intelligent logic units used, for example, an ASIC or FPGA.
  • an I / O controller or a remote I / O expander controlled by bus communication can also be used on the secondary side.
  • the drive / receiving unit 3 which stimulates the mechanically oscillatable unit 2 to vibrate mechanically and receives the vibrations from it, is integrated in an electrical resonant circuit.
  • the electronic components of the resonant circuit are well known to the person skilled in the art and are summarized here in the processing unit 7 for a better overview. Both electronic components are, for example, filters, amplifiers, phase shifters and the like.
  • the second microcontroller 12 controls the processing unit 7 and sets vibration excitation parameters according to a desired configuration. This configuration is the second microcontroller 12 of the first
  • Microcontroller 1 1 communicated.
  • the configuration differs from that of a measuring device 1 used for detecting a minimum fill level. Furthermore, differences result depending on the configuration of the drive / receiving unit 3.
  • the communication between primary-side electronics unit 8 and secondary-side electronics unit 9 via the interface 15 is unidirectional from the primary side I to the secondary side II.
  • the first microcontroller 1 1 sends by serial
  • This signal includes configuration data.
  • the second microcontroller 12 configures the resonant circuit. For example, it sets parameters of filters or amplifiers in the resonant circuit or controls switches for selecting certain possible ones
  • the measurement signal is decoupled from the resonant circuit and is in the form of an electrical
  • the measurement signal is fed to a modulation unit 14, which is controlled by the second microcontroller 12.
  • Modulation unit 14 may also be part of the second microcontroller 12
  • the second microcontroller 12 controls the modulation unit 14 such that it changes the measurement signal as a function of the information to be recorded.
  • the modulation unit 14 changes the frequency of the measurement signal. In another, alternative or additional embodiment, the
  • Modulation unit 14 the pulse-pause ratio.
  • the modulated measuring signal leads the modulation unit 14 via a further galvanically isolated interface 16 of the primary side I for evaluation.
  • an analog-to-digital converter receives the modulated measurement signal on the primary side and converts it into a digital measurement signal, which the first microcontroller 11 evaluates.
  • an at least partially analog measurement signal processing is also possible.
  • the primary-side electronic unit 8 evaluates the measurement signal with respect to
  • the primary-side electronics unit 8 generates a level-dependent output signal, for example in the form of a 4 ... 20 mA signal.
  • This output signal can be fed to a process monitoring unit in a control room or downstream process equipment.
  • the primary-side electronics unit 8 determines
  • the modulation unit 14 can also modulate the measurement signal in various ways, so that different information can be transmitted in succession to the primary side I via the modulated measurement signal.
  • the modulation can take place here constantly or at certain intervals, preferably at periodic intervals. Examples of information which may be relevant for the primary side I and can be transmitted via the modulated measurement signal are given below.
  • the primary-side electronics unit 8 determines the frequency of the
  • the modulated information can now, for example, continue to reproduce a further vibration characteristic of the oscillatable unit, such as the amplitude or the phase shift between the transmitted signal and the received signal. From this information about the density and / or viscosity of the medium can be derived. On the basis of a reduced amplitude in the case of a freely oscillating oscillatable unit 2
  • controllable switch 6 is present.
  • the second microcontroller 12 has a control output P1.
  • the connection of the control output P1 to the switch 6 is indicated by the dashed line.
  • Break-up frequency In this state, the second microcontroller 12 performs a diagnosis of the electronic components of the resonant circuit. Preferably, the second microcontroller 12 performs diagnostics at regular intervals.
  • the demolition frequency can be present not only during the diagnosis state, but also in measuring operation, when the damping of the oscillations of the oscillatable unit 2, for example due to approach or high viscosity is so great that the oscillatable unit 2 no longer executes mechanical vibrations. Even if there is a cable break and the oscillatable unit 2 is therefore no longer excitable to vibrations, the resonant circuit oscillates with the break-off frequency. If the primary side I evaluates the frequency of the transmitted one
  • Measuring signal and detects the demolition frequency it generates an alarm signal or an output signal corresponding to the safe state.
  • Condition is, for example, in the case of a level switch for overfill protection, i. for detecting the reaching of a maximum level, the covered state.
  • the secondary side II can perform diagnostics independent of commands of the primary side I and on the primary side I is still known that a diagnosis is performed and the measured frequency of the measurement signal no
  • Oscillation frequency at excited oscillating unit 2 represents transmitted to the secondary side II of the primary side I this information.
  • the second microcontroller 12 controls the modulation unit 14 in such a way that it always changes the frequency of the applied measuring signal or the pulse-pause ratio whenever a diagnosis is carried out. In a frequency modulation, this leads in particular to a frequency shift of the demolition frequency with which the resonant circuit oscillates in the diagnostic state. Detects the primary-side
  • Electronics unit 8 the corresponding shifted frequency or the changed pulse-pause ratio, it does not evaluate the transmitted modulated measurement signal in terms of process size or at least does not produce a corresponding output signal, but retains the output signal generated before the diagnosis. This prevents that the primary side I generates a false alarm due to the detection of the demolition frequency. Since the secondary side II automatically starts the diagnosis, no transmission of a diagnosis starting signal from the primary side I to the secondary side II is required, so that the interface 15 does not need to be activated for this purpose. This saves energy.
