专利名称：用于确定和/或监控至少一个过程变量的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定和/或监控至少一个过程变量的装置，其 包括至少一个第一电子单元和至少一个第二电子单元。过程变量可以 例如是介质的料位、密度、粘度、压力、流量或pH值，其中介质优选
地是液体或松散材料。
背景技术：
在过程及自动化技术中，测量仪表经常用于确定和/或监控过程变 量。如果待监控的介质或过程位于有爆炸危险的区域中，那么往往需 要流电隔离，以将在有爆炸危险的区域中(这通常是至少利用测量仪 表监控的过程)的测量仪表的接触介质的部分例如与供电部分或者与 操作人员的服务相隔离。为此，测量仪表往往具有两个电子单元，其 间提供这种流电隔离。通过这个隔离，通常操作传感器单元所必须的 能量以及数据(例如，测量数据)得到传输，其中数据甚至可以被双
向传输。在现有技术中，为此已经存在大量已知的方案；例如，参见 DE 2 321 900、 EP 0 977 406 Al或EP 0 927 982 Bl。然而，这些方案非 常复杂且昂贵。另一种可能是通过作为传递媒介的变压器来传输所需 的能量以及通过光耦传输数据，其中在流电隔离的每一侧上提供单元， 以能够实现双向的数据传输。这种"安全隔离"消耗大量空间，并且 因为元器件需求增加而昂贵。
发明内容
于是，本发明的目的是提供一种流电隔离，其能够实现电能以及 数据的传输，其中特别地，避免了现有技术中较高的空间需求以及较 高的成本。本发明通过以下特征实现该目的提供至少一个传输单元；该传 输单元设置在第一电子单元和第二电子单元之间；并且传输单元在第 一电子单元和第二电子单元之间传输电能和数据。
根据一个实施例，传输单元通过控制传输电能的频率，而将数据 从第一电子单元传输至第二电子单元。于是，从初级侧到次级侧，通 过能量传输的时序而进行数据传输。这样从第一电子单元传输至第二 电子单元的数据例如是第二电子单元测量或处理测量数据所需要的测 量参数或者监控函数，或者是用于保证第一电子单元己经正确接收第 二电子单元的数据的反馈。于是，在这个实施例中，数据方向总是在 朝向传感器单元的方向。 一种数据传输的方式是，不同的频率配合不 同的开关状态，即，高频对应于达到预定料位，低频对应于低于预定 料位，在这个例子中，过程变量是料位。
根据一个实施例，为了将逻辑零从第一电子单元传输至第二电子 单元，传输单元在可预定的时间段上中断电能的传输并且/或者将电能 设置为可预定的值。于是，这是特殊的频率，其中传输逻辑零，作为 能量传输的中断，或者作为能量减少到一个特定的较小值。于是，这 个时序还可以用于传输数字一或零，或者用于例如发送具有相应较长 暂停或暂停之间节拍时间的一种莫尔斯码。
在 一 个实施例中，通过传输单元传输交流电压形式的电能并且根 据数据调制交流电压的频率，传输单元将数据从第一电子单元传输至 第二电子单元。这里，特别地，涉及传输交流电压，其频率自身承载
了要传递的信息。例如，当过程变量引起频率改变时，不同的频率与 不同的信息相关联，或者频率自身是信息。
在一个实施例中，通过传输单元根据数据调制第二电子单元从第 一电子单元得到的电流，传输单元将数据从第二电子单元传输至第一 电子单元。在这个实施例中，信息传输是从次级侧到初级侧。这个传递是这样进行的在次级侧，电流需求被根据要传输的信息而得到调 制，S卩，初级侧注意到在次级侧存在另外的电流需求。于是，对应于 约定的协议，信息被传输至初级侧。
在一个实施例中，传输单元用作第一电子单元和第二电子单元之 间的流电隔离。
在一个实施例中，提供至少一个传感器单元，其与第二电子单元 电连接。于是，第二电子单元在测量仪表中是实际传感器器件的组成 部分，负责执行测量并产生测量信号。相反，第一电子单元对于用户 提供关于能量、数据或在线维护的接口。
在一个实施例中，传输单元包括至少一个变压器。
在一个实施例中，在第二电子单元中提供至少一个缓冲电容器， 用于储存电能。当来自初级侧的能量传输为了传输逻辑零而中断时， 这个缓冲电容器特别具有优点。
在一个实施例中，传输单元在传输数据之前执行同步。优选地， 当数据从作为发送器的第二电子单元传输至作为接收器的第一电子单 元吋，执行同步，因为这是通过电流的调制而实现的。于是，同步这 样执行，即，特别是接收侧被切换至"准备接收"。优选地，同步， 即发送器和接收器之间的协调，是在每一次数据传输之前执行的，然 而，优选地，仅仅在每一次从第二电子单元到第一电子单元的传输之 前进行同步。特别地，在每一电子单元中有一用于控制数据传输的处 理器。
