专利名称：具有模块化构造的测量换能器电路的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有模块化构造的测量换能器电路的装置，正如 权利要求1的前序部分所限定的。
背景技术：
在工业测量技术中，特别是在自动化及过程控制技术中，通常使 用的装置在过程运行中利用传感器测量过程变量或者利用执行机构调 节控制变量。这种装置例如确定压力、流量、料位、介电常数、界面 位置、温度或其他物理和/或化学过程量，作为过程运行中的过程变量。
例如可以从本申请人得到这种装置作为现场设备，商标为Cerabar、 Deltabar、 Deltapilot、 Promass、 Levelflex、 Micropilot、 Prosonic、 Soliphant、 Liquiphant、 Easytemp，它们主要用于确定和/或监控容器中的介质的至 少一个上述过程变量。
所有上述装置或现场设备的一个共性是，利用与传感器串联的电 子装置从由传感器确定的过程变量中确定并分析测量值。这个电子装 置通常与相应的测量需求以及待测量过程变量相匹配，使得对于每一 传感器原理、对于每一待测过程变量、以及对于每一种测量性能，都 必须发展特殊的电子装置。靠近传感器的信号处理功能往往实施为 ASIC (特定用途集成电路)，其通常被大批量制造。另一种解决方案 是向现场设备提供不同的测量精度标准、统一的电子装置以及最大的 测量性能，并且例如由软件激活或去活特定的功能。
这些电子装置的缺点是，电子装置的成本不能够保持与所需的测 量性能成比例，并且没有提供模块化。
发明内容
本发明的任务是提供一种装置，其测量性能和功能能够容易地匹 配需求并且其能够成本经济地投入使用。
根据本发明，这个目的通过一种装置得以实现，其具有至少一个 用于检测至少一个化学和/或物理过程变量的传感器以及至少一个模块 化构造的测量换能器电路，该测量换能器电路具有至少一个传感器单 元，该传感器单元从由传感器检测的过程变量中确定电子测量变量并 且向传感器提供所需的能量，该测量换能器电路还具有至少一个特定 用途信号处理单元，用于从电子测量变量中确定测量值，其中在传感 器单元和特定用途信号处理单元之间传递调节的输出信号，其中特定 用途信号处理单元是可替换的，并且其中根据测量值的可预定的测量 精度，可安装多种不同类型特定用途信号处理单元中的至少一种。
在本发明的装置的优选实施例中，信号处理单元串联控制/分析单 元，该控制/分析单元用于分析并进一步处理测量值以及用于调节及控 制装置。
在本发明的装置的一个具有优点的实施例中，第一类型特定用途 信号处理单元用于对测量精度具有较低需求的应用场合。
在本发明的装置的另一具有优点的实施例中，第二类型特定用途 信号处理单元用于对测量精度具有中等需求的应用场合。
在本发明的装置的再一个具有优点的实施例中，第三类型特定用 途信号处理单元用于对测量精度具有较高需求的应用场合。
在本发明的再一个优选实施例中，第一类型特定用途信号处理单 元包括至少一个低通电路。在本发明的装置的另一优选实施例中，低通电路提供与电子测量 变量成比例的测量值，该测量值的形式为模拟电流信号或模拟电压信
号
本发明的装置的补充实施例允许第二类型特定用途信号处理单元 包括至少一个计数电路。
在本发明的装置的另一优选实施例中，第三类型特定用途信号处 理单元包括至少一个模/数转换电路。
在本发明的装置的其他优选实施例中，计数电路和/或模/数转换电 路提供与电子测量变量成比例的测量值，该测量值的形式为数字信号。
在本发明的装置的另一优选实施例中，至少第一类型、第二类型 和/或第三类型特定用途信号处理单元固定地集成在测量换能器电路 中。
另外，在本发明的装置的一个实施例中，在测量换能器电路中提 供至少一个插入位置，用于不同类型特定用途信号处理单元的模块化替换。
在本发明的另一实施例中，在插入位置提供开关元件。
在本发明的另一优选实施例中，提供检査单元，其能够实现利用 由固定地集成在测量换能器电路中的第一类型、第二类型或第三类型 特定用途信号处理单元所确定的测量值对由置于插入位置中的第一类 型、第二类型或第三类型特定用途信号处理单元确定的测量值进行真 实性检査或确认。
在本发明的装置的具有优点的实施例中，在传感器单元和特定用途信号处理单元之间提供至少一个电路连接，用于传输统一调制的输 出信号。
在本发明的装置的一个具有优点的实施例中，提供至少一个隔离 元件，用于电路连接的流电隔离。
