DE10392554B4 - Prozessgeber mit drahtloser Kommunikationsverbindung - Google Patents
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Abstract
Prozeßgeber (12), der so konfiguriert ist, daß er eine Prozeßgröße eines industriellen Prozesses misst, mit: einem Prozeßgrößensensor (54), der so konfiguriert ist, daß er die Prozeßgröße erfaßt und als Reaktion darauf eine Prozeßgrößensensorausgabe liefert; einem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50), der mit dem Prozeßgrößensensor (54) gekoppelt ist; einem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau (60), der so konfiguriert ist, daß er mit dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50) zusammenwirkt; einer Ankopplung an eine Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (16), die so konfiguriert ist, daß sie Strom zum ersten und separat davon zum zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau von der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (16) führt, über die dem Prozeßgeber (12) Strom zugeführt und Daten übertragen werden; einem Gehäuse (38), das durch eine Sperre (44) in einen hermetisch abgedichteten ersten Hohlraum (42), in dem der erste elektronische Geberschaltungsaufbau (50) untergebracht ist, und einen zweiten Hohlraum (40), in dem der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau (60) untergebracht ist, unterteilt ist, wobei die Sperre (44) eine Durchführung (52) für die Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (16) aufweist; und mit einer körperlosen elektromagnetischen Kommunikationsverbindung (70) zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50) und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau (60), die so konfiguriert ist, daß sie Daten zwischen ihnen über die Sperre (44) überträgt.
Description
- Die Erfindung betrifft Geber der Art, die zum Messen von Prozeßgrößen industrieller Prozesse verwendet werden.
- Prozeßsteuerschleifen werden in verschiedenen Industriezweigen verwendet, um den Betrieb industrieller Prozesse zu steuern oder zu überwachen. Ein Prozeßgeber ist normalerweise Teil der Prozeßsteuerschleife und ist vor Ort angeordnet, um eine solche Prozeßgröße wie Druck, Durchfluß oder Temperatur zu messen und zu Leitwartentechnik zu senden. Einige Prozeßsteuerschleifen weisen eine Steuerung auf, z. B. eine Ventilsteuerung, die als Reaktion auf die vom Geber erfaßte Prozeßgröße gesteuert wird.
- Häufig kommen Prozeßgeber in rauhen, ätzenden Umgebungen oder in Umgebungen zum Einsatz, die potentiell explosive Gase oder Mischungen enthalten. Um daher die Möglichkeit von Schäden an Innenkomponenten des Gebers aus der ätzenden Umgebung zu reduzieren und um die Möglichkeit zu senken, daß ein interner Schaltungsaufbau eine Entzündung explosiver Gase verursacht, weist der Geber normalerweise ein Gebergehäuse auf, das die Innenkomponenten sicher abdichtet. Allerdings müssen Öffnungen im Gehäuse so vorgesehen sein, daß der Geberschaltungsaufbau mit einem externen Schaltungsaufbau gekoppelt sein kann. Zur Aufrechterhaltung einer Abdichtung über diese Öffnungen muß jede Öffnung im Gehäuse mit Hilfe spezieller Isolier- und Blockiertechniken abgedichtet sein. Jede Öffnung durch das Gebergehäuse erfordert zusätzliche Herstellungsschritte und macht den Geber teurer.
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US Patent 5,727,110 offenbart ein Feldinstrument mit einem Gehäuse mit einem Elektronikabteil, einem Anschlußabteil und einer Trennwand, die das Elektronikabteil vom Anschlußabteil trennt. Eine erste alektrische Leitung erstreckt sich durch die Trennwand. Ein Interfacemodul ist innerhalb des Anschlußabteils angeordnet. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Interfacemodul mit dem Feldinstrument können modifiziert werden, um direkte Messungen einer Prozeßvariablern über einen separaten Anschluß zu liefern. -
DE 197 19 730 C1 offenbart eine Steckverbindung für einen explosionsgefährdeten Bereich zur Energie- und Datenübertragung mittels elektrischer Größen bei einem Bussystem, die ein als übertrager ausgebildetes Primärteil und ein Sekundärteil sowie Begrenzungseinrichtungen für zu übertragende elektrische Größen aufweist. - Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozeßgeber gemäß Anspruch 1 und ein Prozeßüberwachungssystems nach Anspruch 6.
