DE102006054421A1

DE102006054421A1 - Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung

Info

Publication number: DE102006054421A1
Application number: DE200610054421
Authority: DE
Inventors: Michael Philipps
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-05-21
Also published as: CN101583849B; CN101583849A

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung (1) mit zumindest einem Sensor (2) zum Erfassen wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße (P) und mit zumindest einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung (3), welcher zumindest eine Sensoreinheit (4), die aus der vom Sensor (2) erfassten Prozessgröße (P) eine Messgröße (M) ermittelt und den Sensor (2) mit der notwendigen Energie versorgt, und zumindest einer anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) zur Ermittlung eines Messwerts (MW) aus der Messgröße (M) umfasst, wobei zwischen der Sensoreinheit (4) und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) ein konditioniertes Ausgangssignal (AS) vorgesehen ist, wobei die anwendungsspezifische Signalverarbeitungseinheit (5) austauschbar ausgestaltet ist und wobei, in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Messgenauigkeit, mit der die Vorrichtung (1) den Messwert (MW) ermittelt, mehrere unterschiedliche Arten (5a, 5b, 5c) von anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheiten (5) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der industriellen Messtechnik, insb. in der Automatisierungs- und Prozesssteuerungstechnik, werden regelmäßig Vorrichtungen eingesetzt, die im Prozessablauf mittels Sensoren Prozessvariablen messen oder mittels Aktoren Regelgrößen steuern. Die entsprechenden Vorrichtungen ermitteln beispielsweise den Druck, den Durchfluss, den Füllstand, die Dielektrizitätskonstante, die Grenzschicht, die Temperatur oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße als eine Prozessvariable in einem Prozessablauf. Von der Anmelderin werden beispielsweise solche Vorrichtungen als Feldgeräte unter dem Namen Cerabar, Deltabar, Deltapilot, Promass, Levelflex, Micropilot, Prosonic, Soliphant, Liquiphant, Easytemp produziert und vertrieben, die vorwiegend dazu bestimmt sind, zumindest eine der oben bezeichneten Prozessvariablen eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen.
Eine Gemeinsamkeit aller der oben erwähnten Vorrichtungen bzw. Feldgeräte ist, dass aus den durch die Sensoren ermittelten Prozessgrößen mittels einer nachgeschalteten Elektronik ein Messwert ermittelt und auswertet wird. Diese Elektronik ist meist auf die entsprechenden Messanforderungen und zu messende Prozessgröße so angepasst, dass für jedes Sensorprinzip, für jede zu messende Prozessgröße und für jede Messperformance eine eigenständige Elektronik entwickelt werden muss. Die Messelektronik ist meist als ASIC-Schaltung (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung) ausgestaltet, die oft in großen Stückzahlen hergestellt wird. Deshalb ist es für viele Hersteller solcher Feldgeräte kostengünstiger, unterschiedliche Feldgeräte mit unterschiedlichen Messgenauigkeitsstandards mit einer einheitlichen Elektronik mit einer maximalen Messperformance auszustatten. Die einzelnen Funktionalitäten können z.B. per Software aktiviert oder deaktiviert werden.
Nachteilig an diesen unterschiedlichen Elektroniken ist, dass sich die Kosten für die Elektronik nicht proportional zu der geforderten Messperformance verhalten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung aufzuzeigen, dessen Messperformance und Funktionalität sich entsprechend den Anforderungen einfach anpassen lässt und das kostengünstig umzusetzen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit zumindest einem Sensor zum Erfassen wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße und mit zumindest einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung, welcher zumindest eine Sensoreinheit, die aus der vom Sensor erfassten Prozessgröße eine elektrische Messgröße ermittelt und den Sensor mit der notwendigen Energie versorgt, und zumindest einer anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung eines Messwerts aus der elektrische Messgröße, umfasst, wobei die Übertragung eines konditioniertes Ausgangssignals zwischen der Sensoreinheit und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit vorgesehen ist, wobei die anwendungsspezifische Signalverarbeitungseinheit austauschbar ausgestaltet ist, und wobei in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Messgenauigkeit des Messwerte zumindest eine von mehreren unterschiedlichen Arten von anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheiten einsetzbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Signalverarbeitungseinheit eine Regel-/Auswerteeinheit nachgeschaltet ist, die zur Auswertung und Weiterverarbeitung des Messwerts, sowie zur Steuerung und Regelung der Vorrichtung vorgesehen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass eine erste Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit für Anwendungen mit einer niedrigen Anforderung an die Messgenauigkeit vorgesehen ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine zweite Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit für Anwendungen mit einer mittleren Anforderung an die Messgenauigkeit vor.
