WO2003088444A2 - Messeinrichtung für die flüssigkeits- und/oder gasanalyse - Google Patents

Messeinrichtung für die flüssigkeits- und/oder gasanalyse Download PDF

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WO2003088444A2
WO2003088444A2 PCT/EP2003/003720 EP0303720W WO03088444A2 WO 2003088444 A2 WO2003088444 A2 WO 2003088444A2 EP 0303720 W EP0303720 W EP 0303720W WO 03088444 A2 WO03088444 A2 WO 03088444A2
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WO
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measuring device
housing
sensor
electrically conductive
signal line
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PCT/EP2003/003720
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French (fr)
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WO2003088444A3 (de
Inventor
Axel VIERKÖTTER
Detlev Wittmer
Original Assignee
Endress + Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg
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Priority to US10/509,750 priority patent/US20050252314A1/en
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Publication of WO2003088444A3 publication Critical patent/WO2003088444A3/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G3/00—Installations of electric cables or lines or protective tubing therefor in or on buildings, equivalent structures or vehicles
    • H02G3/02—Details
    • H02G3/06—Joints for connecting lengths of protective tubing or channels, to each other or to casings, e.g. to distribution boxes; Ensuring electrical continuity in the joint
    • H02G3/0616—Joints for connecting tubing to casing
    • H02G3/0625—Joints for connecting tubing to casing with means for preventing disengagement of conductors
    • H02G3/0666—Joints for connecting tubing to casing with means for preventing disengagement of conductors with means clamping the armour of the conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G15/00—Cable fittings
    • H02G15/02—Cable terminations
    • H02G15/04—Cable-end sealings

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device for processing, outputting and forwarding sensor signals in the context of a liquid and / or gas analysis.
  • the measuring device comprises a housing made of an electrically conductive material, at least one cable bushing for a shielded sensor signal line for transmitting the sensor signals in a wall of the housing and an electrically conductive connection between a shielding of the sensor signal line and the housing.
  • Such a measuring device is also referred to as a transmitter.
  • a pH value sensor or a temperature sensor is provided as a sensor, for example, which is immersed in a liquid.
  • several sensors can also be connected to the measuring device.
  • the raw data measured by the sensor are first preprocessed by a sensor circuit of the measuring device in order to then be transmitted as measurement data to a computing unit of the measuring device.
  • the preprocessing in the sensor circuit includes in particular one or more of the processing steps listed below:
  • the computing unit is designed, for example, as a microprocessor on which a suitable computer program runs for processing the measurement data.
  • the computing unit can, for example, display the measurement data on a connected monitor or forward it to other control and / or monitoring devices via a connected external communication system.
  • the computer program stored in the arithmetic unit comprises a large number of program commands which are used to process the received measurement data. It is possible, for example, for the measurement data to be converted by the computing unit using the program commands. It is also possible that, for example, sensor-dependent fluctuations in the measurement data are compensated, for example, averaged, using the program commands in the computing unit. Overall, the program commands ensure that the measurement data, as mentioned, can be output on the monitor or forwarded via the external communication system.
  • the raw data recorded by sensors are forwarded to the measuring device via shielded sensor signal lines and processed there.
  • the shielding of the sensor signal lines comprises, for example, an outer braid made of an electrically conductive material, in particular metal, which extends in the axial direction around the actual conductor.
  • the sensor signals that are transmitted via the sensor signal lines are extremely sensitive to interference. Faults in the sensor signals can be caused, for example, by pumps or other heavy industry machines if the measuring device is used in the vicinity of such machines.
  • the sensitivity of the sensor signals is due in particular to the fact that the sensor signals have very small currents in the pico-ampere range or the sensor signal lines are very high-impedance.
  • the shielding of the sensor signal lines can be connected to ground (so-called process earth).
  • process earth ground
  • the grounding lines have the disadvantage that they have a high impedance and therefore interference on the sensor lines can only be derived relatively poorly.
  • the object of the present invention is to design and develop a measuring device for liquid and / or gas analysis of the type mentioned at the outset in such a way that the measuring device is insensitive to interference as far as possible, in order thereby to improve the accuracy and reliability of the measuring device.
  • each cable bushing has areas made of an electrically conductive material and means for electrically contacting the areas both with the shielding of the sensor signal line and with the housing and the areas for Establish the electrically conductive connection between the shield of the sensor signal line and the housing.
  • the invention thus provides for a measuring device a low-inductive coupling of the shielding of a sensor signal line to the housing, which is connected to ground (so-called process earth).
  • ground ground
  • process earth ground
  • the invention can be implemented on the one hand in that the body of the cable bushing consists of an electrically insulating material (e.g. plastic) into which several grounding areas made of an electrically conductive material (e.g. metal) are introduced, via which the shielding of the sensor signal lines with the housing is electrical communicates.