在本发明的装置的另一具有优点的实施例中，提供无线连接，用 于在统一的传感器单元和特定用途信号处理单元之间传输能量、数据 以及统一调制的输出信号。
在本发明的装置的另一优选实施例中，在统一调制的输出信号中 提供共同的时钟线路或前同步信号，用于同步特定用途信号处理单元 和传感器单元的例如时钟频率。
在本发明的装置的具有优点的实施例中，提供至少一个光波导， 用于在统一的传感器单元和特定用途信号处理单元之间传递能量、数 据以及统一调制的输出信号。
特别地，在装置的优选实施例中，在传感器单元中存储设定参数， 该设定参数用于提供不同类型的传感器和/用于分析不同类型传感器的 电子测量变量。
在本发明的装置的优选实施例中，在传感器单元中提供自动例程， 用于设定与所连接的传感器的确定的类型相应的设定参数。
在本发明的装置的另一优选实施例中，提供参数化单元，用于向 传感器单元传输至少用于设定所述设定参数的数据和/或传输用于设定 对统一调节的输出信号进行调节的数据。
在本发明的装置的另一优选实施例中，提供脉宽调制信号，作为统一调节的输出信号。
在本发明的装置的其他优选实施例中，提供频率调制信号，作为 统一调节的输出信号。
在本发明的装置的补充实施例中，提供脉冲相位调制信号，作为 统一调节的输出信号。
在本发明的装置的其他优选实施例中，传感器被实施为正温度系 数热敏电阻、负温度系数热敏电阻、半导体温度传感器、热电偶、热 释电式温度传感器、居里效应温度传感器和/或光纤温度传感器，用于 确定温度作为过程变量的电子测量变量。
在本发明的装置的另一优选实施例中，提供传感器，其根据电感、 压阻、光学或光纤作用原理，将过程变量压力转换为成比例的电子测 量变量，用于确定压力作为过程变量的电子测量变量。
在本发明的装置的一个实施例中，提供传感器，其根据电感、电 导、压电测量原理或者行程时间测量原理工作，用于确定容器中的填 充料位或极限料位作为过程变量的电子测量变量。
在本发明的装置的一个实施例中，提供传感器，其根据磁感应测 量原理、科里奥利、涡流或行程时间原理或者文丘利孔板或动压探头 原理工作，用于确定流量作为过程变量的电子测量变量。
前述的部件以及本发明实施例中描述的部件在尺寸、形状、构成、 材料和技术设计方面都没有特殊条件，从而可以毫无限制地使用本申 请技术领域中已知的选择准则。
从下面结合附图的描述中将清楚看到本发明的发明主题其他细 节、特征和优点，附图中给出了本发明的优选实施例。在附图中显示 的本发明的实施例中，为了避免混乱并为了简化，结构和/或功能相对 应的部件或部件组合具有相同的附图标记。附图中
图1是本发明的装置的第一实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图la是本发明的装置的另一第一实施例，其包括用于OEM产品 的模块化构造的测量换能器电路；
图2是本发明的装置的第二实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图3是本发明的装置的第三实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图4是本发明的装置的第四实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图5是本发明的装置的第五实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图6是本发明的装置的第六实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图7是本发明的装置的第七实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图8是本发明的装置的第八实施例，其包括模块化构造的测量换 能器电路；
图9是本发明的装置的第五实施例在分布式过程测量系统中的第 一应用实例；和
图10是本发明的装置的第五实施例在分布式过程测量系统中的 第二应用实例。
具体实施例方式
本发明在于装备合适地预制的具有元件(例如统一的传感器单元 4)的测量换能器电路3、控制/分析单元11、供电单元和通信接口22，并且根据测量性能或过程变量P的测量值MW的期望测量精度，而模
