专利名称：用于测定和/或监控过程变量的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测定和/或监控过程变量的设备。
在工业测量技术中，现有的用于测定和/或监控任一过程变量(例如，高度(level)、压力、温度、流速)的测量设备的设计使得只有当前各个测量值被存储起来并且可以得到的。然而，对于诊断、误差检测和预测维护等目的来说，当前测量值的条件信息经常是很不充足的。对于诊断，以及对于隐性故障的检测，有必要将经过一段长时期的测量和/或系统信息记录下来，以便于在需要时能够将其恢复和估算出来。
目前，人们只知道在需要时将所谓的数据日志仪连接到合适的测量设备。数据日志仪能够记录经过一段时间的测量数据作为将来的参考。常用的数据日志仪是由，例如，Endress+Hauser Wetzer GmbH+Co.KG提供和出售的。这些数据日志仪用于，例如，设备发生故障时。使用由数据日志仪经过一段时间记录下来的测量和/或系统信息，就可以对设备进行故障诊断。不过，在真正找到故障的原因之前，往往要花去许多时间。
如果只是间歇性地发生故障，例如在无规律的间隔情况下，误差检测尤其困难。在这种情况下，在当前测量时期就有可能无法检测到故障，尽管在这期间日志仪记录了测量和/或系统数据。然后，测量设备在记录测量数据期间无误差地运转着；然而，有可能在近期还会再发生故障，并且在极端情况下，甚至通过日志仪再来一次检查，仍然无法检测到该故障。
这样，在与测量设备临时相连接的日志仪的帮助下所作的分析，只能增加风险，即，尽管进行许多次检查，仍不能检测得到测量设备间歇发生的故障，进而不能将其排除。因此，现有技术中所使用的方法是不经济的，并且在重要应用中可能会发生危险。重要应用的一个例子，是在装有有害健康的化学制品的容器上安装的溢出警戒装置所发生的间歇性故障。
本发明的目的是提供低成本、容易操作和可靠的设备，用于测定和/或监控过程变量。
实现上述目的的设备，由传感器、用于指定至少一个待测定或监控的事件的测量/调整/控制单元、以及存储数据以作为至少一个预定事件的函数的至少一个存储单元组成。特别地，传感器、测量/调整/控制单元和存储单元形成一个紧凑单元或自身完备的现场设备。由于根据本发明的设备连续地记录了测量和系统数据，则任一特定的事件就能够被诊断出来。这样的一个事件，例如，可以是该测量设备的临时性或潜伏性故障。一旦发生了间歇性故障，就能够在记录的数据的基础上可靠地检测和排除这个故障。不过，事件可以是测量值的当前的或时变的表示，下面将要对此进行解释。
根据本发明对该设备的进一步改进，过程变量为灌装面(filllevel)、压力、流速、温度、密度、传导性或任何其它可测量的物理的或化学的量。待测定或监控的事件，总体来说，是预定的时间间隔或者预定的时间规划。进而再次从总体上说，待测定或监控的事件可以是指定义的测量值条件的获取，或定义的系统或故障条件的获取。
在根据本发明的设备的优选实施例中，当前测量和/或系统信息和定义的先前时间段中所产生的相应的测量和/或系统信息，都存储于存储单元中。后面所述的测量和/或系统信息因此被称为“历史数据”。
为了能够使测量/调整/控制单元与遥控站交换数据，或者与这样的站进行通信，根据本发明对该设备的进一步改进，提供了总线系统。任何已知的通信标准均可用于数据交换，诸如Profibus PA标准或现场总线基本标准(Fieldbus Foundation Standard)。特别地，当前数据和历史数据都经由总线被传送到遥控站。
在根据本发明的设备的另一个优选实施例中，存储历史数据的存储单元被设计成可擦除的紧凑单元。该实施例使得使用同样一个存储单元用于多个测量设备成为可能。根据本发明，这样做减少了设备的成本。在紧凑单元中的存储单元可以是，例如，EEPROM，硬盘，或易失性存储设备。
根据本发明对该设备的进一步改进，测量/调整/控制单元具有相关的接口，其中输入/输出单元或存储历史数据的存储单元选择性地经由该接口与测量/调整/控制单元相连接。本发明的这一改进的特别优势在于，可以使用存储单元与许多设备联合来测定和/或监控过程变量。在优选实施例中，测量/调整/控制单元利用存储单元中的历史数据进行故障分析和/或原因分析和/或预防分析，并且使操作人员可以得到分析结果。例如，分析数据被显示在操作人员所在现场的屏幕上。
最好是，输出单元被设计成可以提供当前测量数据、中间结果、历史数据和/或分析数据等的像素显示。例如，在利用传播(transit)技术进行高度测试时，当前测量数据以所谓的回波曲线的形式被报告给操作员。回波曲线所体现的是回波信号的幅度，其作为传播时间或传送距离的函数。当然，得自传播技术的当前测量数据的显示也包括得自回波曲线的量的显示。一个例子是数字包络线。典型的回波曲线如图6和图7所示。