  • the earthing areas are therefore an integral part of the cable entries.
  • the number and diameter of the earthing areas must be selected in such a way that a low-inductive coupling of the shield to the housing is ensured.
  • the grounding areas are preferably contacted with the shielding by means of suitable means which are provided in the cable bushing.
  • These means are, for example, an earthing sleeve made of an electrically conductive material, which is in contact with the earthing area and, after inserting the cable bushing into an opening in a housing wall, automatically and reliably comes into contact with the shielding of the sensor signal line when the cable bushing is screwed together.
  • the body of the or each cable bushing consists of an electrically conductive material, preferably of metal.
  • the entire body of the cable bushing serves as a large earthing area. This enables a particularly low-inductive coupling of the shielding to the housing and a particularly high insensitivity of the transmitter to interference.
  • a cable bushing, the body of which is made of metal and which could be used in the context of the present invention, is, for example, from Läpp Jardinsysteme GmbH, 70565 Stuttgart, Germany under the product name "Skindicht SHVE" offered and distributed.
  • the or each sensor circuit is galvanically decoupled from the rest of the measuring device.
  • the galvanic decoupling ensures that there are no potential references between the sensor circuit and the rest of the measuring device, which could lead to falsification of the measurement results.
  • the proposed measure thus leads to a significant improvement in the immunity to interference and the accuracy of the measuring device.
  • the measuring device has optocouplers for galvanically decoupling the or each sensor circuit from the rest of the measuring device.
  • Safe and reliable galvanic decoupling can be achieved by means of optocouplers with relatively inexpensive means.
  • Energy supply circuit for supplying the or each sensor circuit with energy is provided, the energy supply circuit having means for decoupling the measuring device from the energy supply.
  • At least one transformer in particular an AC / DC converter, is preferably used for the galvanic decoupling.
  • the measuring device advantageously has at least two analog outputs, the analog outputs being galvanically decoupled from one another.
  • An optocoupler can also be used here for galvanic decoupling.
  • the transmitter can be connected to other devices, e.g. a programmable logic controller (PLC), via the analog outputs.
  • PLC programmable logic controller
  • these measures include, in particular, a low-inductance coupling of the shielding of the sensor signal lines to the housing of the measuring device, which is connected to ground (process earth), and a galvanic decoupling of various subcircuits of the transmitter, e.g. the sensor circuit, the power supply for the sensor circuit and the analog outputs.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment of a measuring device according to the invention for liquid and / or gas analysis
  • Fig. 2 is an exploded view of a cable entry for use in the measuring device according to the invention.
  • a measuring device is designated in its entirety with reference number 1.
  • the measuring device 1 has a computing unit 2 which is connected to one or more sensor circuits 15, 16 via isolation circuits 3, 4.
  • the computing unit 2 is preferably implemented using a digital microprocessor.
  • Sensors can be connected to the sensor circuits 15, 16 in a manner not shown.
  • the sensors can be, for example, a pH value sensor or a temperature sensor or a pressure sensor or the like. act.
  • the associated sensor circuits 15, 16 are then in each case in the form of a pH sensor circuit or a temperature sensor circuit or the like. educated.
  • the connection between the computing unit 2 and the isolation circuits 3, 4 is realized by means of an internal bus system 5, which can be an I 2 C bus and / or bus lines for supply voltages, for example.
  • the sensor circuits 15, 16 and only the required isolation circuit 3, 4 are provided and only one of the sensors is connected to the computing unit 2.
  • any number of sensor circuits 15, 16 to be connected to the associated insulation circuits 3, 4 and sensors to the computing unit 2.
  • a control circuit is provided in the computing unit 2, which is preferably implemented as a multiplexer. With the help of The control circuit controls the electrical connection between the computing unit 2 and the isolation circuits 3, 4 in such a way that only one of the sensor circuits 15, 16 is connected to the computing unit 2.
  • the sensor circuits 15, 16 are alternately connected in succession to the computing unit 2.
  • the computing unit 2 at least one communication system 7, 8 for connecting additional devices, for example a sequence control or an operating device, is connected.
  • a sequence control is, for example, a calibration system or a programmable logic controller (PLC).
  • An operating device is, for example, an external device that can connect to the measuring device from the outside via a fieldbus system and can change internal states of the measuring device.
  • the communication system 7, 8 can, for example, be an interface according to the so-called HART protocol, a serial interface (RS 485) 7, a so-called Profibus 8, a so-called foundation field bus or another Act fieldbus.
  • At least one voltage supply 9 is connected to the measuring device 1.
  • This can be an AC voltage supply or a DC voltage supply DC.