In einer ergänzenden, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine dritte Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit für Anwendungen mit einer hohen Anforderung an die Messgenauigkeit vorgesehen.
Bei einer weiteren bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird davon ausgegangen, dass die erste Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit zumindest eine Tiefpass-Schaltung umfasst.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung sieht vor, dass die Tiefpass-Schaltung einen zur elektrischen Messgröße proportionalen Messwert als ein analoges Stromsignal oder eine analoges Spannungssignal bereitstellt.
Eine ergänzende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt, dass die zweite Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit zumindest eine Zähler-Schaltung umfasst.
Bei einer weiterführenden bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die dritte Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit zumindest eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung.
Weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorrichtung berücksichtigen, dass die Zähler-Schaltung und/oder die Analog-Digital-Wandler-Schaltung einen zur elektrischen Messgröße proportionalen Messwert als ein Digitalsignal bereitstellen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit fest in der Messwandlerschaltung integriert.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht dazu vor, dass in der Messwandlerschaltung zumindest ein Steckplatz zum modularen Austauschen der unterschiedlichen Arten von der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit vorgesehen ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Schaltelement an dem Steckplatz vorgesehen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschäftigt sich mit dem Fall, dass eine Überprüfungseinheit vorgesehen ist, die eine Plausibilitätsüberprüfung oder Validierung der von der in den Steckplatz eingebrachten zweiten Art oder dritten Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit ermittelten Messwerte mit den durch die fest in der Messwandlerschaltung integrierten ersten Art der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit ermittelten Messwerte ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass zumindest eine leitungsgebundene Verbindung zur Übermittlung des einheitlich modulierten Ausgangssignals zwischen der Sensoreinheit und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit vorgesehen ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass zumindest ein Trennelement zur galvanischen Trennung der leitungsgebundenen Verbindung vorgesehen ist.
Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass eine drahtlose Verbindung zur Übermittlung des einheitlich modulierten Ausgangssignals zwischen der einheitliche Sensoreinheit und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit vorgesehen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gemeinsame Taktleitung oder eine Präambel im einheitlich modulierten Ausgangssignal zur Synchronisation, z.B. der Taktfrequenz, der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit und der Sensoreinheit vorgesehen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht insbesondere vor, dass Einstellungsparameter zur Versorgung der unterschiedlichen Arten von Sensoren und/oder zur Auswertung der elektrischen Messgröße der unterschiedlichen Arten von Sensoren in der Sensoreinheit abgelegt sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Sensoreinheit eine Automationsroutine zur Einstellung der ermittelten Art des angeschlossenen Sensors entsprechenden Einstellungsparameter vorgesehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Parametrierungseinheit vor, die Daten zumindest zur Einstellung der Einstellungsparameter und/oder Daten zur Einstellung der Konditionierung des einheitlich konditionierten Ausgangssignals an die Sensoreinheit übermittelt.
Bei einer weiteren bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird davon ausgegangen, dass als einheitlich konditioniertes Ausgangssignal ein pulsweitenmoduliertes Signal vorgesehen ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung sehen vor, dass als einheitlich konditioniertes Ausgangssignal ein frequenzmoduliertes Signal vorgesehen ist.
Eine ergänzende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt, dass als einheitlich konditioniertes Ausgangssignal ein pulsphasenmoduliertes Signal vorgesehen ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung berücksichtigen, dass die Sensoren als Heißleiter, Kaltleiter, Halbleiter-Temperatursensor, Thermoelement, Pyroelektrischer Temperatursensor, Curie-Effekt-Temperatursensor und/oder faseroptische Temperatursensor zur Ermittlung einer Temperatur als elektrische Messgröße der Prozessgröße ausgestaltet sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Sensoren, die nach einem kapazitiven oder piezoresistiven Wirkprinzip die Prozessgröße Druck in eine proportionale elektrische Messgröße umwandeln, zur Ermittlung eines Druckes als elektrische Messgröße der Prozessgröße vorgesehen.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht dazu vor, dass Sensoren, die nach einem kapazitivem, konduktivem, piezoelektrischen Messprinzip oder Laufzeit-Messprinzip arbeiten, zur Ermittlung eines Füllstands oder eines Grenzstands in einem Behälter als elektrische Messgröße der Prozessgröße vorgesehen sind.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschäftigt sich mit dem Fall, dass Sensoren, die nach einem magnetisch-induktivem Messprinzip, Coriolis-, Wirbelstromzähl- oder Laufzeit-Messprinzip arbeiten, zur Ermittlung eines Durchflusses als elektrische Messgröße der Prozessgröße vorgesehen sind.