  • Sensor unit 2 is accompanied and describes a normal state of the measuring device 1; a second area, which is accompanied by a covered sensor unit 2 and leads to a change in the output signal of the measuring device 1, since the limit level to be monitored is reached; a third region which is outside of the first and second regions and which comprises at least one tear-off frequency which occurs together with an error and leads to the issuing of an alarm signal; and a fourth region, which is achieved by modulation of the measurement signal and comprises at least one frequency, for example, a multiple of the
  • Abort frequency represents and indicates the diagnostic condition.
  • Reference DE 102010039585.4 is a method for the compensation of
  • Coupling effects in the piezoelectric elements of the transducer unit of a vibronic measuring device described which allows to maintain the excitation at the resonant frequency, even in highly viscous media. Whether currently a compensation is performed or not also represents information that can be modulated on the measurement signal. Further information that can be transmitted to the primary side I with the measurement signal is information relating to the configuration of the measuring device 1. such
  • the misconfiguration can occur here from the beginning or during the operation of the measuring device 1, so that the receipt of information about the current configuration not only immediately after
  • Measuring device 1 makes sense.
  • the secondary side II determines the current which is required for exciting the oscillatable unit 2 to resonant oscillations via the resonant circuit and transmits the current value via the modulation to the primary side I.
  • the primary-side microcontroller 1 1 determined from this information, the quality of the resonant circuit or the quality of drive / receiving unit 3 and oscillatable unit 2. A reduced quality is, for example
  • the modulation unit 14 can also be designed in such a way and the modulation of the second microcontroller 12 can be controlled such that different
  • Information about different pulse-pause ratios or different frequencies can be modulated onto the measurement signal. It is also possible to transmit various information through the same pulse-pause ratio by providing a start signal for data transmission and a fixed sequence of

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit einer Primärseite (I) und mit einer Sekundärseite (II), welche voneinander galvanisch getrennt sind, wobei die Sekundärseite (11) ein für die Prozessgröße sensitives Sensorelement (2) und eine sekundärseitige Elektronikeinheit (9) aufweist und ein die Prozessgröße repräsentierendes Messsignal bereitstellt, und wobei die Primärseite (I) eine primärseitige Elektronikeinheit (8) zur Auswertung des Messsignals und zur Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist. Die Vorrichtung (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die sekundärseitige Elektronikeinheit (9) eine Modulationseinheit (14) aufweist, welche ein moduliertes Messsignal erzeugt, indem sie zumindest zeitweise auf das die Prozessgröße repräsentierende Messsignal mindestens eine weitere Information aufmoduliert, und dass die sekundärseitige Elektronikeinheit (9) das modulierte Messsignal über eine galvanisch getrennte Schnittstelle an die Primärseite (I) überträgt.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer
Prozessgröße
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit einer Primärseite und mit einer Sekundärseite, welche voneinander galvanisch getrennt sind, wobei die
Sekundärseite ein für die Prozessgröße sensitives Sensorelement und eine sekundärseitige Elektronikeinheit aufweist und ein die Prozessgröße
repräsentierendes Messsignal bereitstellt, und wobei die Primärseite eine
primärseitige Elektronikeinheit zur Auswertung des Messsignals und zur Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist. Bei der Prozessgröße handelt es sich
beispielsweise um den Füllstand einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts in einem Behälter, die Dichte, die Viskosität, die elektrische Leitfähigkeit, den Durchfluss oder den pH-Wert einer Flüssigkeit.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl an Messgeräten bekannt, welche mit zwei Elektronikeinheiten ausgestattet sind, welche oftmals voneinander galvanisch getrennt sind. Die primärseitige Elektronikeinheit ist mit der Energieversorgung des Messgerätes verbunden, während die sekundärseitige Elektronikeinheit dem Sensor zugeordnet ist. Zur Energie- und Datenübertragung sind eine oder mehrere galvanisch getrennte Schnittstellen vorgesehen, welche induktiv oder kapazitiv ausgestaltet sein können. Die Kommunikation zwischen den beiden
Elektronikeinheiten erfolgt beispielsweise von der Primärseite zur Sekundärseite über Frequenzmodulation und in umgekehrter Richtung über Lastmodulation, wie in der DE 10 2006 051 900 A1 beschrieben. Auch eine Amplitudenmodulation ist bekannt. Oftmals erfolgt keine oder nur eine unidirektionale Kommunikation von der Primärseite zur Sekundärseite über die galvanisch getrennte Schnittstelle und ein Optokoppler dient der Datenübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite. In der Regel überträgt die Sekundärseite an die Primärseite Messdaten, welche die Prozessgröße repräsentieren, während die Primärseite an die Sekundärseite vor allem Parametrierdaten oder sensorspezifische Kenndaten übermittelt. Aus Platz-, Energie- und Kostengründen wird die Anzahl an Schnittstellen zwischen Primärseite und Sekundärseite in der Regel auf ein Minimum reduziert. Hierdurch ist die übermittelbare Information stark begrenzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung
mindestens einer Prozessgröße bereit zu stellen, bei welcher der
Informationsaustausch zwischen Primärseite und Sekundärseite verbessert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Die dem Sensorelement zugeordnete Sekundärseite des Messgeräts erzeugt das Messsignal, welches die Primärseite in Bezug auf die Prozessgröße auswertet.