  • an AC voltage supply 9 is provided, the voltage of which is transformed in an energy supply circuit 10 into the desired DC voltages DC for supplying the individual subcircuits of the measuring device 1 (via a transformer).
  • the transformed voltage U1 is applied, for example, to the computing unit 2 and to an analog output 12, the transformed voltage U2 is applied to another analog output 12, and the transformed voltage U3 is applied to one of the sensor circuits 3.
  • an interface for an operator.
  • This interface can be, for example, a keyboard and / or a monitor.
  • Extensions 13 can be connected to the computing unit 2 via analog outputs 12 of the measuring device 1.
  • the extensions 13 are, for example, one or more additional displays or a programmable logic controller (PLC).
  • setpoint values for the measuring device 1 can be specified, for example, via analog signal inputs 19.
  • Communication systems 7, 8, the power supply circuit 10, the interface and the analog outputs 12 represent hardware components of the measuring device 1, which are connected to the computing unit 2 or at least coupled to it.
  • An associated and assigned software module is present in the computing unit 2 for each of these hardware components.
  • the measuring device 1 comprises a housing 14 made of metal, which bears against ground (so-called process earth).
  • the sensors are connected to the sensor circuits 15, 16 by means of shielded sensor signal lines 20.
  • Sensor signal lines 20 are led into the interior of the housing 14 via cable bushings 17, 18 which are arranged in a wall of the housing 14.
  • the construction of a cable bushing 17, 18 is explained in more detail below with reference to FIG. 2.
  • the cable bushing 17, 18 comprises a lower part 30 which can be fastened to an upper part 31 by means of a thread 35.
  • a grounding sleeve 32, a sealing cone 33 and a cone 34 are arranged between the lower part 30 and the upper part 31 and are fixed in the interior of the cable bushing 17, 18 when the lower part 30 is fastened to the upper part 31.
  • the body of the cable duct 17, 18, so the lower part 30, the Grounding sleeve 32, the cone 34 and the upper part 31 consist of an electrically conductive material, in particular of metal.
  • the sealing cone 33 is made of rubber or a plastic, for example neoprene.
  • the grounding sleeve 32 is in an electrically conductive connection with the body of the cable bushing 17, 18. When the lower part 30 and the upper part 31 are screwed together, the grounding sleeve 32 comes into contact with a shield 21 of a sensor signal line 20. If the cable bushing 17, 18 is fixed in an opening in the housing wall by means of a union nut (not shown) which is screwed onto a thread 36, or if the lower part 30 is screwed directly into the metal housing wall, the body of the cable bushing 17, 18 in contact with the housing 14. A low-inductive coupling of the shield 21 of the sensor signal line 20 to the housing 14 thus takes place via the body of the cable bushing 17, 18. This allows faults on the sensor signal lines 20 to be derived directly via the housing 14 to process earth.
  • the sensor circuits 15, 16 are galvanically decoupled from the remaining measuring device 1 via optocouplers 40 in the isolation circuit 3, 4.
  • the power supply circuit for supplying the sensor circuit 15 with the voltage U3 is decoupled by an AC / DC converter in the power supply circuit 10 from the power supply for the other subcircuits of the measuring device 1.
  • the power supply circuit for supplying the sensor circuit 16 with voltage is decoupled from the power supply for the other subcircuits of the measuring device 1 by a DC / DC converter which is part of the isolation circuit 4.
  • the analog outputs 12 of the measuring device 1 are galvanically decoupled from one another via an optocoupler 41.
  • the decisive factor in the present invention is low-inductive coupling of the shield 21 of the sensor signal lines 20 to the housing 14 and the galvanic decoupling of all the subcircuits 12, 15, 16, 19 of the measuring device 1.
  • a particularly robust measuring device 1 for liquid and / or gas analysis is thus realized, which is insensitive to interference , This enables a significantly improved accuracy and reliability of the measurement results to be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (1) zur Aufbereitung, Ausgabe und Weiterleitung von Sensorsignalen im Rahmen einer Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse. Die Messeinrichtung (1) umfasst ein Gehäuse (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material, in einer Wand des Gehäuses (14) mindestens eine Kabeldurchführung (17, 18) für eine geschirmte Sensorsignalleitung (20) zur Übertragung der Sensorsignale und zwischen einer Abschirmung (21) der Sensorsignalleitung (20) und dem Gehäuse (14) eine elektrisch leitfähige Verbindung. Um die Messeinrichtung (1) möglichst unempfindlich gegenüber Störungen zu machen und dadurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messeinrichtung (1) zu verbessern wird vorgeschlagen, dass die oder jede Kabeldurchführung (17, 18) Bereiche aus einem elektrisch leitfähigen Material und Mittel (32) zur elektrischen Kontaktierung der Bereiche sowohl mit der Abschirmung (21) der Sensorsignalleitung (20) als auch mit dem Gehäuse (14) aufweist und die Bereiche zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Abschirmung (21) der Sensorsignalleitung (20) und dem Gehäuse (14) dienen. Vorzugsweise besteht der Körper der Kabeldurchführung (17, 18) aus Metall. Außerdem wird vorgeschlagen, sämtliche Teilschaltungen der Messeinrichtung über Optokoppler (10, 41) oder Wandler zu entkoppeln.