历史数据的显示的一个有趣的应用，是器皿中所盛介质的高度的暂时变化。当然，通过历史数据来检测和跟踪测量扰动也是可能的。
下面将参考附图，详细地解释本发明，其中
图1是一个示意图，图示了利用传播技术进行高度测量的设备；图2是一个示意图，图示了根据本发明所述的设备的第一实施例；图3是一个示意图，图示了根据本发明所述的设备的第二实施例；图4是一个示意图，图示了根据本发明所述的设备的第三实施例；图5是一个示意图，图示了根据本发明所述的设备的第四实施例；图6图示了从制导测量信号所获得的典型回波曲线；并且图7图示了从自由辐射的测量信号所获得的典型回波曲线。
图1从结构上显示了高度测量设备16。高度测量设备16安置在容器12的盖子15的开口14上。为了测定容器12中所盛的介质11的高度，射频测量信号沿着表面波传送线17被传到介质11。一定程式的测量信号为如图1所示的射频脉冲。测量信号产生于信号发生单元18中并且经过耦合单元19耦合到表面波传送线17。从介质11的表面13反射来的回波信号通过耦合单元19被提供给测量/调整/控制单元3。测量/调整/控制单元3根据信号传输时间和容器12的高度，计算出容器12中所盛的介质11的高度。
图2从结构上显示了根据本发明的设备的第一实施例。测量/调整/控制单元3根据由传感器2，例如，图1所示的高度传感器16，所获得的数据测定当前的测量值，即，容器12中所盛的介质11的当前高度。当前各个测量数据被存储在存储单元4中。经过一定的时期，当前各个测量数据被写入存储单元作为历史数据5，即所谓的历史存储器。在历史数据的基础上，就有可能，例如，针对高度测量设备的短期和长期的故障进行故障诊断或原因分析。进而，历史数据也可用于预测维护目的。
在图中所示的实施例中，测量/调整/控制单元3经由总线系统6与远程控制站7相连。传感器2或测量/调整/控制单元3，经由总线系统6与控制站7进行相互通信。输入/输出单元8作为与操作员的接口数据可以从这里读出，新参数也可从这里键入，等等。
历史数据可经由测量/调整/控制单元3从历史存储器5中恢复。因此，在如图2所示的实施例中，不需要为历史存储器5提供额外的终端。终端可位于总线系统6的任一点。图2中所示的实施例适合于危险地区使用，这是由于图2中通信被设计成这种用途。然而，在该实施例中产生了特定的缺点，即由于与历史存储器5的通信而额外加载了总线系统6。
如果需要加快通信速度，即，如果单位时间内有更多的数据将要经由总线系统6被传送，则根据本发明，如图3所示的设备1的第二实施例是合适的。在该实施例中，历史存储器5经由单独的总线系统6与控制站7进行通信。这样，在测量/调整/控制单元3和控制站之间的总线系统(图3中未示出)没有被与历史存储器5的重叠通信所加载。然而，该实施例的一个不足之处是，必须另外为其提供连接器插口；进而，需要另外访问传感器2。而且，如果第二总线系统6被设计用于危险区域，则该设备只能使用在危险区域。通信速度的加快因而可能导致花费的增加。
图4从结构上显示了根据本发明的设备的第三实施例，它用于不需要对数据进行在线估算的情况。在该实施例中，存储历史数据的存储单元5被设计成可擦除紧凑单元9。这样就有可能将记录数据发送到任何位置，以用于估算和/或随后的分析。该实施例的另一个优势是经由总线系统6的通信没有由于历史数据的传输而加载。这并不是说，历史存储器5的实施例作为可擦除紧凑单元9，也能够与根据本发明的设备的其他实施例一起结合着使用。
图5图示了根据本发明的设备的第四实施例。这里，存储历史数据的存储单元5，或输入/输出单元8，例如，现场显示，可以经由接口10，选择性连接到测量/调整/控制单元3。该实施例的优势是，不需要为历史存储器5提供额外的连接器插口。然而，该实施例的一个稍微不足之处，是无法进行输入/输出单元8与历史存储器5的同步操作。
如上所述，根据本发明的设备具有许多优势，特别是在误差检测和隐性误差检测(预测维护)等方面。而且，它第一次有可能将测量数据图形化的显示出来。特别地，应该提到回波曲线的表示，它在传播技术被用于测定和/或监控容器中物质的高度时被估算出来。在现场显示8或在远程控制站7，操作员通过观察有用的回波信号沿X-轴的移位，能够可视地跟踪容器12中高度的变化。这种可视化可能性将增加操作员对利用射频测量信号或超声波信号的传播时间进行高度检测这一技术的信心。
当然，本发明也与在输入/输出单元8显示或获取当前测量数据这一事实相一致。当前测量数据最好是回波曲线。
图6图示了TDR传感器的典型回波曲线。如上所述，回波曲线表示测量信号的回波幅度，作为测量信号沿着表面波传送线17传播的距离的函数，或作为相应的传播时间的函数。
紧挨着坐标原点附近的第一个波峰表示所谓的基准信标(fiduciallauncher)。该波峰是由耦合单元19与表面波传送线17之间接口的阻抗的单步变化和由此而引起的测量信号的不完全反射所引起的。