Erfindungsgemäß weist die sekundärseitige Elektronikeinheit eine Modulationseinheit auf, welche ein moduliertes Messsignal erzeugt, indem sie auf das die Prozessgröße repräsentierende Messsignal zumindest zeitweise mindestens eine weitere
Information aufmoduliert. Dieses modulierte Messsignal überträgt die
sekundärseitige Elektronikeinheit über eine galvanisch getrennte Schnittstelle an die Primärseite. Durch Auswertung der Modulation des Messsignals verfügt die
Primärseite somit über mehr Information als bei reiner Übertragung des Messsignals. Ausgehend von dem ausgewerteten modulierten Messsignal erzeugt die Primärseite ein Ausgangssignal, welches einen aktuellen Wert der Prozessgröße oder einen Fehlerzustand anzeigt und beispielsweise einer Leitwarte oder der Vorrichtung nachgeordneten Feldgeräten zuführbar ist. Das Ausgangssignal kann beispielsweise ein übliches 4...20 mA Signal sein und ist von dem modulierten Messsignal zu unterscheiden, bei welchem es sich um ein messgerätinternes Signal handelt.
In einer Ausgestaltung führt die Modulationseinheit eine Frequenzmodulation oder eine Pulsweitenmodulation durch. Das Messsignal ist in der Regel ein elektrisches Wechselspannungssignal. Das modulierte Messsignal besitzt gegenüber dem
Messsignal entsprechend der Ausgestaltung der Modulationseinheit zumindest zeitweise eine veränderte Frequenz oder ein verändertes Impuls-Pausen-Verhältnis.
Die mindestens eine weitere Information kann beispielsweise eine Information über eine Konfiguration des Sensorelements oder der sekundärseitigen Elektronikeinheit, eine Information zur Bestimmung oder Überwachung einer weiteren Prozessgröße, oder eine Information über einen aktuellen Betriebszustand der Sekundärseite betreffen. Die Primärseite kann kontrollieren, ob von ihr übertragene Daten korrekt auf der Sekundärseite angekommen sind, z.B. ob die Konfiguration der
sekundärseitigen Elektronikeinheit korrekt ist. Für den Fall, dass die Konfiguration direkt auf der Sekundärseite vorgenommen wird erfährt die Primärseite über die Modulation des Messsignals, wie die Sekundärseite konfiguriert ist. Weiterhin ist durch regelmäßige Übertragung der sekundärseitig eingestellten Parameter an die Primärseite eine Kontrollfunktion bezüglich auf Grund eines Fehlers im Betrieb des Messgeräts veränderter Parameter ermöglicht. Durch diese Rücklesefunktion bezüglich der Konfiguration wird die Sicherheit der Vorrichtung erhöht.
In einer Ausgestaltung zeigt die Sekundärseite über den aktuellen Betriebszustand an, ob sich die sekundärseitige Elektronikeinheit im Messbetrieb zur Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße oder in einem Diagnosezustand befindet. Unter dem Diagnosezustand ist die Durchführung einer Diagnose zur Aufdeckung von Fehlern in den Komponenten der sekundärseitigen Elektronikeinheit und des Sensorelements zu verstehen. Gemäß einer Ausgestaltung bestimmt die primärseitige Elektronikeinheit an Hand der Frequenz des modulierten Messsignals einen aktuellen Wert der Prozessgröße und erfasst an Hand der Pulsweite des modulierten Messsignals die weitere
Information. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung bestimmt die primärseitige Elektronikeinheit an Hand der Frequenz des modulierten Messsignals einen aktuellen Wert der
Prozessgröße und erfasst weiterhin ebenfalls an Hand der Frequenz die weitere Information. In einer Ausgestaltung der Erfindung, wobei es sich bei der Vorrichtung um ein vibronisches Messgerät handelt, welches eine mechanisch schwingfähige Einheit und eine Antriebs-/Empfangseinheit aufweist, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines Sendesignals zu mechanischen Schwingungen anregt und Schwingungen von dieser empfängt und in eine elektrisches Empfangssignal wandelt, trägt das modulierte Messsignal die Information über zumindest eine Schwingungseigenschaft.