现在根据附图详细解释本发明，附图中 图1是本发明的测量仪表的示意图；和图2是图1的测量仪表的详细视图。
具体实施例方式
图1原理上显示了本发明的测量仪表，其中在这里，传感器单元 4例如是所谓的振荡叉。在其他实施例中，传感器单元4可以例如是电
容式探头、pH电极、微波天线、压力测量盒、温度探头、或流量测量
仪表。本发明涉及能量及信息的传输并且不依赖于测量类型。
测量仪表由第一电子单元1和第二电子单元2构成。第二电子单 元被称为"前端"，其与传感器单元4相连并向其施加例如测量信号。 在这里作为例子显示的第二电子单元2向振荡叉4提供交流电压，其 被振荡叉4转换为机械振荡。另外，第二电子单元2接收传感器单元4 的信号。接收的信号同样为交流电压，其依赖于振荡叉4接触的介质 的料位、密度或粘度这样的变量。更概括地说第二电子单元2沿待 测量或监控的过程或介质的方向设置并执行测量的至少一部分核心任 务，诸如产生采样信号以及接收、进一步处理和/或分析传感器单元4 的测量信号。
优选地，在第一电子单元1中实现能量供应，然而，还可以实现 测量数据、开关状态或测量参数的输入/输出。
在许多应用中，需要在两个电子单元l、 2之间存在流电隔离，或 "安全的"流电隔离。这可能是出于功能或安全原因而需要的。可是 使用变压器作为隔离，通过它例如传输电能/功率。同时，还需要在两 个单元1、 2之间传输信息/数据，其中这个信息传输不允许消除流电隔 离。为此，例如使用光耦。如果进一步需要不仅将测量数据从第二电 子单元2传输至第一电子单元1，而且将测量参数或监控函数传递至第 二电子单元2或者通过反向传输而确认测量数据，那么在两个电子单 元l、 2中都需要光耦，其一方面引起额外的成本，另一方面需要额外 的空间。要传输的数据可以由二进制信号构成，也可以由串行协议构成。
在现有技术中，例如变压器用于能量传输以及两个光耦用于数据 传输。在本发明的测量仪表中，通过经由一个传输单元3进行能量及 数据传输而避免了额外的花费以及较高的空间需求，其中甚至可以实 现在两个方向上的数据传输。在一个实施例中，传输单元3与两个电 子单元l、 2分离(图l);在第二实施例中，传输单元3部分地是两
个电子单元1、 2中的组成部分(图2)。在图2中，类似地，用于传
输数据的驱动器是要传输数据的电子单元的组成部分，变压器作为实 际的变换器而由两个电子单元共用。
在本发明中，数据或信息的传输叠加在能量的传输上，从而能量
承载信息。图2显示了一个实际例子。
例如，在图2中，电能通过作为流电隔离的变压器IO而从第一电 于单元1传输至第二电子争元2。
同样，为了将信息从第一电子单元1发送至第二电子单元2，通 过变压器IO为功率传输提供时钟。为此，提供第一处理器ll，其对应 于要传递的信息以及与第二电子单元2配合的协议而控制开关12上的 功率传输。例如可以通过短时间不传输电能而传输逻辑零。为了第二 电子单元2仍能工作， 一方面将时间段保持地尽可能短，另一方面在 第二电子单元2中提供缓冲电容器13。于是，通过调制要被传输的电 能，信息被从第一电子单元1传输至第二电子单元2。这里优选地，能 量的强度得到调制，例如在居间的时间中将其设置为零。在另一实施 例中，使用交流电压，其频率与要传输的数据相应地改变。
在第二电子单元2—侧，通过改变电流需求，g卩，不同的电流量 "引出"，而将信息传输至第一电子单元1。为此，在第二电子单元2 中或者在第二电子单元在传输单元3的部分中，提供第二处理器14。这个第二处理器14将信号提供至电流调制器15，该电流调制器短时间 以尖峰脉冲增加变压器10的次级侧的电流需求。依赖于电流需求的时 序，信息被传输至初级侧，即，传输入第一电子单元l。在这里，增加 的电流需求仅仅短时间产生，以防止过载或损耗。在另一实施例中，
电流需求短时间降低至合适的水平。另外，显示了通过变压器io传输 的能量的调制经过解调器16而达到第二处理器14。
图2显示了以下技术细节