距离原点最远的波峰是扫描终点(end-of-line)波峰，即，表示在表面波传送线17的自由端反射的部分测量信号的波峰。在基准信标和扫描终点波峰之间的单个波峰表示有用回波信号。有用回波信号是对容器12中所盛的介质11的高度的度量。由两种介质(通常为空气和容器12中的固体或液体物质)间阻抗中的阶跃变化所导致的结果，部分测量信号被反射回来。根据传播时间或由定义的起点与有用回波信号的波峰之间的间距而测得的距离，可得到高度值。
尽管基准信标和扫描终点波峰表示的回波信号是依赖于系统的，不过它们不依赖于各自的高度。有用回波信号的位置随着各自的高度而变化在低位时，有用回波信号将沿着扫描终点波峰的方向上移动；当高度升高时，有用回波信号将沿着基准信标的方向上移动。
这并不是说，在自由辐射测量信号的情况下，回波曲线中不发生扫描终点波峰。然而，来自容器底部的测量信号的反射有可能引起波峰发生。在这种情况下，有用回波信号的位置当然随着容器12中所盛的介质11的高度而变化。有用回波信号的波峰将因此而沿着X-轴移动，其中X-轴表示时间或者信号传输的距离。经由天线自由辐射的测量信号可以是超声波或者微波信号。当然，也有可能使用以脉冲传播时间技术或FM-CW技术为基础的高度测量设备16。
如果当前回波曲线显示在像素输出单元8上，则高度的变化将可视地通知给操作员。既然高度变化不只是单纯以数值变化的形式通知给操作员，而是将信号作为高度的函数在空域中随着高度的变化而变化，从许多方面来讲，这都将会增加操作员对测量设备的信心。
权利要求
1.一种用于测定和/或监控过程变量的设备，包括传感器；用于指定至少一个待测定或监控的事件的测量/调整/控制单元(3)；以及存储数据以作为至少一个预定事件的函数的至少一个存储单元(4，5)，其中，传感器、测量/调整/控制单元(3)和存储单元(4、5)形成紧凑单元或自含式现场设备。
2.如权利要求1所述的设备，其中过程变量为灌装面、压力、流速、温度、密度、传导性或任何其它可测量的物理的或化学的量。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中待测定或监控的事件为预定的时间间隔或者预定的时间规划。
4.如权利要求1或2所述的设备，其中待测定或监控的事件是指定义的测量值条件的获取，或定义的系统或故障条件的获取。
5.如权利要求1、2、3或4所述的设备，其中当前测量和/或系统信息，和在定义的先前时间段中所产生的相应的测量和/或系统信息(历史数据)都存储于存储单元(4，5)中。
6.如前面任何一个或多个权利要求所述的设备，其中提供了总线系统(6)，其中测量/调整/控制单元(3)或存储单元(4，5)经由该总线系统(6)与远程控制站(7)进行相互通信。
7.如权利要求6所述的设备，其中当前数据和历史数据都经由总线系统(6)被传送到远程控制站(7)。
8.如权利要求1到5所述的设备，其中存储历史数据的存储单元(5)被设计成可擦除紧凑单元(9)。
9.如权利要求1到5所述的设备，其中测量/调整/控制单元(3)具有相关的接口(10)，其中输入/输出单元(8)或存储历史数据的存储单元(5)选择性地可经由该接口(10)与测量/调整/控制单元(3)相连接。
10.如前面任何一个或多个权利要求所述的设备，其中测量/调整/控制单元(3)利用历史数据进行故障分析和/或原因分析和/或预防分析，并且使操作人员可以得到分析结果，其中存储单元(5)使得该历史数据可以得到。
11.如权利要求1所述的设备，其中输出单元(8)被设计成可以提供当前测量数据、中间结果、历史数据、和/或分析数据等的像素显示。
12.如权利要求11所述的设备，其中当前测量数据的显示是回波曲线的显示，其中该回波曲线可由利用传播技术来测定容器中介质的高度的测量设备得到；或者当前测量数据的显示是得自回波曲线的量的显示。
13.如权利要求11或12所述的设备，其中历史数据的显示是容器(12)中介质(11)的高度的暂时变化的显示。
全文摘要
本发明涉及用于测定和/或监控过程变量的设备。本发明的目的是提供低成本、容易操作和可靠的设备，用于测定和/或监控过程变量。创造性的设备包括下列元件传感器；用于指定至少一个待测定或监控的事件的测量/调整/控制单元(3)；以及存储数据以作为至少一个预定事件的函数的至少一个存储单元(4，5)。传感器、测量/调整/控制单元(3)和存储单元(4、5)形成紧凑单元或自含式现场设备。
文档编号G01D21/00GK1471625SQ01817929
公开日2004年1月28日 申请日期2001年10月20日 优先权日2000年10月24日
发明者马西亚斯·博尔特, 弗兰克·埃代马恩, 克劳斯·潘克拉茨, 伯特·冯·施泰因, 迪特曼·施坦克, 埃代马恩, 施坦克, 潘克拉茨, 冯 施泰因, 马西亚斯 博尔特 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司