Gemäß einer Ausgestaltung des vibronischen Messgerätes betrifft die weitere Information die Ausgestaltung der Antriebs-/Empfangseinheit oder die Ausgestaltung der Vorrichtung als Grenzstandschalter für einen minimalen oder einen maximalen Grenzstand oder eine Schwingungseigenschaft oder eine Größe zur Beurteilung der Güte der schwingfähigen Einheit und/oder der Antriebs-/Empfangseinheit. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messsignal die Frequenz der Schwingungen trägt und dass die weitere Information die Amplitude, die Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal, oder ein Energiebedarf, insbesondere ein Strombedarf, der Antriebs-/Empfangseinheit ist. Aus der Frequenz der Schwingung bestimmt die Primärseite die Prozessgröße Füllstand. Aus einer Änderung der Phasenverschiebung ist beispielsweise eine Viskositätsänderung des Mediums ableitbar. Ist die schwingfähige Einheit aus dem Medium ausgetaucht oder erfolgt die Schwingungsanregung außerhalb eines Frequenzbereiches, bei welchem die Schwingungseigenschaften von dem Prozessmedium abhängen, ist eine
Ansatzerkennung möglich. Eine Abnahme der Amplitude gegenüber der Amplitude der Schwingung einer ansatzfreien schwingfähigen Einheit deutet auf Ansatzbildung hin. Über den Energiebedarf ist die Güte der schwingfähigen Einheit und der
Antriebs-/Empfangseinheit bestimmbar.
Bei der Prozessgröße handelt es sich bevorzugt um den Füllstand, die Dichte und/oder die Viskosität eines Mediums. Dies insbesondere für den Fall, dass es sich bei der Vorrichtung um ein vibronisches Messgerät handelt. Es kann sich jedoch auch um eine beliebige andere Prozessgröße wie beispielsweise Druck, Temperatur, Durchfluss oder pH-Wert handeln. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Skizze eines Messgeräts im Einsatz;
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Messgeräts nach Fig. 1 . In Fig. 1 ist ein vibronisches Messgerät 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstands, der Dichte, oder der Viskosität eines Mediums 5 in einem Behälter 4 dargestellt. Das Messgerät 1 ist auf einer Höhe in dem Behälter 4 angeordnet, welche einem zu überwachenden Grenzfüllstand entspricht. Das
Erreichen des Grenzfüllstands wird an Hand einer Bedeckung der Sensoreinheit, welche in Form einer mechanisch schwingfähigen Einheit 2 vorliegt, detektiert. In dem dargestellten Fall dient das Messgerät 1 als Überfüllsicherung und überwacht, ob das Medium 5 den Grenzfüllstand erreicht. Ist dies der Fall, erzeugt das
Messgerät 1 eine Bedecktmeldung.
Eine Antriebs-/Empfangseinheit 3 regt die schwingfähige Einheit 2 zu mechanischen Schwingungen, beispielsweise mit der Resonanzfrequenz, an. Vorzugsweise ist die Antriebs-/Empfangseinheit 3 als elektromechanische Wandlereinheit mit einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen ausgestaltet, welche die Schwingungen der schwingfähigen Einheit 2 auch empfangen und in elektrische Signale umwandeln. Ist die schwingfähige Einheit 2 mit Medium 5 bedeckt, ändert sich die Schwingfrequenz gegenüber einer Schwingung mit unbedeckter schwingfähiger Einheit 2. Mittels einer Frequenzauswertung ist somit der Grenzstand überwachbar. Aus den
Schwingungseigenschaften sind weiterhin die Dichte und die Viskosität des die schwingfähige Einheit 2 umgebenden Mediums bestimmbar.
Aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit und beispielsweise auch, um in explosionsgeschützten Bereichen einsetzbar zu sein, verfügt das Messgerät 1 über eine galvanische Trennung zwischen einer Sekundärseite II mit der
schwingfähigen Einheit 2 und den in einer sekundärseitigen Elektronikeinheit 9 zusammengefassten, für die Aufnahme des Messsignals erforderlichen
elektronischen Komponenten, und einer Primärseite I mit einer primärseitigen Elektronikeinheit 8 zur Auswertung des Messsignals in Bezug auf die Prozessgröße und der Verbindung zur Energieversorgung des Messgerätes 1 . Die Sekundärseite II überträgt das Messsignal an die Primärseite I. Diese führt die Auswertung des Messsignals durch und erzeugt das Ausgangssignal des Messgeräts 1 .