Die vorgenannten sowie beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die Bauteile oder die Bauteilgruppen, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung,
2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung,
3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung,
4: ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung,
5: ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung,
6: ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung, und
7: ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung.
Die Erfindung ist, eine Messwandlerschaltung 3 mit Komponenten, wie z.B. einer vereinheitlichten Sensoreinheit 4, eine Regel-/Auswerteeinheit 11, einer Energieversorgungseinheit und einer Kommunikationsschnittstelle 22 entsprechend vorkonfektioniert auszustatten und je nach Messperformance bzw. gewünschter Messgenauigkeit des Messwerts MW der Prozessgröße P zumindest eine erste Art 5a, eine zweite Art 5b und/oder eine dritte Art 5c der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 modular einzusetzen. Die erfindungsgemäße modular aufgebaute Messwandlerschaltung 3 ist beispielsweise, wie in 1 gezeigt, in einem Messumformer 23 integriert. Andererseits ist es möglich, dass die Messwandlerschaltung 3 mit dem Sensor 2 direkt, ohne Integration in einem Messumformer 23, in einem Gerät oder einer Anlage eingebaut ist. Diese erfindungsgemäße Messwandlerschaltung 3 wandelt die elektrische Messgrößen M von angeschlossenen Sensoren 2 in einen durch ein proportionales, analoges oder digitales Messsignal abbildenden Messwert M um. Ein Sensor 2 bzw. Messfühler ist ein technisches Element, welches bestimmte physikalische oder chemische Prozessgrößen, wie z. B. den Füllstand, Durchfluss, Druck, den pH-Wert, die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Leitfähigkeit, in einem begrenzten Umgebung qualitativ oder als elektrische Messgröße M quantitativ ermittelt. Diese Prozessgrößen P werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte von den Sensoren 2 erfasst und in eine proportionale, weiterverarbeitbare, elektrische Messgröße M umgeformt. Die Signalverarbeitungseinheit 5 beinhaltet beispielsweise auch eine Signalaufbereitungseinheit, die das ermittelte Messsignal entsprechend linearisiert, verstärkt, skaliert und/oder kalibriert.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem Messumformer 23 und einem Sensor 2 aufgezeigt. Die Vorrichtung 1 wird allgemein auch als Feldgerät oder Sensorsystem bezeichnet. In dem Messumformer 23 ist einen modular aufgebaute Messwandlerschaltung 3 vorgesehen, die zumindest aus einer einheitlichen Sensoreinheit 4 und einer ersten Art 5a der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 aufgebaut ist. Die erste Art 5a der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 ist für Anwendungen mit einer niedrigen Anforderung an die Messgenauigkeit der mit der Vorrichtung 1 ermittelten Messwerte MW der Prozessgröße P vorgesehen. Unter dem Begriff der Messgenauigkeit ist in der Messtechnik der Grad der Übereinstimmung zwischen dem ermittelten Messwert MW und dem absoluten Istwert des Messwert MW zu verstehen, die Differenz der beiden Werte bezeichnet man als absoluten Fehler. Gegebenenfalls ist, wie in 1 dargestellt, eine Regel-/Auswerteeinheit 11 und eine Kommunikationsschnittstelle 22 in dem Messumformer 23 integriert. An dem Messumformer 23 ist zumindest ein Sensor 2 angeschlossen, der eine Prozessgröße P in einem Prozess ermittelt. Die Prozessgrößen P in einem Prozess sind hier beispielsweise prozessabhängige, physikalische Größen, wie z.B. den Druck, den Füllstand, den Durchfluss, die Temperatur, und mediumsabhängige, physikalische Größen, wie z.B. die Dichte, die Leitfähigkeit des Mediums. Diese vom Sensor 2 erfasste Prozessgröße P wird von der Sensoreinheit 4 erfasst und anhand der durch die vorliegenden Einstellungsparametem E eingestellten Sensoreinheit 4 in eine elektrische Messgröße M umgesetzt. In den Einstellungsparametern E wird der Sensoreinheit 4 vorgegeben, wie die Prozessgröße P des Sensors 2 zu erfassen und in ein der elektrischen Messgröße M entsprechendes moduliertes Ausgangssignal AS umzusetzen ist. Die Sensoreinheit 4 ist so ausgebildet, dass jede elektrische Messgröße M als ein entsprechendes konditioniertes moduliertes Ausgangssignal AS an die anwendungsspezifische Auswerteeinheit 5 übermittelt wird. Die Sensoreinheit 4 ist über die Einstellungsparameter E so eingestellt, dass je nach Höhe der ermittelten elektrische Messgröße M ein diesem proportionales moduliertes Ausgangssignal AS über einen leitungsgebundene Verbindung 14 übermittelt wird. Als konditioniertes, moduliertes Ausgangssignal AS kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes, frequenzmoduliertes, pulsphasenmoduliertes Stromsignal oder Spannungssignal eingesetzt werden. Die in 1 dargestellte erste Art 5a der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 ist beispielsweise im einfachsten Fall als ein Tiefpass 6 ausgestaltet, der aus dem übermittelten modulierten Ausgangssignals AS, z.B. einem pulsweitenmodulieten Signal, einen entsprechenden, gemittelten, gleichförmigen Strom- oder Spannungswert ermittelt. Dieser Tiefpass 6 ist als ein Modul ausgestaltet, das sich über einen Steckplatz 12 in der Messwandlerschaltung 3 integrieren lässt.