单元11 (例如，处理器)产生用于操控DC/DC转换器的方波信 号，该DC/DC转换器在另一实施例中是离散非稳态多谐振荡器。在次 级侧2上，信号被整流二极管18整流，并在缓冲电容器13中被平滑 及保存。在初级侧1上的缓冲电容器5发送DC/DC转换所需的脉冲电 流并将输入电压保持为基本恒定。另外，在单元11中，要被传输的信 息或协议被生成并通过调制器21而调制到传输单元10上。在传输逻 辑零的情况中，内部逻辑锁定两个开关晶体管。这里，必须保证在有 非常多逻辑零的情况中或者在通信周期结束之后，取消锁定，以更新 第二电子单元2中的缓冲电容器13中的电荷。整流单元19将经过调 制的信号馈送至解调器16，后者处理发送的数据，用于处理器14中的 接收单元。在从第二电子单元2向第一电子单元1传输的情况中，依 赖于要传输的信息，由调制器15调制较短的电流脉冲。在整流二极管 19的阴极进行调制。在电流调制期间，变压器10的次级侧上的整流二 极管18用作解耦二极管，并且保证经过调制的电流流经变压器10并 且不能由缓冲电容器13除去。在这个实施例中，每次状态从"低"改 变到"高"或者从"高"改变到"低"都对应于一个电流脉冲。在变 压器10的初级侧上，这个电流信息可以在流/压转换器20被耦合出并 在基本由D触发器构成的解调器17中得到处理，用于在处理器单元 11中的进一歩处理。
由于EMC影响(例如，短脉冲或电涌脉冲)，在通信中可能发生 干扰，其中例如检测到过高或过低的电流脉冲。为了保证信号不由于干扰而持久反转或恶化，在每一次从第二电子单元2到第一电子单元1 的信息交换之前，在解调器17中的D触发器执行同步。这个信号可以
直接由作用于调制器21的传输线得到并且馈送至触发器的预置端。
实际中，电容器与流/压转换器20并联连接，以将由瞬态引起的 干扰过滤掉。
根据本发明，通过从一侧到另一侧在时间上调制传输的能量(即， 从第一电子单元1发送的能量的频率调制)以及通过反过来在时间上 改变电流下降(即，在时间上改变从第二电子单元2引出的电流)， 实现能量和数据的传输。附图标记
1 第一电子单元
2 第二电子单元
3 传输单元
4 传感器单元
5 缓冲电容器 10变压器
11第一处理器 12电子开关 13缓冲电容器 14第二处理器 15电流调制器 16解调器 17解调器
18整流及解耦二极管 19整流二极管 20流/压转换器 21调制器
权利要求
1. 用于确定和/或监控至少一个过程变量的装置，具有至少一个第一电子单元(1)和至少一个第二电子单元(2)，其特征在于，提供至少一个传输单元(3)，该传输单元(3)设置在所述第一电子单元(1)和所述第二电子单元(2)之间，并且所述传输单元(3)在所述第一电子单元(1)和所述第二电子单元(2)之间传输电能和数据。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，传输单元(3)通过控制 传输电能的频率而将数据从第一电子单元(1)传输至第二电子单元(2)。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中，为了将逻辑零从第一电子 单元(1)传输至第二电子单元(2)，传输单元(3)在可预定的时间 段上中断电能的传输并且/或者将电能设置为可预定的值。
4. 根据权利要求2或3所述的装置，其中，通过传输单元(3) 传输交流电压形式的电能并且根据数据调制交流电压的频率，传输单 元(3)将所述数据从第一电子单元(1)传输至第二电子单元(2)。
5. 根据权利要求1 4之 -所述的装置，其中，通过传输单元(3) 根据数据调制第二电子单元(2)从第一电子单元(1)得到的电流， 传输单元(3)将所述数据从第二电子单元(2)传输至第一电子单元
6. 根据权利要求1 5之一所述的装置，其中，传输单元(3)用 作第一电子单元(1)和第二电子单元(2)之间的流电隔离。
7. 根据权利要求1 6之一所述的装置，其中，提供至少一个传感器单元(4)，其与第二电子单元(2)电连接。
8. 根据权利要求1~7之一所述的装置，其中，传输单元(3)包 括至少一个变压器(10)。
9. 根据权利要求1 8之一所述的装置，其中，在第二电子单元(2) 中提供至少一个缓冲电容器(13)，用于储存电能。
10. 根据权利要求1 9之一所述的装置，其中，传输单元(3)在 传输数据之前执行同步。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定和/或监控至少一个过程变量的装置，其包括至少一个第一电子单元(1)和至少一个第二电子单元(2)。根据本发明，提供至少一个传输单元(3)，该传输单元(3)设置在第一电子单元(1)和第二电子单元(2)之间，并且传输单元(3)在第一电子单元(1)和第二电子单元(2)之间传输电能和数据。
文档编号G01D3/08GK101535770SQ200780040782
公开日2009年9月16日 申请日期2007年10月15日 优先权日2006年10月31日
发明者德克·维德曼, 阿尔明·韦内特 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司