Die Erfindung wird an Hand eines vibronischen Füllstandsmessgerätes näher erläutert. Prinzipiell ist die Erfindung jedoch in beliebigen Messgeräten mit galvanischer Trennung einsetzbar, bei welchen die Sekundärseite das Messsignal erzeugt und die Primärseite das Messsignal zur Auswertung von der Sekundärseite empfängt. Fig. 2 offenbart eine schematische Darstellung des Aufbaus eines vibronischen Messgeräts 1 wie es in Fig.1 dargestellt ist. Die Sensoreinheit 2 ist einer
Sekundärseite II zugeordnet, während die Spannungsquelle 13 zur
Energieversorgung des Messgerätes 1 einer Primärseite I zugeordnet ist. Primärseite I und Sekundärseite II sind galvanisch voneinander getrennt. Über eine galvanisch getrennte Schnittstelle 15, wobei es sich beispielsweise um eine induktive oder kapazitive Schnittstelle handelt, überträgt die primärseitige Elektronikeinheit 8
Energie und Daten an die Sekundärseite II. Energie und Daten können auch über separate Schnittstellen übertragen werden. Die Datenübertragung erfolgt hierbei unidirektional von der Primärseite I zur Sekundärseite II. Es sind auch
Ausgestaltungen denkbar, in welchen die Primärseite I keine Daten an die
Sekundärseite II überträgt, beispielsweise falls ein Speicherelement der
sekundärseitigen Elektronikeinheit 9 direkt konfigurierbar ist und somit sekundärseitig alle Informationen zur Konfiguration des Schwingkreises zur Schwingungsanregung der schwingfähigen Einheit 2 vorhanden sind.
Die primärseitige Elektronikeinheit 8 weist eine Logikeinheit in Form eines ersten MikroControllers 1 1 auf. Die sekundärseitige Elektronikeinheit 9 weist ebenfalls eine Logikeinheit in Form eines zweiten MikroControllers 12 auf. An Stelle eines
MikroControllers 1 1 , 12 sind auch andere intelligente Logikeinheiten einsetzbar, beispielsweise auch ein ASIC oder ein FPGA. Sekundärseitig ist prinzipiell auch ein I/O-Controller oder ein per Buskommunikation gesteuerter Remote I/O-Expander einsetzbar.
Die Antriebs-/Empfangseinheit 3, welche die mechanisch schwingfähige Einheit 2 zu mechanischen Schwingungen anregt und die Schwingungen von dieser empfängt, ist in einen elektrischen Schwingkreis integriert. Die elektronischen Komponenten des Schwingkreises sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und hier zur besseren Übersicht in der Verarbeitungseinheit 7 zusammengefasst dargestellt. Bei den elektronischen Komponenten handelt es sich beispielsweise um Filter, Verstärker, Phasenschieber und dergleichen.
Der zweite Mikrocontroller 12 steuert oder regelt die Verarbeitungseinheit 7 und stellt Parameter zur Schwingungsanregung gemäß einer gewünschten Konfiguration ein. Diese Konfiguration wird dem zweiten Mikrocontroller 12 von dem ersten
Mikrocontroller 1 1 mitgeteilt. Beispielsweise unterscheidet sich die Konfiguration bei einem zur Detektion eines maximalen Füllstands eingesetzten Messgeräts 1 von derjenigen eines zur Detektion eines minimalen Füllstands eingesetzten Messgeräts 1 . Weiterhin ergeben sich Unterschiede je nach Ausgestaltung der Antriebs- /Empfangseinheit 3.
Die Kommunikation zwischen primärseitiger Elektronikeinheit 8 und sekundärseitiger Elektronikeinheit 9 über die Schnittstelle 15 erfolgt unidirektional von der Primärseite I zur Sekundärseite II. Hierzu sendet der erste Mikrocontroller 1 1 per serieller
Kommunikation ein Signal an den zweiten Mikrocontroller 12. Dieses Signal beinhaltet Konfigurierdaten. Mit diesen Daten konfiguriert der zweite Mikrocontroller 12 den Schwingkreis. Beispielsweise setzt er Parameter von Filtern oder Verstärkern im Schwingkreis bzw. steuert Schalter zur Auswahl bestimmter möglicher
Signalpfade, oder er setzt den Wert für die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal der Antriebs-/Empfangseinheit 3 fest. Das Messsignal ist aus dem Schwingkreis ausgekoppelt und liegt in Form einer elektrischen
Wechselspannung vor, deren Frequenz die Information über den Bedecktzustand der schwingfähigen Einheit 2 trägt. Das Messsignal ist einer Modulationseinheit 14 zugeführt, welche von dem zweite Mikrocontroller 12 gesteuert ist. Die
Modulationseinheit 14 kann auch als Teil des zweiten MikroControllers 12
ausgestaltet sein.
Der zweite Mikrocontroller 12 steuert die Modulationseinheit 14 derart, dass diese das Messsignal in Abhängigkeit der aufzuprägenden Information verändert. In einer Ausgestaltung verändert die Modulationseinheit 14 die Frequenz des Messsignals. In einer anderen, alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung variiert die
Modulationseinheit 14 das Impuls-Pausen-Verhältnis. Das modulierte Messsignal führt die Modulationseinheit 14 über eine weitere galvanisch getrennte Schnittstelle 16 der Primärseite I zur Auswertung zu. In einer digitalen Ausgestaltung empfängt primärseitig ein Analog-Digital-Wandler das modulierte Messsignal und wandelt es in ein digitales Messsignal um, welches der erste MikroController 1 1 auswertet. Eine zumindest teilweise analoge Messsignalverarbeitung ist jedoch ebenfalls möglich.