块化安装至少第一类型5a、第二类型5b和/或第三类型5c特定用途信 号处理单元5。本发明的模块化构造的测量换能器电路3例如如图1所 示，集成在变送器23中。另一方面，可以将测量换能器电路3连同传 感器2直接安装在设备或厂房中，而无需集成在变送器23中。本发明 的测量换能器电路3将所连接的传感器2的电子测量变量M转换为由 成比例的模拟或数字测量信号代表的测量值MW。传感器2或测量仪 表是这样的技术元件，其量化确定特定的物理或化学过程变量，例如 料位、流量、压力、pH值、温度、湿度、电导率，作为电子测量变量 M。这些过程变量P由传感器2利用物理或化学作用而检测，并转换为 成比例的且可被进一步处理的电子测量变量M。信号处理单元5例如 还包括信号调节单元，其合适地线性化、放大、縮放和/或标定确定的 测量信号。
图1显示了本发明的装置1的第一实施例，其包括变送器23和传 感器2。装置1通常还被称为现场设备或传感器系统。在变送器23中 提供模块化构造的测量换能器电路3，其至少由统一的传感器单元4和 第一类型5a特定用途信号处理单元5构成。第一类型5a特定用途信号 处理单元5用于对利用装置1确定的过程变量P的测量值MW的测量 精度具有较低需求的应用场合。术语"测量精度"在测量技术中是指 在确定的测量值MW和测量值MW的绝对实际值之间的吻合程度。正 如图1所示的，如果需要，控制/分析单元11和通信接口 22可以集成 在变送器23中。连接至变送器23的是至少一个传感器2,其确定过程 中的过程变量P。过程中的过程变量P在这里例如是依赖于过程的物理 变量(例如压力、料位、流量、温度)和依赖于介质的物理变量(例 如介质的密度、电导率)。这个由传感器2检测的过程变量P被传感 器单元4检测，并且被基于由当前的设定参数X设定的传感器单元4 而转换为电子测量变量M。在设定参数X中指定传感器单元4如何检 测传感器2的过程变量P以及如何将其转换为对应于电子测量变量M 的调制输出信号AS。这样实现传感器单元4，使得每一个电子测量变量M都被作为经合适调节的调制输出信号AS而传输至特定用途分析 单元5。传感器单元4被通过设定参数X而设定，使得根据确定的电
子测量变量M的大小，经由电路连接14传输成比例的经调制的输出信 号AS。用作经调节的调制输出信号AS的可以例如是脉宽调制的、频 率调制的、脉冲相位调制的电流、电压、光学或电磁信号。例如在最 简单的情况中，图1中显示的第一类型5a特定用途信号处理单元5实 施为低通6，其从传输的调制输出信号AS (例如脉宽调制信号)产生 相应的经平均的同样形状的电流或电压值。这个低通6构造为一个模 块，其能够通过插入位置12而集成在测量换能器电路3中。
信号转换器9将由低通6平滑的平均输出信号AS转变为相应的 模拟电流信号AI或者模拟电压信号AU，并且/或者将经平滑的平均输 出信号AS的大小与模拟电流信号AI或电压信号AU相匹配。这个信 号转换器9例如集成在控制/分析单元11中；然而，它也可以集成在第 一类型5a特定用途信号处理单元5的模块中。
然后，模拟电流信号AI或电压信号AU或者被直接转发至设备中 的其他电子单元(诸如在OEM范围中，OEM: Original Equipment Manufacturer)，或者被经由本发明的装置1的通信接口 22而转发至 其他现场设备或控制站30。术语"OEM制造商"是指自己为设备或厂 房建造者制造部件和/或产品的制造商。
图la显示了本发明的装置1的进一步的第一实施例，其具有模块 化构造的测量换能器电路3和传感器2。装置1的这个实施例这样构造， 使得与图1的测量换能器电路3相比，测量换能器电路3不包括控制/ 分析单元11和通信接口 22。在这个实施例的情况中，装置1例如在 OEM范围中直接集成在上位的测量系统或设备中，并且测量值MW被 信号转换器9输出，作为经縮放的模拟电流信号AI或模拟电压信号 AU。图2显示了本发明的装置1的第二实施例，其具有模块化构造的 测量换能器电路3和传感器2。这个模块化实现的测量换能器电路3至
少由统一的传感器单元4和第二类型5b特定用途信号处理单元5构成， 其中第二类型5b特定用途信号处理单元5用于对测量精度具有中等需 求的应用场合。这个第二类型5b特定用途信号处理单元5例如构造为 计数电路7，其合适地对调节的输出信号AS进行采样。计数电路7例 如被构造为用于信号处理的微控制器。计数电路7利用釆样脉冲对调 制输出信号AS进行采样并由此确定相应于电子测量变量M和过程变 量P的值。为了将在传感器单元4 (构造为信号调节器)中相应的调制 输出信号AS的产生同步，并且为了分析这些相应的调制输出信号，提 供相等的时钟。为此，例如在信号处理单元5中集成时钟发生器10， 其通过时钟线路13向传感器单元4和信号处理单元5提供相同的时钟 信号。从采样的输出信号AS确定的数字化的值被转发至控制/分析单 元ll，利用进一步的信号处理及分析算法而由此生成测量值MW。本 发明的装置1的这个测量值MW被通过通信接口 22而例如作为现场总 线33上的数字信号DS或者作为二线制线路33上根据4 20 mA电流 回路标准的模拟通信信号，而发送至其他电子单元、现场设备或控制 站30。