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1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Prozeßsystems mit einem erfindungsgemäßen Prozeßgeber. -
2 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform des Prozeßgebers von1 . -
3 ist ein Blockschaltbild eines Prozeßsystems gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung. - In einem Aspekt stellt die Erfindung eine Technik bereit, um die Anzahl von Öffnungen oder Durchführungen zu reduzieren, die durch das Gehäuse eines industriellen Prozeßgebers vorgesehen sein müssen.
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1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Prozeßüberwachungssystems10 , das so konfiguriert ist, daß es einen industriellen Prozeß überwacht. Das System10 weist einen Geber12 auf, der mit einer Leitwarte14 über eine Prozeßsteuerschleife16 gekoppelt ist. Die Prozeßsteuerschleife16 ist als Zweidraht-Prozeßsteuerschleife dargestellt, kann aber jedem Format entsprechen und wird normalerweise verwendet, Daten zu übertragen sowie Strom dem Geber12 zuzuführen. Ein Schaltungsaufbau in der Leitwarte14 ist als Spannungsquelle18 und Widerstand20 modelliert. Zu exemplarischen Prozeßsteuerschleifen gehören 4-20-mA-Schleifeng Schleifen in Übereinstimmung mit dem HART®-Standard und Fieldbus-Standard. - Der Geber
12 weist ein Gebergehäuse38 auf, das einen ersten Hohlraum40 und einen zweiten Hohlraum42 hat, die darin gebildet sind. Eine Sperre44 trennt die Hohlräume40 und42 . Der Hohlraum42 ist hermetisch abgedichtet, um ätzende Prozeßfluide am Eintritt in den Hohlraum42 zu hindern und um ferner Entzündung brennbarer Prozeßfluide infolge einer Energieentladung vom Schaltungsaufbau im Hohlraum42 zu verhindern. Ein elektronischer Geberschaltungsaufbau50 ist im Hohlraum42 angeordnet und mit der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife16 über Durchführungen52 gekoppelt. Die Durchführungen52 können eine oder mehrere Öffnungen durch die Sperre44 aufweisen und können über elektrische Komponenten verfügen, z. B. Komponenten zur Reduzierung von Energieentladung, Filter usw. Der elektronische Geberschaltungsaufbau50 ist mit einem Prozeßgrößensensor54 gekoppelt, der so konfiguriert ist, daß er eine Größe des Prozesses erfaßt. Zu exemplarischen Sensoren gehören Temperatur-, Druck- und Durchflußsensoren. Der Sensor54 kann im Hohlraum42 angeordnet oder kann außerhalb des Hohlraums42 angeordnet sein. - Der Hohlraum
40 weist einen elektronischen Geberschaltungsaufbau60 auf, der auch mit der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife16 gekoppelt ist. Der Geber12 ist mit der Schleife16 über Schleifenverbindungen90 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann die Schleife16 den gesamten Strom zuführen, der vom Schaltungsaufbau50 und Schaltungsaufbau60 verbraucht wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung erstreckt sich eine körperlose elektromagnetische Verbindung70 über die Sperre44 und sorgt für eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Schaltungsaufbau50 und Schaltungsaufbau60 . Die Verbindung70 kann unidirektional oder bidirektional sein. Die Kommunikationsverbindung70 ist zwischen einem Wandler64 , der mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau50 gekoppelt ist, und einem Wandler62 gebildet, der mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau60 gekoppelt ist. Die Wandler62 und64 können z. B. Antennen, Kondensatorplatten oder Induktorelemente aufweisen. - Die körperlose elektromagnetische Verbindung
70 kann jede Art von elektromagnetischer Verbindung sein, die keine körperliche Kopplung erfordert. Zu Beispielen zählen eine HF-(Hochfrequenz-)Verbindung, eine induktive Verbindung oder eine kapazitive Verbindung. Ist die Verbindung70 eine HF-Verbindung, können die Wandler62 und64 Antennen aufweisen, die so konfiguriert sind, daß sie Hochfrequenzsignale senden und/oder empfangen. Die Frequenz der HF-Signale kann nach Bedarf ausgewählt sein, was auch für die Form und Konfiguration der Antennen gilt, die die Wandler62 und64 bilden. Ist die Verbindung70 eine induktive Verbindung, können die Wandler62 und64 Induktoren aufweisen, die ausreichend eng plaziert sind, um Signalübertragung dazwischen zu ermöglichen. Ist die Verbindung70 eine kapazitive Verbindung, können die Wandler62 und64 ähnlich kapazitive Platten aufweisen. - Die Verbindung