Die primärseitige Elektronikeinheit 8 wertet das Messsignal in Bezug auf die
Frequenz aus, um den Bedecktzustand der schwingfähigen Einheit 2 zu bestimmen. Hierzu ist beispielsweise ein Grenzwert für die Frequenz hinterlegt, dessen
Unterschreiten dem Bedeckt-Zustand und dessen Überschreiten dem Frei-Zustand zugeordnet ist. Durch Vergleich der gemessenen Frequenz mit der hinterlegten
Frequenz ist dementsprechend erkennbar, ob der zu überwachende Grenzfüllstand erreicht ist oder nicht. Die primärseitige Elektronikeinheit 8 erzeugt ein vom Füllstand abhängiges Ausgangssignal, beispielsweise in Form eines 4...20 mA-Signals.
Dieses Ausgangssignal ist einer Prozessüberwachungseinheit in einer Leitwarte oder nachfolgenden Prozessgeräten zuführbar.
Neben der Prozessgröße ermittelt die primärseitige Elektronikeinheit 8
erfindungsgemäß eine weitere Information aus dem modulierten Messsignal. Die Modulationseinheit 14 kann das Messsignal auch auf verschiedene Arten modulieren, sodass verschiedene Informationen hintereinander über das modulierte Messsignal an die Primärseite I übertragbar sind. Die Modulation kann hierbei ständig oder in bestimmten Intervallen, vorzugsweise in periodischen Abständen, erfolgen. Beispiele für Informationen, welche für die Primärseite I relevant sein können und über das modulierte Messsignal übertragbar sind, werden im Folgenden angegeben.
Die primärseitige Elektronikeinheit 8 ermittelt an Hand der Frequenz des
übertragenen modulierten Messsignals den Füllstand. Die aufmodulierte Information kann nun beispielsweise weiterhin eine weitere Schwingungseigenschaft der schwingfähigen Einheit wie die Amplitude oder die Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal wiedergeben. Hieraus ist eine Information über Dichte und/oder Viskosität des Mediums ableitbar. An Hand einer verminderten Amplitude bei der mit einer frei schwingenden schwingfähigen Einheit 2
einhergehenden Frequenz ist Ansatz an der schwingfähigen Einheit 2 detektierbar. In dem Schwingkreis ist ein von dem zweiten Mikrocontroller 12 steuerbarer Schalter 6 vorhanden. Zur Ausgabe des Steuersignals für den Schalter 6 besitzt der zweite Mikrocontroller 12 einen Steuerausgang P1 . Die Verbindung des Steuerausgangs P1 mit dem Schalter 6 ist über die gestrichelt dargestellte Linie angedeutet. Mittels des Schalters 6 ist an Stelle der mechanisch schwingfähigen Einheit 2 ein RC-Glied in den Schwingkreis einbringbar. Das bei eingebrachtem RC-Glied empfangene
Empfangssignal weist keine prozessgrößenspezifischen Anteile mehr auf. Die Schwingung erfolgt in diesem Fall entsprechend auch nicht mit der
Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 2, sondern mit einer von den
Komponenten der sekundärseitigen Elektronikeinheit 9 vorgegebenen
Abrissfrequenz. In diesem Zustand führt der zweite Mikrocontroller 12 eine Diagnose der elektronischen Komponenten des Schwingkreises durch. Vorzugsweise führt der zweite Mikrocontroller 12 in regelmäßigen Abständen Diagnosen durch. Die Abrissfrequenz kann nicht nur während des Diagnosezustands vorliegen, sondern auch im Messbetrieb, wenn die Dämpfung der Schwingungen der schwingfähigen Einheit 2 beispielsweise auf Grund von Ansatz oder hoher Viskosität so groß ist, dass die schwingfähige Einheit 2 keine mechanischen Schwingungen mehr ausführt. Auch wenn ein Kabelbruch vorliegt und die schwingfähige Einheit 2 deswegen nicht mehr zu Schwingungen anregbar ist, schwingt der Schwingkreis mit der Abrissfrequenz. Wertet die Primärseite I die Frequenz des übertragenen
Messsignals aus und detektiert die Abrissfrequenz, so erzeugt sie ein Alarmsignal oder ein dem sicheren Zustand entsprechendes Ausgangssignal. Der sichere
Zustand ist beispielsweise im Fall eines Grenzstandschalters zur Überfüllsicherung, d.h. zur Detektion des Erreichens eines maximalen Füllstands, der Bedeckt-Zustand.