图3显示了本发明的装置1的第三实施例，其具有模块化构造的 测量换能器电路3和传感器2。模块化构造的测量换能器电路3至少由 统一的传感器单元4和第三类型5c特定用途信号处理单元5构成，该 第三类型5c特定用途信号处理单元5适用于对测量精度具有较高要求 的应用场合。为此，在插入位置12中安装了模/数转换电路8，其能够 迅速且高度精确地从在统一的调制输出信号AS中提供的电子测量变 量M中确定过程变量P的精确测量值MW。存在多个模/数转换电路8， 它们都能够应用于本发明的装置1，作为在模块化构造的测量换能器电 路3中的第三类型5c特定用途信号处理单元5。例如在EP 0 237 583 Bl 中描述了一种可应用于本发明的装置的A/D转换电路。在过程测量技术中，有时指定流电隔离，因为过程空间或接触过 程的元件必须根据防爆要求而处于地电位。然而，本发明的装置1或 现场设备的电路地[ll]往往偏离地电位。两个电位之间的差导致接地的 过程元件和装置1之间存在电压，从而引起电流。这个电流的缺点是， 电路地的线路附加地被加载电流。这能够导致电能被储存，从而不再 能够保证现场设备或装置1的防火类型"固有安全"。在图4和5中， 公开了在传感器单元4和信号处理单元5之间的通信连接的流电隔离 的两个例子。
图4显示了本发明的装置1的第四实施例，其具有模块化构造的 测量换能器电路3。在这个情况中，在传感器单元4和特定用途信号处 理单元5之间电子测量变量M和数据D的通信是通过无线连接15进 行的。在图4和5的实施例中，作为特定用途信号处理单元5提供特 殊的模/数转换电路8，其能够快速并高度精确的确定过程变量的测量 值。例如在EP 0 237 583 Bl中给出了这种特殊的模/数转换电路8的构 造和操作，因此这里不再详述。当传感器单元4和信号处理单元5之 间的能量供应及通信是利用RFID收发机技术实现时，无线连接15的 优点最为显著。在这种情况中，传感器单元4连同传感器2用作收发 机，其能够由作为读取设备的信号处理单元5而读取。通常，收发机 和读取设备之间的数据传输是利用电磁波进行的。在低频下，这通过 电感近场耦合实现；在高频，通过电磁远场耦合实现。发送/接收单元 17和发送元件18 (例如，天线或线圈)作为无线通信元件而集成在传 感器单元4和信号处理单元5中。这个实施例在传感器2自身耗电极 低或几乎不耗电的情况中特别令人感兴趣。另外，集成在有源RFID收 发机中的往往是小的可充电式储能器。在本发明的这个实施例中，传 感器单元4和信号处理单元5中的时钟的同步是通过在由信号处理单 元5调用传感器单元4的电子测量变量M开始时，向传感器单元4传 递需要的能量(例如可能用于对储能单元进行充电)以及时钟信号而 实现的。在这种情况中，在信号处理单元5可以操作大量传感器2。为 了区别不同的传感器2，这里必须将标识符存储在例如传感器单元4的设定参数X中。通过参数化单元19实现将数据D (例如设定参数X，
或者用于设定对统一调节的输出信号AS的调节的数据)馈送入传感器 单元4，其中参数化单元19被分配给控制/分析单元11。当参数化单元 19要将数据D传输至传感器单元4时，参数化单元19通过利用发送/ 接收单元17和发送元件18将通知信号经由无线连接15传输至传感器 单元4，而向传感器单元4通知发送预备状态。在通知信号之后，传感 器单元4切换到接收模式，其中设定参数X被从参数化单元19传递， 并且在这一传递的时间中停止传递电子测量变量M作为调节的输出信 号AS。
图5显示了传感器单元4和特定用途信号处理单元5之间的流电 隔离的进一步的第五实施例。这个实施例中用作传感器单元4和特定 用途信号处理单元5之间的传输介质的是光波导24。通过这个光波导 24，在需要时传感器单元4被供应所需的能量E，同时数据D和调节 的输出信号AS在传感器单元4和特定用途的分析单元5之间被双向传 递。用作光波导24的是已知的类型，例如多模态或单模态玻璃纤维。 在特定用途信号处理单元5中，为了将光信号耦合进或耦合出光波导 24，提供第一光学发送/接收单元25，并且在传感器单元4中提供第二 光学发送/接收单元26。