Description

Messeinrichtung für die Fliissigkeits- und/oder Gasanalyse
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Aufbereitung, Ausgabe und Weiterleitung von Sensorsignalen im Rahmen einer Fliissigkeits- und/oder Gasanalyse. Die Messeinrichtung umfasst ein Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material, in einer Wand des Gehäuses mindestens eine Kabeldurchführung für eine geschirmte Sensorsignalleitung zur Übertragung der Sensorsignale und zwischen einer Abschirmung der Sensorsignalleitung und dem Gehäuse eine elektrisch leitfähige Verbindung.
Eine derartige Messeinrichtung wird auch als Messumformer bezeichnet. Zum Anschluss an die Messeinrichtung ist als Sensor bspw. ein pH-Wert-Sensor oder ein Temperatursensor vorgesehen, der bspw. in eine Flüssigkeit eintaucht. Selbstverständlich können auch mehrere Sensoren an die Messeinrichtung angeschlossen werden. Die von dem Sensor gemessenen Rohdaten werden zunächst von einer Sensorschaltung der Messeinrichtung vorverarbeitet, um danach als Messdaten an eine Recheneinheit der Messeinrichtung übermittelt zu werden. Die Vorverarbeitung in der Sensorschaltung umfasst insbesondere einen oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Verarbeitungsschritte :
- eine analoge Vorverarbeitung der Rohdaten,
- eine Analog/Digital-Wandlung und
- eine digitale Vorverarbeitung.
Auf der Recheneinheit erfolgt dann die eigentliche Verarbeitung der Sensorsignale. Die Recheneinheit ist bspw. als ein Mikroprozessor ausgebildet, auf dem zur Verarbeitung der Messdaten ein geeignetes Computerprogramm abläuft. Die Recheneinheit kann die Messdaten bspw. auf einem angeschlossenen Monitor anzeigen oder über ein angeschlossenes externes Kommunikationssystem an sonstige Steuerungs- und/oder Überwachungseinrichtungen weiterleiten. Das in der Recheneinheit abgespeicherte Computerprogramm umfasst eine Vielzahl von Programmbefehlen, die der Verarbeitung der empfangenen Messdaten dienen. So ist es bspw. möglich, dass die Messdaten von der Recheneinheit mit Hilfe der Programmbefehle umgerechnet werden. Ebenfalls ist es möglich, dass bspw. sensorabhängige Schwankungen der Messdaten mittels der Programmbefehle in der Recheneinheit ausgeglichen, bspw. gemittelt werden. Insgesamt wird mit Hilfe der Programmbefehle erreicht, dass die Messdaten, wie erwähnt, auf dem Monitor ausgegeben oder über das externe Kommunikationssystem weitergeleitet werden können.
Die von Sensoren aufgenommenen Rohdaten werden über abgeschirmte Sensorsignalleitungen an die Messeinrichtung weitergeleitet und dort verarbeitet. Die Abschirmung der Sensorsignalleitungen umfasst bspw. ein äußeres Geflecht aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, welches sich in axialer Richtung um den eigentlichen Leiter erstreckt .
Die Sensorsignale, die über die Sensorsignalleitungen übertragen werden, sind extrem empfindlich gegenüber Störungen. Störungen der Sensorsignale können bspw. durch Pumpen oder andere Maschinen der Schwerindustrie hervorgerufen werden, wenn die Messeinrichtung in der Umgebung solcher Maschinen eingesetzt wird. Die Empfindlichkeit der Sensorsignale hat ihre Ursache insbesondere darin, dass die Sensorsignale sehr kleine Ströme im Piko-Ampere-Bereich aufweisen bzw. die Sensorsignalleitungen sind sehr hochohmig sind.
Um Störungen zu vermeiden bzw. die Auswirkungen von Störungen auf die Sensorsignale zu minimieren, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Maßnahmen bekannt. Bspw. kann die Abschirmung der Sensorsignalleitungen auf Masse (sog. Prozesserde) gelegt werden. Dazu ist es bekannt, die Sensorsignalleitungen über Kabeldurchführungen aus Kunststoff in das Innere des Gehäuses zu führen und die Abschirmung dort freizulegen, mit einem Ende einer Erdungsleitung zu verbinden und das andere Ende der Erdungsleitung an dem Gehäuse zu befestigen. Die Erdungsleitungen haben jedoch den Nachteil, dass sie hochhohmig sind und deshalb Störungen auf den Sensorleitungen nur relativ schlecht abgeleitet werden können.