70 kann Daten mit jeder gewünschten Datenrate übertragen. Schnellere Datenübertragungsraten tendieren dazu, einen größeren Strombedarf zu haben. Das spezielle Format der Daten und Protokolle, die auf den Verbindungen70 zum Einsatz kommen, kann standardisierten oder anwendereigenen Formaten entsprechen. Die Datenverbindung70 kann unidirektional sein, wobei sie Daten in eine der beiden Richtungen zwischen dem Schaltungsaufbau50 und60 überträgt, oder kann eine bidirektionale Verbindung sein. - Im Betrieb ist der elektronische Geberschaltungsaufbau
50 mit dem Sensor54 gekoppelt und wird verwendet, eine Prozeßgröße zu erfassen und zu messen, z. B. Druck, Temperatur, Durchfluß, Pegel usw. In einer Ausführungsform wird der Geber12 vollständig mit Strom gespeist, der über die Prozeßsteuerschleife16 empfangen wird. Daten, die sich auf die erfaßte Prozeßgröße beziehen, werden über die Schleife16 in einem digitalen oder analogen Format zur Leitwarte14 oder zu anderer Technik an der Schleife16 übertragen. - Die Verbindung
70 bildet eine sichere Kommunikationsverbindung zum elektronischen Schaltungsaufbau60 , ohne zusätzliche Durchführungen durch die Sperre44 zu erfordern. Ferner erfordert die Verbindung70 keine zusätzliche Stromquelle zum Betrieb. Durch Reduzieren der Anzahl von Durchführungen und Senken des Bedarfs an zusätzlichen Stromquellen werden auch die Herstellungskosten gesenkt. Ferner sorgt diese Konfiguration für Flexibilität beim Kapseln. - Der elektronische Geberschaltungsaufbau
60 kann jede Art von Schaltungsaufbau aufweisen, bei dem erwünscht ist, den Schaltungsaufbau vom Schaltungsaufbau50 trennen zu lassen. Zu spezifischen Beispielen gehören ein Meßgerät oder eine Anzeige, so daß Informationen am Geber12 lokal angezeigt werden können. Angezeigt werden können z. B. Meßwerte vom Sensor54 oder Einstell- oder Konfigurationsinformationen im Zusammenhang mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau50 . Ein weiteres Beispiel für den Schaltungsaufbau60 weist Schalter zum lokalen Steuern von Prozeßsteuerelementen auf, z. B. Ventilen oder anderen Komponenten. In einem weiteren Beispiel kann der Schaltungsaufbau60 einen Eingangsschaltungsaufbau, z. B. Drucktasten zum Empfangen einer manuellen Eingabe, oder eine elektronische Kopplung aufweisen, die so konfiguriert ist, daß sie mit einem Konfigurations- und Überwachungsschaltungsaufbau gekoppelt ist. In solchen Ausführungsformen werden Eingaben über den Schaltungsaufbau60 verwendet, den elektronischen Geberschaltungsaufbau50 zu programmieren, kalibrieren und/oder abzufragen. -
2 ist eine Perspektivansicht des Gebers12 . In2 ist der elektronische Geberschaltungsaufbau60 als Anzeige dargestellt. Die Anzeige kann Sensorwerte, Kalibrierinformationen, Diagnoseinformationen usw. anzeigen. In2 sind in Durchsicht auch die Positionen des Sensors54 , des Schaltungsaufbaus50 und der Sperre44 , der Wandler64 und62 gezeigt. -
3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Steuersystems100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Darstellungsgemäß weist das Steuersystem100 mehrere Geber, Geber12A ,12B und12C , auf, die mit der Prozeßsteuerschleife16 gekoppelt sind. Obwohl3 eine einzelne Prozeßsteuerschleife16 zeigt, können bei Bedarf mehrere Prozeßsteuerschleifen16 zum Einsatz kommen. Ein Vorortmeßgerät102 ist mit der Prozeßsteuerschleife gekoppelt. Das Meßgerät102 kann mit derselben Schleife16 wie die Geber12 oder mit einer unterschiedlichen Steuerschleife16 gekoppelt sein. Körperlose elektromagnetische Verbindungen106 sorgen für eine Kommunikationsverbindung zwischen den Gebern12A ,12B und12C und dem Meßgerät102 . Die Verbindung kann unidirektional. gemäß3 oder bidirektional sein. Die Verbindungen können unterschiedliche Frequenzen haben, zu. verschiedenen Zeiten auftreten oder Codiertechniken verwenden, so daß Daten zu oder von den unterschiedlichen Gebern differenziert werden können. - In der Ausführungsform von