第二光学发送/接收单元26至少由例如光电元 件28和发光元件27构成，其中光电元件用于将从特定用途分析单元5 发射的光能信号E改变为电功率，发光元件用于产生测量变量M作为 光学调节的输出信号AS。用作光电元件28的可以例如是压縮光电池 或者多层光电池。作为光电元件28的补充，在传感器单元4中还可以 集成光敏元件29作为接收元件，其接收从特定用途分析单元5传输的 数据D。这个附加的光敏元件29在图中没有明确示出，并且如果能够 利用光电元件28在信号技术上将数据信号D与能量信号E区分并隔 离，这个光敏元件也可以被省略。这里，光电元件28将能量信号E转 变为相应的电能；同时，光电元件28接收光学数据信号D并将其转变 为电子数据信号D。在光波导24在测量换能器电路3中的另一末端， 提供第一光学发送/接收单元25，其至少由一个发光元件27和光敏元件29构成。用作发光元件27的例如是发光二极管或激光二极管，用
作光敏元件29的例如是光电二极管或光电三极管。为了将能量信号E、 数据信号D和调节的输出信号AS彼此在信号技术上隔离，各个信号 以不同的频谱传递。通过在接收器之前的光学滤波器，在传递的光信 号中的相应频谱部分被滤出，并且因而各个信号(例如数据信号D、 能量信号E和调节的输出信号AS)能够在信号技术上被隔离。进一步， 可以通过调制类型而将信号D、 E、 AS彼此隔离。能量信号E例如是 在第一光学发送/接收单元25中由激光二极管产生的，该激光二极管例 如辐射红外范围的连续光，并且在第二光学发送/接收单元26中，光电 元件28的能量信号E被转换回电能。这个经转变的电能用于为传感器 单元4和传感器2供电。在这个第五实施例中的传感器单元4没有集 成在测量换能器电路3和变送器23中。这样，可以将传感器单元4连 同传感器2安装在较远的位置并且与变送器23隔离。这个将测量换能 器电路3和传感器单元4隔离的实施例还可以用于其他附图中的其他 实施例。时钟同步正如前面在图3的实施例中所述那样发生，不过是 利用光学传递的时钟信号。
图6示出了传感器单元4和特定用途信号处理单元5之间的流电 隔离的一个补充实施例，其中电子测量变量M和数据D的通信是经由 具有用于流电隔离的隔离元件16的电路连接14进行的。对于这种流 电隔离元件16的实施例是光耦、变压器或者用于高频传递信号的电磁 或电感耦合的耦合结构。在这个实施例中，时钟发生器10固定地集成 在测量换能器电路3和/或变送器23的结构中。
图7显示了本发明的装置1的第七实施例，其具有模块化构造的 测量换能器电路3和传感器2。在这个实施例中，对测量精度具有较低 需求的第一类型5a信号处理单元5固定地集成在测量换能器电路3和/ 或变送器23中。如果相反，对于确定过程变量P的测量值MW的测量 精度的具有较高需求，那么可以将具有较高精度的信号处理单元5安 装在插入位置中。如果在插入位置12安装了其他信号处理单元5，例如具有模/数转换电路8的第三类型5C信号处理单元5，那么开关元件
20将信号处理单元5上的电路连接14切换入插入位置12。开关元件 20被分配给插入位置12并且通过第二类型5b或第三类型5c信号处理 单元5插入插入位置而得到触发。于是，在标准实施例中，没有信号 处理单元5集成在插入位置12中。然而，如果需要较高的测量性能， 那么可以将第二类型5b或第三类型5c信号处理单元5的合适的改型安 装在插入位置12中。
图8显示了本发明的装置1的第八实施例，其具有模块化构造的 测量换能器电路3和传感器2。作为固定地集成在测量换能器电路3和 /或固定地集成在变送器23中的第一类型5a信号处理单元5的补充， 另一个第一类型5a、第二类型5b或第三类型5c信号处理单元5模块 化安装在插入位置12。这两个信号处理单元5的两个测量值MW在检 查单元21中得到验证和校验，该检查单元21例如在分析单元11中。 检査单元21为此执行真实性检査或对各个测量值MW相对于彼此进行 验证，其中利用由固定地集成在测量换能器电路3和/或固定地集成在 变送器23中的第一类型5a特定用途信号处理单元5所确定的测量值 MW对由插入位置12中提供的第一类型5a、第二类型5b或第三类型 5c特定用途信号处理单元5所得到的测量值进行真实性检查或验证。 另外，通过将利用不同类型5a、 5b、 5c信号处理单元5确定的同一过 程变量P的测量值MW直接进行比较，可以减小本发明的装置1的总 测量误差和/或测量不确定度，并从而增加可用性。通过这个实施例， 通过短时间使用在插入位置12中的第二类型5b或第三类型5c信号处 理单元5，可以检査或者还可以标定利用固定地集成在测量换能器电路 和/或固定地集成在变送器23中的第一类型5a信号处理单元5对过程 变量P的测量值MW进行的确定。于是，通过例如在生产的标定阶段 使用第二类型5b或第三类型5c信号处理单元5，可以标定并检查具有 较低测量精度需求的成本低廉的现场设备或装置1。当维护人员要检查 现场设备或装置1的功能性以及测量精度时，还可以使用这个对固定 安装的信号处理单元5的过程变量P的测量值MW进行检查的功能。第二类型5b或第三类型5c的实施例也可以用作固定地集成的信号处理单元。