Insgesamt hat dies zur Folge, dass die Sensorsignale aufgrund von Störungen, die auf die Sensorsignalleitungen wirken, verfälscht und das Ergebnis der Flüssigkeits- oder Gasanalyse verfälscht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messeinrichtung für die Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die Messeinrichtung möglichst unempfindlich gegenüber Störungen ist, um dadurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messeinrichtung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einer Messeinrichtung der eingangs genannten Art durch die Erfindung dadurch gelöst, dass die oder jede Kabeldurchführung Bereiche aus einem elektrisch leitfähigen Material und Mittel zur elektrischen Kontaktierung der Bereiche sowohl mit der Abschirmung der Sensorsignalleitung als auch mit dem Gehäuse aufweist und die Bereiche zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Abschirmung der Sensorsignalleitung und dem Gehäuse dienen.
Die Erfindung stellt somit für eine Messeinrichtung eine niederinduktive Ankopplung der Abschirmung einer Sensorsignalleitung an das Gehäuse, das an Masse (sog. Prozesserde) anliegt, zur Verfügung. Über die niederinduktive Ankopplung können Störungen auf den Sensorleitungen direkt über das Gehäuse an Prozesserde besonders gut abgeleitet werden. Dadurch können Störungen auf den Sensorsignalleitungen minimiert werden, was letztendlich zu einer Erhöhung der Genauigkeit des Messergebnisses der Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse führt.
Die Erfindung kann einerseits dadurch realisiert werden, dass der Körper der Kabeldurchführung aus einem elektrisch isolierenden Material (z.B. Kunststoff) besteht, in das mehrere Erdungsbereiche aus einem elektrisch leitfähigen Material (z.B. Metall) eingebracht sind, über welche die Abschirmung der Sensorsignalleitungen mit dem Gehäuse elektrisch leitend in Verbindung steht. Die Erdungsbereiche sind also integraler Bestandteil der Kabeldurchführungen. Die Anzahl und der Durchmesser der Erdungsbereiche muss derart gewählt werden, dass eine niederinduktive Ankopplung der Abschirmung an das Gehäuse sichergestellt ist. Die Kontaktierung der Erdungsbereiche mit der Abschirmung erfolgt vorzugsweise über geeignete Mittel, die in der Kabeldurchführung vorgesehen sind. Diese Mittel sind bspw. eine Erdungshülse aus einem elektrisch leitfähigen Material, welche mit dem Erdungsbereich in Kontakt steht und nach dem Einsetzen der Kabeldurchführung in eine Öffnung in einer Gehäusewand beim Zusammenschrauben der Kabeldurchführung automatisch mit der Abschirmung der Sensorsignalleitung sicher und zuverlässig in Kontakt tritt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Körper der oder jeder Kabeldurchführung aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise aus Metall, besteht. Bei dieser Weiterbildung sind also nicht mehrere gesonderte Erdungsbereiche vorgesehen, sondern der gesamte Körper der Kabeldurchführung dient als ein großer Erdungsbereich. Dadurch kann eine besonders niederinduktive Ankopplung der Abschirmung an das Gehäuse und eine besonders große Unempfindlichkeit des Messumformers gegenüber Störungen erzielt werden. Eine Kabeldurchführung, deren Körper aus Metall besteht, und die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden könnte, wird bspw. von der Fa. Läpp Kabelsysteme GmbH, 70565 Stuttgart, Deutschland unter der Produktbezeichnung „Skindicht SHVE" angeboten und vertrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Messeinrichtung eine Recheneinheit, insbesondere einen Mikroprozessor, zur Verarbeitung der Sensorsignale und mindestens eine der Recheneinheit vorgeschaltete Sensorschaltung zur Vorverarbeitung der Sensorsignale aufweist, ist die oder jede Sensorschaltung von der restlichen Messeinrichtung galvanisch entkoppelt. Durch die galvanische Entkopplung wird sichergestellt, dass keine potentialmäßigen Bezüge zwischen der Sensorschaltung und der restlichen Messeinrichtung bestehen, die zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen könnten. Die vorgeschlagene Maßnahme führt also zu einer deutlichen Verbesserung der Störunempfindlichkeit und der Genauigkeit der Messeinrichtung.