Ein Signalumsetzter 9 wandelt das von dem Tiefpass 6 geglättete, gemittelte Ausgangssignal AS in ein entsprechendes analoges Stromsignal AI oder ein analoges Spannungssignal AU um und/oder passt die Größenzuordnung des geglätteten, gemittelten Ausgangssignals AS dem analogen Stromsignal AI bzw. Spannungssignal AU an. Dieser Signalumsetzer 9 ist beispielsweise in der Regel-/Auswerteeinheit 11 integriert, jedoch lässt sich dieser Signalumsetzer 9 auch in dem Modul der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 der ersten Art 5a integrieren.
Die analogen Stromsignale AI bzw. Spannungssignale AU werden dann entweder direkt oder über eine Kommunikationsschnittstelle 22 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 an weitere Elektronikeinheiten im OEM-Bereich (Original Equipment Manufacturer), weitere Feldgeräte oder eine Leitstelle ausgegeben. Unter dem Begriff des OEM-Produzenten versteht man einen Hersteller, der selbst produzierte Teilprodukte und/oder Produkte für andere Anbieter herstellt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung 3 und einem Sensor 2 aufgezeigt. Die modular aufgebaute Messwandlerschaltung 3 ist zumindest aus einer einheitlichen Sensoreinheit 4 und einer zweiten Art 5b der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 für eine Anwendung mit einer mittleren Anforderung an die Messgenauigkeit aufgebaut. Diese zweite Art 5b der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 ist beispielsweise als eine Zählerschaltung 7 ausgebildet, die das konditionierte Ausgangssignal AS entsprechend abtastet. Die Zählerschaltung 7 ist beispielsweise als ein Mikrokontroller zur Signalverarbeitung ausgestaltet. Die Zählerschaltung 7 tastet das modulierte Ausgangssignal AS mittels Abtastimpulsen ab und ermittelt daraus einen der elektrische Messgröße M und der Prozessgröße P entsprechenden Wert. Zur Synchronisation der Erzeugung des entsprechend modulierten Ausgangssignal AS in der Sensoreinheit 4, die als Signalkonditionierer ausgebildet ist, und zur Auswertung dieser entsprechend modulierten Ausgangssignale ist ein gleicher Takt notwendig. Hierzu ist beispielsweise in der Signalverarbeitungseinheit 5 ein Taktgeber 10 integriert, der über eine Taktleitung 13 die Sensoreinheit 4 und die Signalverarbeitungseinheit 5 mit dem gleichen Taktsignal versorgt. Der aus dem abgetasteten Ausgangssignal AS ermittelte, digitalisierte Wert wird an eine Regel-/Auswerteeinheit 11 weitergegeben, die daraus mittels weiterer Signalverarbeitung und Auswertungsalgorithmen einen Messwert MW generiert. Dieser Messwert MW der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird über eine Kommunikationsschnittstelle 22 als Digitalsignal DS auf dem Feldbus an weitere Elektronikeinheiten, Feldgeräte oder eine Leitstelle gesendet.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung 3 und einem Sensor 2 aufgezeigt. Die modular aufgebaute Messwandlerschaltung 3 ist zumindest aus einer einheitlichen Sensoreinheit 4 und einer dritten Art 5c der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 für eine Anwendung mit einer hohen Anforderung an die Messgenauigkeit aufgebaut. Hierzu wurde in den Steckplatz 12 eine Analog-Digital-Wandlerschaltung 8 eingesetzt, die es ermöglicht schnell und hochgenau, aus einer in dem einheitlich, modulierten Ausgangssignal AS umgesetzten elektrische Messgröße M einen exakten Messwert MW der Prozessgröße P zu ermitteln. Es gibt eine Vielzahl von Analog-Digital-Wandlerschaltungen 8, die alle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 als eine dritten Art 5c der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 in der modular aufgebauten Messwandlerschaltung 3 eingesetzt werden können. Eine in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbare A/D Wandlerschaltung ist beispielsweise in EP 0 237 583 B1 beschrieben.