3 wird ein einzelnes Meßgerät102 verwendet, um mehrere Geber12A ,12B und12C zu überwachen. Ferner ist in einigen Fällen ein Geber12 so positioniert, daß er schwer zu sehen ist. In einer solchen Ausführungsform kann das Meßgerät102 an einer leichter sichtbaren Stelle plaziert sein, so daß eine Ausgabe vom Geber12 in Augenschein genommen werden kann. - Das Meßgerät
102 zusammen mit den Gebern12A ,12B und12C kann vollständig mit Strom gespeist sein, der über die Prozeßsteuerschleife16 empfangen wird. In einer Ausführungsform weist das Element102 gemäß3 einen Schalter oder eine andere Vorrichtung zum Steuern des Prozesses oder einen Eingang zum Bereitstellen von Eingaben für die Geber12A ,12B und12C auf. Außerdem können die Geber12A ,12B und12C eine interne körperlose Kommunikationsverbindung70 , z. B. die gemäß1 , aufweisen, um mit dem elektronischen Geberschaltungsaufbau60 zu kommunizieren, der im speziellen Geber12A ,12B und12C angeordnet ist. - In verschiedenen Aspekten der Erfindung wird eine Verringerung der Anzahl von Durchführungen im Gehäuse eines Gebers er reicht. Die Erfindung erfordert keine zusätzlichen Batterien oder Stromversorgungen und reduziert Kosten, die mit mehreren Durchführungen zusammenhängen. Ferner sorgt die Erfindung für größere Flexibilität beim Verkapseln und bei der Konfiguration von Prozeßgebern. Die Erfindung kann mit anderen Arten von Geberkonfigurationen, Prozeßgrößensensoren oder Prozeßsteuerschleifen verwendet werden. Daten auf der Kommunikationsverbindung können jedem gewünschten Format entsprechen. Die auf der Verbindung übertragenen Daten können jede Art von Daten sein, u. a. Prozeßgrößen-, Programmier-, Kalibrier- und Konfigurationsdaten.
Claims (6)
- Prozeßgeber (
12 ), der so konfiguriert ist, daß er eine Prozeßgröße eines industriellen Prozesses misst, mit: einem Prozeßgrößensensor (54 ), der so konfiguriert ist, daß er die Prozeßgröße erfaßt und als Reaktion darauf eine Prozeßgrößensensorausgabe liefert; einem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50 ), der mit dem Prozeßgrößensensor (54 ) gekoppelt ist; einem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau (60 ), der so konfiguriert ist, daß er mit dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50 ) zusammenwirkt; einer Ankopplung an eine Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (16 ), die so konfiguriert ist, daß sie Strom zum ersten und separat davon zum zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau von der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (16 ) führt, über die dem Prozeßgeber (12 ) Strom zugeführt und Daten übertragen werden; einem Gehäuse (38 ), das durch eine Sperre (44 ) in einen hermetisch abgedichteten ersten Hohlraum (42 ), in dem der erste elektronische Geberschaltungsaufbau (50 ) untergebracht ist, und einen zweiten Hohlraum (40 ), in dem der zweite elektronische Geberschaltungsaufbau (60 ) untergebracht ist, unterteilt ist, wobei die Sperre (44 ) eine Durchführung (52 ) für die Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (16 ) aufweist; und mit einer körperlosen elektromagnetischen Kommunikationsverbindung (70 ) zwischen dem ersten elektronischen Geberschaltungsaufbau (50 ) und dem zweiten elektronischen Geberschaltungsaufbau (60 ), die so konfiguriert ist, daß sie Daten zwischen ihnen über die Sperre (44 ) überträgt. - Prozessgeber nach Anspruch 1, wobei die körperlose elektromagnetische Kommunikationsverbindung eine Hochfrequenz-(HF-)Verbindung aufweist.
- Prozessgeber nach Anspruch 1, wobei die körperlose elektromagnetische Kommunikationsverbindung eine kapazitive Kopplung aufweist.
- Prozessgeber nach Anspruch 1, wobei die körperlose elektromagnetische Kommunikationsverbindung eine induktive Kopplung aufweist.
- Prozessgeber nach Anspruch 1, wobei die Daten eine Prozeßgröße, Kalibrierdaten, Programmierdaten und/oder Konfigurationsdaten aufweisen.
- Prozeßüberwachungssystem mit einem Prozeßgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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