Auch bei diesem Messumformer mit der galvanischen Entkopplung der Sensorschaltungen von der restlichen Messeinrichtung ist vorteilhafterweise die Abschirmung der Sensorleitungen über eine Kabeldurchführung mit elektrisch leitfähigen Erdungsbereichen an das Gehäuse niederinduktiv angekoppelt. Die galvanische Entkopplung hat die angegebenen Vorteile aber auch ohne dieses Merkmal aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Der Schutz des Patents soll sich deshalb auch auf Messeinrichtungen der zuletzt genannten Art beziehen, bei denen die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale fehlen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Messeinrichtung Optokoppler zur galvanischen Entkopplung der oder jeder Sensorschaltung von der restlichen Messeinrichtung aufweist. Durch Optokoppler kann mit relativ kostengünstigen Mitteln eine sichere und zuverlässige galvanische Entkopplung realisiert werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine
Energieversorgungsschaltung zur Versorgung der oder jeder Sensorschaltung mit Energie vorgesehen ist, wobei die Energieversorgungsschaltung Mittel zum Entkoppeln der Messeinrichtung von der Energieversorgung aufweist. Zur galvanischen Entkopplung wird vorzugsweise mindestens ein Transformator, insbesondere ein AC/DC-Wandler, eingesetzt.
Vorteilhafterweise weist die Messeinrichtung mindestens zwei Analogausgänge auf, wobei die Analogausgänge voneinander galvanisch entkoppelt sind. Auch hier kann zur galvanischen Entkopplung bspw. ein Optokoppler eingesetzt werden. Über die Analogausgänge kann der Messumformer an weitere Geräte, bspw. eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) , angeschlossen werden. Durch die galvanische Entkopplung der Analogausgänge wird eine Verkopplung der Messeinrichtung an der SPS vermieden.
Verallgemeinert bedeutet dies, dass bei der Messeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Maßnahmen vorgesehen werden, um die Anfälligkeit der Messeinrichtung gegenüber Störungen zu verringern. Diese Maßnahmen umfassen insbesondere eine niederinduktive Ankopplung der Abschirmung der Sensorsignalleitungen an das Gehäuse der Messeinrichtung, das an Masse (Prozesserde) anliegt, und eine galvanische Entkopplung verschiedener Teilschaltungen des Messumformers, z.B. der Sensorschaltung, der Energieversorgung für die Sensorschaltung und der Analogausgänge.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung für die Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse; und
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung einer Kabeldurchführung für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
In Figur 1 ist eine Messeinrichtung in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Messeinrichtung 1 weist eine Recheneinheit 2 auf, die über Isolationsschaltungen 3, 4 mit einer oder mit mehreren Sensorschaltungen 15, 16 verbunden ist. Die Recheneinheit 2 ist vorzugsweise mittels eines digitalen Mikroprozessors realisiert. An die Sensorschaltungen 15, 16 können in nicht dargestellter Weise Sensoren angeschlossen werden. Bei den Sensoren kann es sich bspw. um einen pH-Wert-Sensor oder um einen Temperatursensor oder um einen Drucksensor o.dgl. handeln. Die zugehörigen Sensorschaltungen 15, 16 sind dann jeweils als pH-Wert- Sensorschaltung oder als Temperatursensorschaltung o.dgl. ausgebildet. Die Verbindung zwischen der Recheneinheit 2 und den Isolationsschaltungen 3, 4 ist mittels eines internen Bussystems 5 realisiert, bei dem es sich bspw. um einen I2C- Bus und/oder um Busleitungen für Versorgungsspannungen handeln kann.
Es ist möglich, dass nur eine der Sensorschaltungen 15, 16 und nur die benötigte Isolationsschaltung 3, 4 vorgesehen und nur einer der Sensoren an die Recheneinheit 2 angeschlossen ist. Ebenfalls ist jedoch möglich, dass eine beliebige Anzahl von Sensorschaltungen 15, 16 mit den zugehörigen Isolationsschaltungen 3, 4 und Sensoren mit der Recheneinheit 2 verbunden sind. In dem letztgenannten Fall ist in der Recheneinheit 2 eine Steuerschaltung vorgesehen, die vorzugsweise als Multiplexer realisiert ist. Mit Hilfe der Steuerschaltung wird die elektrische Verbindung zwischen der Recheneinheit 2 und den Isolationsschaltungen 3, 4 derart gesteuert, dass immer nur eine einzige der Sensorschaltungen 15, 16 mit der Recheneinheit 2 verbunden ist. Vorzugsweise werden die Sensorschaltungen 15, 16 abwechselnd aufeinanderfolgend mit der Recheneinheit 2 verbunden.