In der Prozessmesstechnik ist z.T. eine galvanische Trennung vorgeschrieben, da der Prozessraum oder die mit dem Prozess in Berührung stehenden Elemente aufgrund der Anforderungen des Explosionsschutzes auf einem Erdpotential gelegt werden müssen. Die Bezugsmassen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 bzw. der Feldgeräte weichen jedoch meist von dem Erdpotential ab. Die Differenz der beiden Potentiale resultiert in einer Spannung, die zwischen den geerdeten Prozesselementen und der Vorrichtung 1 anliegt, wodurch ein Strom verursacht wird. Dieser Strom hat den Nachteil, dass die Leitungen der Bezugsmasse durch den Stromfluss zusätzlich beansprucht werden. Dies kann dazu führen, dass Energie gespeichert wird, so dass die Zündschutzart „Eigensicherheit" des Feldgerätes bzw. der Vorrichtung 1 nicht mehr gewährleistet ist. In der 4 und der 5 sind hierzu zwei Beispiele zur galvanischen Trennung der Kommunikationsverbindung zwischen der Sensoreinheit 4 und der Signalverarbeitungseinheit 5 aufgezeigt.
In 4 ist viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung 3 aufgezeigt, bei dem die Kommunikation der elektrische Messgröße M und der Daten D zwischen der Sensoreinheit 4 und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 ausschließlich über eine drahtlose Verbindung 15 erfolgt. Als anwendungsspezifische Signalverarbeitungseinheit 5 ist in den Ausführungsbeispielen der 4 und 5 eine spezielle Analog-Digital-Wandlerschaltung 8 angegeben, die eine schnelle und hochgenaue Ermittlung des Messwerts aus der Prozessgröße ermöglicht. Der Aufbau und die Funktionsweise dieser speziellen Analog-Digital-Wandlerschaltung 8 ist beispielsweise der EP 0 237 583 B1 zu entnehmen und wird hier nicht weiter ausführlich diskutiert. Diese drahtlose Verbindung 15 ist vor allen Dingen, dann von Vorteil, falls die Energieversorgung und die Kommunikation zwischen Sensoreinheit 4 und Signalverarbeitungseinheit 5 ausschließlich mittels einer RFID-Transpondertechnik erfolgt. Dabei fungiert die Sensoreinheit 4 mit dem Sensor 2 als Transponder der von der Signalverarbeitungseinheit 5 als ein Lesegerät ausgelesen werden kann. Die Datenübertragung zwischen dem Transponder und Lesegerät findet im Normalfall mittels elektromagnetischer Wellen statt. Bei niedrigen Frequenzen wird dies durch eine induktive Nahfeldkopplung und bei höheren Frequenzen durch ein elektromagnetisches Fernfeldkopplung erreicht. In der Sensoreinheit 4 und der Signalverarbeitungseinheit 5 sind als drahtlose Kommunikationselemente ein Sende-/Empfangseinheit 17 und ein Sendelement 18, z.B. als Antenne oder Spule, integriert. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders bei Sensoren 2 interessant, die selbst kaum oder wenig Energie verbrauchen. Außerdem ist in aktiven RFID-Transpondern meist ein kleiner aufladbarer Energiespeicher integriert. Die Synchronisation der Taktung in der Sensoreinheit 4 und der Signalverarbeitungseinheit 5 erfolgt in dieser Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass zu Beginn des Abrufs der elektrischen Messgröße M von der Sensoreinheit 4 durch die Signalverarbeitungseinheit 5 benötigte Energie, z.B. eventuell zum Aufladen der Energiespeichereinheit, und das Taktsignal an die Sensoreinheit 4 