Damit die Sekundärseite II unabhängig von Kommandos der Primärseite I Diagnosen durchführen kann und auf der Primärseite I dennoch bekannt ist, dass eine Diagnose durchgeführt wird und die gemessene Frequenz des Messsignals keine
Schwingfrequenz bei angeregter schwingfähiger Einheit 2 darstellt, übermittelt die Sekundärseite II der Primärseite I diese Information. Hierzu steuert der zweite Mikrocontroller 12 die Modulationseinheit 14 derart, dass diese 14 immer dann, wenn eine Diagnose durchgeführt wird, die Frequenz des anliegenden Messsignals oder das Impuls-Pausen-Verhältnis verändert. Bei einer Frequenzmodulation führt dies insbesondere zu einer Frequenzverschiebung der Abrissfrequenz, mit welcher der Schwingkreis im Diagnosezustand schwingt. Detektiert die primärseitige
Elektronikeinheit 8 die entsprechend verschobene Frequenz bzw. das veränderte Impuls-Pausen-Verhältnis, wertet sie das übertragene modulierte Messsignal nicht in Hinblick auf die Prozessgröße aus oder erzeugt zumindest kein entsprechendes Ausgangssignal, sondern behält das vor der Diagnose erzeugte Ausgangssignal bei. Hierdurch wird verhindert, dass die Primärseite I auf Grund der Detektion der Abrissfrequenz einen Fehlalarm erzeugt. Da die Sekundärseite II selbstständig die Diagnose startet, ist keine Übertragung eines die Diagnose startenden Signals von der Primärseite I zur Sekundärseite II erforderlich, sodass die Schnittstelle 15 hierfür nicht aktiviert werden muss. Dies spart Energie.
Konkret im Fall eines Grenzstandschalters zur Überwachung eines maximalen Füllstands, d.h. in Maximum-Konfiguration, existieren für die Frequenz dann vier verschiedene Bereiche: ein erster Bereich, welcher mit einer unbedeckten
Sensoreinheit 2 einhergeht und einen Normalzustand des Messgeräts 1 beschreibt; ein zweiter Bereich, welcher mit einer bedeckten Sensoreinheit 2 einhergeht und zur Änderung des Ausgangssignals des Messgeräts 1 führt, da der zu überwachende Grenzfüllstand erreicht ist; ein dritter Bereich, welcher außerhalb des ersten und zweiten Bereichs liegt und zumindest eine Abrissfrequenz umfasst, welche zusammen mit einem Fehler auftritt und zur Ausgabe eines Alarmsignals führt; und ein vierter Bereich, welcher durch Modulation des Messsignals erreicht wird und zumindest eine Frequenz umfasst, die beispielsweise ein Vielfaches der
Abrissfrequenz darstellt und den Diagnosezustand anzeigt.
In der bislang noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung mit dem
Aktenzeichen DE 102010039585.4 ist ein Verfahren zur Kompensation von
Kopplungseffekten in den piezoelektrischen Elementen der Wandlereinheit eines vibronischen Messgeräts beschrieben, welches es erlaubt, auch in hochviskosen Medien die Anregung bei der Resonanzfrequenz aufrechtzuerhalten. Ob aktuell eine Kompensation durchgeführt wird oder nicht stellt ebenfalls eine Information dar, welche auf das Messsignal aufmodulierbar ist. Weitere Informationen, die mit dem Messsignal an die Primärseite I übertragbar sind, sind Informationen bezüglich der Konfiguration des Messgeräts 1 . Derartige
Informationen übergibt die primärseitige Elektronikeinheit 8 der sekundärseitigen Elektronikeinheit 9 in der Regel bei der Inbetriebnahme des Messgeräts 1 . Indem diese Informationen nun aus der sekundärseitigen Elektronikeinheit 9 ausgelesen und an die Primärseite I übermittelt werden ist eine Kontrollmöglichkeit gegeben, ob eine Fehlkonfiguration vorliegt. Die Fehlkonfiguration kann hierbei von Anfang an oder während des Betriebs des Messgeräts 1 auftreten, sodass der Erhalt einer Information über die aktuelle Konfiguration nicht nur unmittelbar nach der
Inbetriebnahme des Messgeräts 1 , sondern auch im laufenden Betrieb des
Messgeräts 1 sinnvoll ist.
Eine weitere aufmodulierbare Information besteht in dem Energiebedarf der Antriebs- /Empfangseinheit 3. Insbesondere bestimmt die Sekundärseite II den Strom, welcher zur Anregung der schwingfähigen Einheit 2 zu resonanten Schwingungen über den Schwingkreis erforderlich ist und überträgt den Stromwert über die Modulation an die Primärseite I. Der primärseitige Mikrocontroller 1 1 ermittelt aus dieser Information die Güte des Schwingkreises bzw. die Güte von Antriebs-/Empfangseinheit 3 und schwingfähiger Einheit 2. Eine verminderte Güte liegt beispielsweise bei
Ansatzbildung an der schwingfähigen Einheit 2 vor und geht mit einer verminderten Messgenauigkeit einher. In manchen Fällen, insbesondere bei der Überwachung einer Prozessgröße durch Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzwert, ist sogar eine falsche Aussage über die Prozessgröße möglich. Durch die Auswertung der Information über den Energiebedarf kann eine solche falsche Aussage vermieden werden.