图9和IO显示了图5所示的第五实施例的第一和第二应用例，其 中使用了用于根据流体静压测量原理确定容器31中的填充物质32的 料位F的装置1。在这种测量原理中，在最大可能料位F之上安装了第 二压力传感器2，其用于从顶部空间压力确定第二测量变量M2，作为 第二过程变量P2;并且在最小可能料位F之下安装了第一压力传感器 2，其用于确定第一测量变量M1，作为第一过程变量P1。当填充物质 的密度不波动时，可以使用这个压力差，并且考虑重力，来确定在第 一和第二压力传感器2之间填充物质的界面的高度H。为了测量测量 变量M压力差，在许多应用场合中使用压差传感器。除了测量变量M 压力差，还可以利用压差传感器基于流体静压差而确定容器中的料位。 然而，还可以从在水平放置的水槽中的不同横截面的两个不同位置之 间或者在一段收縮(例如，孔板或者动压探头)前后之间的动压差， 确定流量作为测量变量M。
通常，装置1用于确定流体静压差，其中，在低于最小料位F的 位置，在容器31上安放压差传感器，并且顶部空间压力被经由毛细管 馈送至压差传感器。由于温度影响毛细管，测量精度可能受到不利影 响。另外，从公开文献DE 694 33 185 T2已知，要利用两个分别通过 电线与用于确定压力差的变送器相连的独立的压力变送器来确定压力 差。
图9中的实施例显示了装置1的第一变型，其用于确定流体静压 差，其中，在最小料位F的位置之下，本发明的变送器23连同压力传 感器2放置在容器31上。变送器23中的测量换能器电路3还包含第 一光学发送/接收单元25，通过它，利用光波导24可以连接、供电并 分析另一用于测量顶部空间压力的压力传感器。在第一光学发送/接收单元25中，集成了至少一个发光元件27(例
如，发光二极管)和光敏元件29。发光元件27产生能量E和数据D 作为光信号，并为了传递至传感器单元4而将这个光信号耦合入光波 导24。光信号的光能E在传感器单元4的第二光学发送/接收单元26 中例如通过光电元件28而转变回电能。传感器单元4被光电元件28 的这个重新转变的能量供电。第二光学发送/接收单元26为了传递调节 的输出信号AS而包含发光元件27，从而将调节的输出信号AS作为光 信号耦合入光波导。于是，另一用于测量顶部空间压力的压力传感器2 通过光波导24以及通过电信号转变为光学信号而与其余的变送器23 流电隔离。两个传感器单元4同时地或者在时间上有偏差地将第一测 量变量Ml和第二测量变量M2传输至特定用途分析单元5。如果测量 变量Ml、 M2被同时发送至特定用途分析单元5，那么，在信号分析 之前，形成两个测量变量M1、 M2的差。另一方面，在通过调节的输 出信号AS而在时间上有偏差地传递测量变量Ml、 M2的情况中，在 信号分析之后由特定用途分析单元5形成差。
图10中的实施例显示了装置1的第二变型，其用于确定流体静压 差，其中本发明的变送器23连同压力传感器2在最小料位F的位置之 下放置在容器31上。根据本发明，其模块化构成的测量换能器电路3 由传感器单元4和特定用途分析单元5构成，它们通过光学光波导24 而流电隔离地通信。为了确定顶部空间压力(即，容器31中的气相压 力)，另一个压力传感器2放置在最大料位F之上并且利用相关联的 传感器单元4通过另一光波导24与特定用途分析单元5通信。为了通 过光波导24传递调节的输出信号AS和能量E，在两个传感器单元4 中提供相应的第二光学发送/接收单元26以及在特定用途分析单元5中 提供至少一个第一光学发送/接收单元25。光学发送/接收单元26例如 这样构成，其中每一通道或者每一连接的传感器2都具有其自己的光 敏元件28。例如，为了特定用途分析单元5中的传感器单元4的能量 供应，仅仅提供激光二极管27。各个通道在信号技术上的隔离例如是 通过信号编码、光学多路复用方法、不同频谱范围中的折射或者空间或光学隔离而实现的。这例如在公开文献DE 100 556 29 Al、 DE 102005016641 Al、 EP 1 008 840 Al和DE 40 18 998 Al中有所记载。 这些光学压力传感器的优点是，它们不需要额外的用于传感器单元4 的能量供应，而是往往基于测量光波导24或者在光波导24末端上的 元件(例如，双折射晶体)由于压力改变而造成的光学性能改变。附图标记