übertragen wird. In diesem Fall können mehrere Sensoren 2 an einer Signalverarbeitungseinheit 5 betrieben werden. Zur Unterscheidung der verschieden Sensoren 2 muss hierzu eine Kennung, z.B. in den Einstellungsparametem E der Sensoreinheit 4, hinterlegt werden. Die Einspeisung der Daten D, z.B. der Einstellungsparameter E in die Sensoreinheit 4 und/oder zur Einstellung der Konditionierung des einheitlich konditionierten Ausgangssignals AS, erfolgt über eine Parametrisierungseinheit 19 die beispielsweise der Regel-/Auswerteinheit 11 zugeordnet ist. Wenn die Parametrisierungseinheit 19 Daten D an die Sensoreinheit 4 übermittel möchte, signalisiert die Parametrisierungseinheit 19 die Sendebereitschaft an die Sensoreinheit 4 indem ein Signalisierungssignal mittels der Sendeempfangseinheiten 17 und der Sendeelemente 18 über die drahtlose Verbindung 15 an die Sensoreinheit 4 übermittelt wird. Nach dem Signalisierungssignal schaltet die Sensoreinheit 4 in einen Empfangsmodus um, indem die Einstellungsparameter E von der Parametrisierungseinheit 19 übertragen werden und die Übertragung der elektrischen Messgröße M als konditioniertes Ausgangssignal AS für die Zeit der Übertragung angehalten wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur galvanischen Trennung zwischen der Sensoreinheit 4 und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 ist in 5 aufgezeigt, bei dem die Kommunikation der elektrischen Messgröße M und der Daten D über eine leitungsgebundene Verbindung 14 mit Trennelementen 16 zur galvanischen Trennung erfolgt. Ausführungsbeispiele für solche galvanischen Trennelemente 16 sind Optokoppler, Übertrager oder Kopplerstrukturen zur elektromagnetischen Kopplung eines hochfrequenten Übertragungssignals. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Taktgeber 10 fest im Aufbau der Messwandlerschaltung 3 und/oder des Messumformers 23 integriert.
In 6 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung 3 und einem Sensor 2 aufgezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Signalverarbeitungseinheit 5 der ersten Art 5a mit einer niedrigen Anforderung an die Messgenauigkeit fest in der Messwandlerschaltung 3 und/oder im Messumformer 23 integriert. Wird hingegen eine höhere Anforderung an Messgenauigkeit mit der Messwert MW der Prozessgröße P ermittelt wird erforderlich, so kann in den Steckplatz eine Signalverarbeitungseinheit 5 mit einer höheren Messgenauigkeit eingesetzt werden. Wird in den Steckplatz 12 eine weitere Signalverarbeitungseinheit 5, z.B. eine Signalverarbeitungseinheit 5 der dritten Art 5c mit einer Analog-Digital-Wandlerschaltung 8, eingesetzt, so schaltet ein Schaltelement 20 die Verbindungsleitung 14 auf die Signalverarbeitungseinheit 5 in dem Steckplatz 12 um. Das Schaltelement 20 ist dem Steckplatz 12 zugeordnet und wird nur durch das Einfügen einer Signalverarbeitungseinheit 5 der zweiten Art 5b oder der dritten Art 5c in den Steckplatz ausgelöst. In der Standartausführung ist somit keine Signalverarbeitungseinheit 5 in dem Steckplatz 12 integriert. Wird jedoch eine höhere Messperformance benötigt, muss nur der entsprechende Nachrüstsatz als Signalverarbeitungseinheit 5 der zweiten Art 5b oder der dritten Art 5c in den Steckplatz 12 eingesetzt werden.