An die Recheneinheit 2 ist u.a. zumindest ein Kommunikationssystem 7, 8 zum Anschluss zusätzlicher Geräte, bspw. einer Ablaufsteuerung oder eines Bediengerätes, angeschlossen. Eine Ablaufsteuerung ist bspw. ein Kalibriersystem oder eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) . Ein Bediengerät ist bspw. ein externes Gerät, das sich über ein Feldbussystem von außen in die Messeinrichtung einklinken und interne Zustände der Messeinrichtung verändern kann. Bei dem Kommunikationssystem 7, 8 kann es sich bspw. um eine Schnittstelle nach dem sog. HART-Protokoll, um eine serielle Schnittstelle (RS 485) 7, um einen sog. Profibus 8, um einen sog. Foundation Field Bus oder um einen sonstigen Feldbus handeln.
Des weiteren ist an die Messeinrichtung 1 mindestens eine Spannungsversorgung 9 angeschlossen. Dabei kann es sich um eine Wechselspannungsversorgung AC oder um eine Gleichspannungsversorgung DC handeln. Im vorliegenden Fall ist eine Wechselspannungsversorgung 9 vorgesehen, deren Spannung in einer Energieversorgungsschaltung 10 in die gewünschten Gleichspannungen DC zur Versorgung der einzelnen Teilschaltungen der Messeinrichtung 1 (über einen Transformator) galvanisch getrennt transformiert wird. Die transformierte Spannung Ul liegt bspw. an der Recheneinheit 2 und an einem Analogausgang 12 an, die transformierte Spannung U2 liegt an einem anderen Analogausgang 12 an, und die transformierte Spannung U3 liegt an einer der Sensorschaltungen 3 an.
Des weiteren kann an die Recheneinheit 2 ein Interface (in Fig. 1 nicht dargestellt) für eine Bedienperson angeschlossen sein. Bei diesem Interface kann es sich bspw. um eine Tastatur und/oder um einen Monitor handeln. Über Analogausgänge 12 der Messeinrichtung 1 können Erweiterungen 13 an die Recheneinheit 2 angeschlossen sein. Bei den Erweiterungen 13 handelt es sich bspw. um ein oder um mehrere zusätzliche Anzeigen oder um eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) . Schließlich können über analoge Signaleingänge 19 bspw. Sollwerte für die Messeinrichtung 1 vorgegeben werden.
Die beschriebenen Sensorschaltungen 15, 16, die Isolationsschaltungen 3, 4, die externen
Kommunikationssysteme 7, 8, die Energieversorgungsschaltung 10, das Interface und die Analogausgänge 12 stellen Hardware- Komponenten der Messeinrichtung 1 dar, die an die Recheneinheit 2 angeschlossen oder zumindest mit dieser gekoppelt sind. Zu jeder dieser Hardware-Komponenten ist in der Recheneinheit 2 ein zugehöriges und zugeordnetes Software-Modul vorhanden.
Die Messeinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 14 aus Metall, das an Masse (sog. Prozesserde) anliegt. Die Sensoren werden mittels geschirmter Sensorsignalleitungen 20 an die Sensorschaltungen 15, 16 angeschlossen. Die
Sensorsignalleitungen 20 werden über Kabeldurchführungen 17, 18, die in einer Wand des Gehäuses 14 angeordnet sind, in das Innere des Gehäuses 14 geführt.
Der Aufbau einer Kabeldurchführung 17, 18 wird nachfolgend anhand Figur 2 näher erläutert. Die Kabeldurchführung 17, 18 umfasst ein Unterteil 30, das mittels eines Gewindes 35 an einem Oberteil 31 befestigt werden kann. Zwischen dem Unterteil 30 und dem Oberteil 31 sind eine Erdungshülse 32, ein Dichtkonus 33 und ein Konus 34 angeordnet, die im Inneren der Kabeldurchführung 17, 18 festgelegt sind, wenn das Unterteil 30 an dem Oberteil 31 befestigt ist. Der Körper der Kabeldurchführung 17, 18, also das Unterteil 30, die Erdungshülse 32, der Konus 34 und das Oberteil 31 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Metall. Der Dichtkonus 33 besteht aus Gummi oder einem Kunststoff, z.B. Neoprene. Die Erdungshülse 32 steht mit dem Körper der Kabeldurchführung 17, 18 in einer elektrisch leitfähigen Verbindung. Beim Zusammenschrauben des Unterteils 30 und des Oberteils 31 tritt die Erdungshülse 32 mit einer Abschirmung 21 einer Sensorsignalleitung 20 in Kontakt. Wenn die Kabeldurchführung 17, 18 mittels einer Überwurfmutter (nicht dargestellt) , die auf ein Gewinde 36 geschraubt wird, in einer Öffnung der Gehäusewand festgelegt wird, oder wenn das Unterteil 30 direkt in die metallene Gehäusewand geschraubt wird, tritt der Körper der Kabeldurchführung 17, 18 mit dem Gehäuse 14 in Kontakt. Über den Körper der Kabeldurchführung 17, 18 erfolgt also eine niederinduktive Ankopplung der Abschirmung 21 der Sensorsignalleitung 20 an das Gehäuse 14. Dadurch können Störungen auf den Sensorsignalleitungen 20 direkt über das Gehäuse 14 an Prozesserde abgeleitet werden.