Die Modulationseinheit 14 kann auch derart ausgestaltet und die Modulation von dem zweiten Mikrocontroller 12 derart gesteuert sein, dass verschiedene
Informationen über verschiedene Puls-Pausen-Verhältnisse oder verschiedene Frequenzen auf das Messsignal aufmoduliert werden. Es ist ebenfalls möglich, verschiedene Informationen durch das gleiche Puls-Pausen-Verhältnis zu übertragen, indem ein Startsignal für die Datenübertragung und eine feste Abfolge der
Informationen vorgegeben wird. Bezugszeichenliste
1 Messgerät
2 Schwingfähige Einheit
3 Antriebs-/Empfangseinheit
4 Behälter
5 Medium
6 Schalter
7 Verarbeitungseinheit
8 Primärseitige Elektronikeinheit
9 Sekundärseitige Elektronikeinheit
10 RC-Glied
1 1 Erster MikroController
12 Zweiter MikroController
13 Spannungsquelle
14 Modulationseinheit
15 Schnittstelle
16 Schnittstelle
P1 Schaltausgang
I Primärseite
II Sekundärseite

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einer Rohrleitung oder einem Behälter (5), mit einer Primärseite (I) und mit einer Sekundärseite (II), welche voneinander galvanisch getrennt sind, wobei die Sekundärseite (II) ein für die
Prozessgröße sensitives Sensorelement (2) und eine sekundärseitige
Elektronikeinheit (9) aufweist und ein die Prozessgröße repräsentierendes Messsignal bereitstellt, und wobei die Primärseite (I) eine primärseitige
Elektronikeinheit (8) zur Auswertung des Messsignals und zur Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die sekundärseitige Elektronikeinheit (9) eine Modulationseinheit (14) aufweist, welche ein moduliertes Messsignal erzeugt, indem sie zumindest zeitweise auf das die Prozessgröße repräsentierende Messsignal mindestens eine weitere Information aufmoduliert,
und
dass die sekundärseitige Elektronikeinheit (9) das modulierte Messsignal über eine galvanisch getrennte Schnittstelle an die Primärseite (I) überträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Modulationseinheit (14) dazu ausgestaltet ist, eine
Frequenzmodulation oder eine Pulsweitenmodulation durchzuführen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine weitere Information eine Information über eine Konfiguration des Sensorelements (2) oder der sekundärseitigen
Elektronikeinheit (9), eine Information zur Bestimmung oder Überwachung einer weiteren Prozessgröße, oder eine Information über einen aktuellen Betriebszustand der Sekundärseite (II) betrifft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sekundärseite (II) über den aktuellen Betriebszustand anzeigt, ob sich die sekundarseitige Elektronikeinheit (9) im Messbetrieb zur Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße oder in einem Diagnosezustand befindet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die primärseitige Elektronikeinheit (8) an Hand der Frequenz des modulierten Messsignals einen aktuellen Wert der Prozessgröße bestimmt und an Hand der Pulsweite des modulierten Messsignals die weitere
Information erfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die primärseitige Elektronikeinheit (8) an Hand der Frequenz des modulierten Messsignals einen aktuellen Wert der Prozessgröße bestimmt und die weitere Information erfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Vorrichtung (1 ) um ein vibronisches Messgerät handelt, welches eine mechanisch schwingfähige Einheit (2) und eine Antriebs- /Empfangseinheit (3) aufweist, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (3) die mechanisch schwingfähige Einheit (2) mittels eines Sendesignals zu mechanischen Schwingungen anregt und Schwingungen von dieser empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal wandelt,
und
dass das modulierte Messsignal die Information über zumindest eine
Schwingungseigenschaft trägt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Information die Ausgestaltung der Antriebs-/Empfangseinheit (3) oder die Ausgestaltung der Vorrichtung (1 ) als Grenzstandschalter für einen minimalen oder einen maximalen Grenzstand oder eine
Schwingungseigenschaft oder eine Größe zur Beurteilung der Güte der schwingfähigen Einheit (2) und Antriebs-/Empfangseinheit (3) betrifft.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Messsignal die Frequenz der Schwingungen trägt und
dass die weitere Information die Amplitude, die Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal, oder ein Energiebedarf, insbesondere ein Strombedarf, der Antriebs-/Empfangseinheit (3) ist.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte und/oder die Viskosität des Mediums (4) handelt.
PCT/EP2012/073320 2011-12-13 2012-11-22 VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG MINDESTENS EINER PROZESSGRÖßE WO2013087389A1 (de)

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