1 装置
2 传感器
3 测量换能器电路
4 传感器单元；信号调节器
5 特定用途信号处理单元
5a第一类型 5b第二类型 5c第三类型
6 低通滤波器
7 计数电路；微控制器
8 模/数转换电路
9 信号转换器 10时钟发生器
11控制/分析单元 12插入位置 13时钟线路 14电路连接 15无线连接 16隔离元件 17发送/接收单元 18发送元件 19参数化单元 20开关元件 21检查单元 22通信接口 23变送器 24光波导
25第一光学发送/接收单元 26第二光学发送/接收单元27发光元件
28光电元件 29光敏元件 30控制站 31容器
32介质，填充物质
33现场总线，二线制线路
P 过程变量
Pl第一过程变量
P2第二过程变量
M测量变量
Ml第一测量变量
M2第二测量变量
MW测量值
D 数据
E 能量信号
AS调节的输出信号
AI模拟电流信号
AU模拟电压信号
DS数字信号
X 设定参数
H 高度
F 料位
权利要求
1.装置(1)，具有至少一个用于检测至少一个化学和/或物理过程变量(P)的传感器(2)以及至少一个模块化构造的测量换能器电路(3)，该测量换能器电路具有至少一个传感器单元(4)，该传感器单元从由传感器(2)检测的过程变量(P)中确定电子测量变量(M)并且向传感器(2)提供所需的能量，该测量换能器电路还具有至少一个特定用途信号处理单元(5)，用于从电子测量变量(M)中确定测量值(MW)；-其中在传感器单元(4)和特定用途信号处理单元(5)之间传递调节的输出信号(AS)；-其中特定用途信号处理单元(5)是可替换的；并且-其中根据测量值(MW)的可预定的测量精度，能够安装多种不同类型(5a，5b，5c)特定用途信号处理单元(5)中的至少一种。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，信号处理单元(5)串联控制/分析单元(11)，该控制/分析单元用于分析并进一步处理测量值(MW)以及用于调节及控制装置(1)。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中，第一类型(5a)特定用途信号处理单元(5)用于对测量精度具有较低需求的应用场合。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的装置，其中，第二类型(5b)特定用途信号处理单元(5)用于对测量精度具有中等需求的应用场合。
5. 根据权利要求1、 2、 3或4所述的装置，其中，第三类型(5c)特定用途信号处理单元(5)用于对测量精度具有较高需求的应用场合。
6. 根据权利要求3所述的装置，其中，第一类型(5a)特定用途信号处理单元(5)包括至少一个低通电路(6)。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中，低通电路(6)提供与电子测量变量(M)成比例的测量值(MW)，该测量值的形式为模拟电流信号(AL)或模拟电压信号(AU)。
8. 根据权利要求4所述的装置，其中，第二类型(5b)特定用途信号处理单元(5)包括至少一个计数电路(7)。
9. 根据权利要求5所述的装置，其中，第三类型(5c)特定用途信号处理单元(5)包括至少一个模/数转换电路(8)。
10. 根据权利要求8或9所述的装置，其中，计数电路(7)和/或模/数转换电路(8)提供与电子测量变量(M)成比例的测量值(MW)，该测量值的形式为数字信号(DS)。
11. 根据权利要求3或6所述的装置，其中，至少第一类型(5a)、第二类型(5b)和/或第三类型(5c)特定用途信号处理单元(5)固定地集成在测量换能器电路(3)中。
12. 根据权利要求1 11之一所述的装置，其中，在测量换能器电路(3)中提供至少一个插入位置(12)，用于不同类型(5a， 5b， 5c)特定用途信号处理单元(5)的模块化替换。
13. 根据权利要求12所述的装置，其中，在插入位置(12)提供开关元件(20)。
14. 根据权利要求11或12所述的装置，其中，提供检查单元(21)，其实现利用由固定地集成在测量换能器电路(3)中的第一类型(5a)、第二类型(5b)或第三类型(5c)特定用途信号处理单元(5)所确定的测量值(MW)对由置于插入位置(12)中的第一类型(5a)、第二类型(5b)或第三类型(5c)特定用途信号处理单元(5)确定的测量值(MW)进行真实性检查或确认。