Des weiteren wird vorgeschlagen, dass die Sensorschaltungen 15, 16 von der restlichen Messeinrichtung 1 über Optokoppler 40 in der Isolationsschaltung 3, 4 galvanisch entkoppelt sind. Darüber hinaus ist die Energieversorgungsschaltung zur Versorgung der Sensorschaltung 15 mit der Spannung U3 durch einen AC/DC-Wandler in der Energieversorgungsschaltung 10 von der Energieversorgung für die übrigen Teilschaltungen der Messeinrichtung 1 entkoppelt. Die Energieversorgungsschaltung zur Versorgung der Sensorschaltung 16 mit Spannung ist durch einen DC/DC-Wandler, der Bestandteil der Isolationsschaltung 4 ist, von der Energieversorgung für die übrigen Teilschaltungen der Messeinrichtung 1 entkoppelt. Schließlich wird vorgeschlagen, dass die Analogausgänge 12 der Messeinrichtung 1 über einen Optokoppler 41 voneinander galvanisch entkoppelt sind.
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist die niederinduktive Ankopplung der Abschirmung 21 der Sensorsignalleitungen 20 an das Gehäuse 14 sowie die galvanische Entkopplung sämtlicher Teilschaltungen 12, 15, 16, 19 der Messeinrichtung 1. Insgesamt ist damit eine besonders robuste Messeinrichtung 1 für die Flüssigkeitsund/oder Gasanalyse realisiert, die unempfindlich gegenüber Störungen ist. Dadurch kann eine deutlich verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messergebnisse erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Messeinrichtung (1) zur Aufbereitung, Ausgabe und Weiterleitung von Sensorsignalen im Rahmen einer Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse, wobei die Messeinrichtung
(1) ein Gehäuse (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material, in einer Wand des Gehäuses (14) mindestens eine Kabeldurchführung (17, 18) für eine geschirmte Sensorsignalleitung (20) zur Übertragung der Sensorsignale und zwischen einer Abschirmung (21) der Sensorsignalleitung
(20) und dem Gehäuse (14) eine elektrisch leitfähige Verbindung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Kabeldurchführung (17, 18) Bereiche aus einem elektrisch leitfähigen Material und Mittel (32) zur elektrischen Kontaktierung der Bereiche sowohl mit der Abschirmung (21) der Sensorsignalleitung (20) als auch mit dem Gehäuse (14) aufweist und die Bereiche zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Abschirmung (21) der Sensorsignalleitung (20) und dem Gehäuse (14) dienen.
2. Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (30, 31, 32, 34) der oder jeder Kabeldurchführung (17, 18) aus elektrisch leitfähigem Material besteht.
3. Messeinrichtung (1) zur Aufbereitung, Ausgabe und Weiterleitung von Sensorsignalen im Rahmen einer Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse, wobei die Messeinrichtung (1) ein Gehäuse (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material, in einer Wand des Gehäuses (14) mindestens eine Kabeldurchführung (17, 18) für eine geschirmte Sensorsignalleitung (20) zur Übertragung der Sensorsignale und zwischen einer Abschirmung (21) der Sensorsignalleitung (20) und dem Gehäuse (14) eine elektrisch leitfähige Verbindung aufweist, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) eine Recheneinheit (2) , insbesondere einen Mikroprozessor, zur Verarbeitung der Sensorsignale und mindestens eine zwischen der Recheneinheit (2) und der Sensorsignalleitung (20) angeordnete Sensorschaltung (15, 16) zur Vorverarbeitung der Sensorsignale aufweist, wobei die oder jede Sensorschaltung (15, 16) von der restlichen Messeinrichtung (1) galvanisch entkoppelt ist.
4. Messeinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) Optokoppler (40) zur galvanischen Entkopplung der oder jeder Sensorschaltung (15, 16) von der restlichen Messeinrichtung (1) aufweist.
5. Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Energieversorgungsschaltung (10) zur Versorgung der oder jeder Sensorschaltung (15) mit Energie vorgesehen ist, wobei die Energieversorgungsschaltung (10) Mittel zum Entkoppeln der Messeinrichtung (1) von der Energieversorgung (9) aufweist.
6. Messeinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entkoppeln als mindestens ein Transformator ausgebildet sind.
7. Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) mindestens zwei Analogausgänge (12) aufweist, wobei die Analogausgänge (12) voneinander galvanisch entkoppelt sind.
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