In 7 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung 3 und einem Sensor 2 aufgezeigt. Zusätzlich zu der fest in der Messwandlerschaltung 3 und/oder fest im Messumformer 23 integrierten ersten Art 5a einer Signalverarbeitungseinheit 5 ist in dem Steckplatz 12 eine weitere Signalverarbeitungseinheit 5 der ersten Art 5a, der zweiten Art 5b oder der dritten Art 5c modular eingesetzt. Die beiden Messwerte MW dieser beiden Signalverarbeitungseinheiten 5 werden in einer Überprüfungseinheit 21, die beispielsweise in der Auswerteeinheit 11 vorgesehen ist, validiert und verifiziert. Die Überprüfungseinheit 21 führt hierzu eine Plausibilitätsüberprüfung oder Validierung der einzelnen Messwerte MW zueinander durch, indem der in den Steckplatz 12 eingebrachten ersten Art 5a, zweiten Art 5b oder dritten Art 5c der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 ermittelten Messwerte MW mit den durch die fest in der Messwandlerschaltung 3 und/oder fest in dem Messumformer 23 integrierten ersten Art 5a der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit 5 ermittelten Messwerte MW ermöglicht. Des Weiteren ist es möglich durch den direkten Vergleich der mittels unterschiedlichen Arten 5a, 5b, 5c der Signalverarbeitungseinheit 5 ermittelten Messwerte MW einer gemeinsamen Prozessgröße P den Messfehler, und/oder Messunsicherheit der gesamten Messung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu verringern und somit die Verfügbarkeit zu erhöhen. Durch dieses Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Ermittlung des Messwerte MW der Prozessgröße P mittels der fest in der Messwandlerschaltung und/oder im Messumformer 23 integrierten ersten Art 5a der Signalverarbeitungseinheit 5 durch den kurzzeitigen Einsatz einer Signalverarbeitungseinheit 5 der zweiten Art 5b oder der dritten Art 5c in den Steckplatz 12 zu überprüfen oder gar zu kalibrieren. Somit können kostengünstiger Feldgeräte bzw. Vorrichtungen 1 mit einer geringeren Anforderung an Messgenauigkeit durch den Einsatz einer Signalverarbeitungseinheit 5 der zweiten Art 5b oder der dritten Art 5c beispielsweise in der Kalibrierungsphase in der Produktion kalibriert und überprüft werden. Diese Funktionalität der Überprüfung des Messwerts MW der Prozessgröße P der fest installierten Signalverarbeitungseinheit 5 ist auch von Nutzen, wenn ein Servicetechniker die Funktionalität und Messgenauigkeit des Feldgeräts bzw. der Vorrichtung 1 zu überprüfen hat.

1: Vorrichtung
2: Sensor
3: Messwandlerschaltung
4: Sensoreinheit; Signalkonditionierer
5: anwendungsspezifische Signalverarbeitungseinheit
5a: erste Art
5b: zweite Art
5c: dritte Art
6: Tiefpass
7: Zähler-Schaltung; Mikrokontroller
8: Analog-Digital-Wandler-Schaltung
9: Signalumsetzer
10: Taktgeber
11: Regel-/Auswerteinheit
12: Steckplatz
13: Taktleitung
14: leitungsgebundene Verbindung
15: drahtlose Verbindung
16: Trennelement
17: Sende-/Empfangseinheit
18: Sendeelement
19: Parametrierungseinheit
20: Schaltelement
21: Überprüfungseinheit
22: Kommunikationsschnittstelle
23: Messumformer
P: Prozessgröße
M: Messgröße
MW: Messwert
D: Daten
AS: konditioniertes Ausgangssignal
AI: Analoges Stromsignal
AU: Analoges Spannungssignal
DS: Digitalsignal
E: Einstellungsparameter

Claims

Vorrichtung (1) mit zumindest einem Sensor (2) zum Erfassen wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Prozessgröße (P) und mit zumindest einer modular aufgebauten Messwandlerschaltung (3), welcher zumindest eine Sensoreinheit (4), die aus der vom Sensor (2) erfassten Prozessgröße (P) eine elektrische Messgröße (M) ermittelt und den Sensor (2) mit der notwendigen Energie versorgt, und zumindest einer anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) zur Ermittlung eines Messwerts (MW) aus der elektrische Messgröße (M), umfasst, – wobei die Übertragung eines konditioniertes Ausgangssignals (AS) zwischen der Sensoreinheit (4) und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) vorgesehen ist, – wobei die anwendungsspezifische Signalverarbeitungseinheit (5) austauschbar ausgestaltet ist, und – wobei in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Messgenauigkeit des Messwerte (MW) zumindest eine von mehreren unterschiedlichen Arten (5a, 5b, 5c) von anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheiten (5) einsetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Signalverarbeitungseinheit (5) eine Regel-/Auswerteeinheit (11) nachgeschaltet ist, die zur Auswertung und Weiterverarbeitung des Messwerts (MW), sowie zur Steuerung und Regelung der Vorrichtung (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine erste Art (5a) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) für Anwendungen mit einer niedrigen Anforderung an die Messgenauigkeit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine zweite Art (5b) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) für Anwendungen mit einer mittleren Anforderung an die Messgenauigkeit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei eine dritte Art (5c) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) für Anwendungen mit einer hohen Anforderung an die Messgenauigkeit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Art (5a) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) zumindest eine Tiefpass-Schaltung (6) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Tiefpass-Schaltung (6) einen zur elektrischen Messgröße (M) proportionalen Messwert (MW) als ein analoges Stromsignal (AI) oder eine analoges Spannungssignal (AU) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Art (5b) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) zumindest eine Zähler-Schaltung (7) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die dritte Art (5c) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) zumindest eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung (8) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Zähler-Schaltung (7) und/oder die Analog-Digital-Wandler-Schaltung (8) einen zur elektrischen Messgröße (M) proportionalen Messwert (MW) als ein Digitalsignal (DS) bereitstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, wobei die erste Art (5a) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) fest in der Messwandlerschaltung (3) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, wobei in der Messwandlerschaltung (3) zumindest ein Steckplatz (12) zum modularen Austauschen der unterschiedlichen Arten (5a, 5b, 5c) von der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei ein Schaltelement (20) an dem Steckplatz (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, wobei eine Überprüfungseinheit (21) vorgesehen ist, die eine Plausibilitätsüberprüfung oder Validierung der von der in den Steckplatz (12) eingebrachten zweiten Art (5b) oder dritten Art (5c) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) ermittelten Messwerte (MW) mit den durch die fest in der Messwandlerschaltung (3) integrierten ersten Art (5a) der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) ermittelten Messwerte (MW) ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine leitungsgebundene Verbindung (14) zur Übermittlung des einheitlich modulierten Ausgangssignals (AS) zwischen der Sensoreinheit (4) und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei zumindest ein Trennelement (16) zur galvanischen Trennung der leitungsgebundenen Verbindung (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine drahtlose Verbindung (15) zur Übermittlung des einheitlich modulierten Ausgangssignals (AS) zwischen der einheitliche Sensoreinheit (4) und der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine gemeinsame Taktleitung (13) oder eine Präambel im einheitlich modulierten Ausgangssignal (AS) zur Synchronisation der anwendungsspezifischen Signalverarbeitungseinheit (5) und der Sensoreinheit (4) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 15 oder 17, wobei Einstellungsparameter (E) zur Versorgung der unterschiedlichen Arten von Sensoren (2) und/oder zur Erzeugung der elektrischen Messgröße (M) der unterschiedlichen Arten von Sensoren (2) in der Sensoreinheit (4) abgelegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 15, 17 oder 19, wobei in der Sensoreinheit (4) eine Automationsroutine zur Einstellung der ermittelten Art des angeschlossenen Sensors (2) entsprechenden Einstellungsparameter (E) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 15, 17, 19 oder 20, wobei eine Parametrierungseinheit (19) vorgesehen ist, die Daten (D) zumindest zur Einstellung der Einstellungsparameter (E) und/oder Daten (D) zur Einstellung der Konditionierung des einheitlich konditionierten Ausgangssignals (AS) an die Sensoreinheit (4) übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 15, 17 oder 18, wobei als einheitlich konditioniertes Ausgangssignal (AS) ein pulsweitenmoduliertes Signal vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 15, 17 oder 18, wobei als einheitlich konditioniertes Ausgangssignal (AS) ein frequenzmoduliertes Signal vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 15, 17 oder 18, wobei als einheitlich konditioniertes Ausgangssignal (AS) ein pulsphasenmoduliertes Signal vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 19 oder 20, wobei die Sensoren (2) als Heißleiter, Kaltleiter, Halbleiter-Temperatursensor, Thermoelement, Pyroelektrischer Temperatursensor, Curie-Effekt-Temperatursensor und/oder faseroptische Temperatursensor zur Ermittlung einer Temperatur als elektrische Messgröße (M) der Prozessgröße (P) ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 19 oder 20, wobei Sensoren (2), die nach einem kapazitiven oder piezoresistiven Wirkprinzip die Prozessgröße (P) Druck in eine proportionale elektrische Messgröße (M) umwandeln, zur Ermittlung eines Druckes als elektrische Messgröße (M) der Prozessgröße (P) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 19 oder 20, wobei Sensoren (2), die nach einem kapazitivem, konduktivem, piezoelektrischen Messprinzip oder Laufzeit-Messprinzip arbeiten, zur Ermittlung eines Füllstands oder eines Grenzstands in einem Behälter als elektrische Messgröße (M) der Prozessgröße (P) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 19 oder 20, wobei Sensoren (2), die nach einem magnetisch-induktivem Messprinzip, Coriolis-, Wirbelstromzähl- oder Laufzeit-Messprinzip arbeiten, zur Ermittlung eines Durchflusses als elektrische Messgröße (M) der Prozessgröße (P) vorgesehen sind.