15. 根据权利要求1所述的装置，其中，在传感器单元(4)和特定用途信号处理单元(5)之间提供至少一个电路连接(14)，用于传输统一调制的输出信号(AS)。
16. 根据权利要求15所述的装置，其中，提供至少一个隔离元件(16)，用于电路连接(14)的流电隔离。
17. 根据权利要求1所述的装置，其中，提供无线连接(15)，用于在统一的传感器单元(4)和特定用途信号处理单元(5)之间传输能量E、数据D以及统一调制的输出信号(AS)。
18. 根据权利要求l所述的装置，其中，提供至少一个光波导(24)，用于在统一的传感器单元(4)和特定用途信号处理单元(5)之间传递能量E、数据D以及统一调制的输出信号(AS)。
19. 根据权利要求1所述的装置，其中，在统一调制的输出信号(AS)中提供共同的时钟线路(13)或前同步信号，用于同步特定用途信号处理单元(5)和传感器单元(4)。
20. 根据权利要求l、 15、 17或18所述的装置，其中，在传感器单元(4)中存储设定参数(X)，该设定参数用于提供不同类型的传感器(2)和/用于产生不同类型传感器(2)的电子测量变量(M)。
21. 根据权利要求l、 15、 17、 18或20所述的装置，其中，在传感器单元(4)中提供自动例程，用于设定与所连接的传感器(2)的确定的类型相应的设定参数(X)。
22. 根据权利要求l、 15、 17、 18、 20或21所述的装置，其中， 提供参数化单元(19)，用于向传感器单元(4)传输至少用于设定所 述设定参数(X)的数据(D)和/或传输用于设定对统一调节的输出信 号(AS)进行调节的数据(D)。
23. 根据权利要求l、 15、 17、 18或19所述的装置，其中，提供 脉宽调制信号，作为统一调节的输出信号(AS)。
24. 根据权利要求l、 15、 17、 18或19所述的装置，其中，提供 频率调制信号，作为统一调节的输出信号(AS)。
25. 根据权利要求l、 15、 17、 18或19所述的装置，其中，提供脉冲相位调制信号，作为统一调节的输出信号(AS)。
26. 根据权利要求1、 20或21所述的装置，其中，传感器(2) 被实施为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻、半导体温度传 感器、热电偶、热释电式温度传感器、居里效应温度传感器和/或光纤 温度传感器，用于确定温度作为过程变量(P)的电子测量变量(M)。
27. 根据权利要求1、20或21所述的装置，其中，提供传感器(2)， 其根据电感、压阻、光学或光纤作用原理，将过程变量(P)压力转换 为成比例的电子测量变量(M)，用于确定压力作为过程变量(P)的 电子测量变量(M)。
28. 根据权利要求1、20或21所述的装置，其中，提供传感器(2)， 其根据电感、电导、压电测量原理或者行程时间测量原理工作，用于 确定容器中的填充料位或极限料位作为过程变量(P)的电子测量变量(M)。
29. 根据权利要求1、20或21所述的装置，其中，提供传感器(2)，其根据磁感应测量原理、科里奥利、涡流或行程时间原理或者文丘利、 孔板或动压探头原理工作，用于确定流量作为过程变量(P)的电子测 量变量(M)。
全文摘要
本发明涉及一种装置(1)，其具有至少一个用于检测至少一个化学和/或物理过程变量(P)的传感器(2)以及至少一个模块化构造的测量换能器电路(3)，该测量换能器电路具有至少一个传感器单元(4)，该传感器单元根据由传感器(2)检测的过程变量(P)确定测量变量(M)并且向传感器(2)提供需要的能量，该测量换能器电路还具有至少一个特定用途信号处理单元(5)，用于从测量变量(M)确定测量值(MW)，其中在传感器单元(4)和特定用途信号处理单元(5)之间提供经调节的输出信号(AS)，其中特定用途信号处理单元(5)是可替换的，并且其中根据装置(1)确定测量值(MW)的可预定的测量精度，提供多个不同类型(5a，5b，5c)的特定用途信号处理单元(5)。
文档编号G01D5/12GK101583849SQ200780042693
公开日2009年11月18日 申请日期2007年11月15日 优先权日2006年11月16日
发明者迈克尔·菲利普斯 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司