專利名稱：用于確定和/或監控至少一個過程變量的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于確定和/或監控至少一個過程變量的裝置，其 包括至少一個第一電子單元和至少一個第二電子單元。過程變量可以 例如是介質的料位、密度、粘度、壓力、流量或pH值，其中介質優選
地是液體或松散材料。
背景技術：
在過程及自動化技術中，測量儀表經常用于確定和/或監控過程變 量。如果待監控的介質或過程位于有爆炸危險的區域中，那么往往需 要流電隔離，以將在有爆炸危險的區域中(這通常是至少利用測量儀 表監控的過程)的測量儀表的接觸介質的部分例如與供電部分或者與 操作人員的服務相隔離。為此，測量儀表往往具有兩個電子單元，其 間提供這種流電隔離。通過這個隔離，通常操作傳感器單元所必須的 能量以及數據(例如，測量數據)得到傳輸，其中數據甚至可以被雙
向傳輸。在現有技術中，為此已經存在大量已知的方案；例如，參見 DE 2 321 900、 EP 0 977 406 Al或EP 0 927 982 Bl。然而，這些方案非 常復雜且昂貴。另一種可能是通過作為傳遞媒介的變壓器來傳輸所需 的能量以及通過光耦傳輸數據，其中在流電隔離的每一側上提供單元， 以能夠實現雙向的數據傳輸。這種"安全隔離"消耗大量空間，并且 因為元器件需求增加而昂貴。
發明內容
于是，本發明的目的是提供一種流電隔離，其能夠實現電能以及 數據的傳輸，其中特別地，避免了現有技術中較高的空間需求以及較 高的成本。本發明通過以下特征實現該目的提供至少一個傳輸單元；該傳 輸單元設置在第一電子單元和第二電子單元之間；并且傳輸單元在第 一電子單元和第二電子單元之間傳輸電能和數據。
根據一個實施例，傳輸單元通過控制傳輸電能的頻率，而將數據 從第一電子單元傳輸至第二電子單元。于是，從初級側到次級側，通 過能量傳輸的時序而進行數據傳輸。這樣從第一電子單元傳輸至第二 電子單元的數據例如是第二電子單元測量或處理測量數據所需要的測 量參數或者監控函數，或者是用于保證第一電子單元己經正確接收第 二電子單元的數據的反饋。于是，在這個實施例中，數據方向總是在 朝向傳感器單元的方向。 一種數據傳輸的方式是，不同的頻率配合不 同的開關狀態，即，高頻對應于達到預定料位，低頻對應于低于預定 料位，在這個例子中，過程變量是料位。
根據一個實施例，為了將邏輯零從第一電子單元傳輸至第二電子 單元，傳輸單元在可預定的時間段上中斷電能的傳輸并且/或者將電能 設置為可預定的值。于是，這是特殊的頻率，其中傳輸邏輯零，作為 能量傳輸的中斷，或者作為能量減少到一個特定的較小值。于是，這 個時序還可以用于傳輸數字一或零，或者用于例如發送具有相應較長 暫停或暫停之間節拍時間的一種莫爾斯碼。
在 一 個實施例中，通過傳輸單元傳輸交流電壓形式的電能并且根 據數據調制交流電壓的頻率，傳輸單元將數據從第一電子單元傳輸至 第二電子單元。這里，特別地，涉及傳輸交流電壓，其頻率自身承載
了要傳遞的信息。例如，當過程變量引起頻率改變時，不同的頻率與 不同的信息相關聯，或者頻率自身是信息。
在一個實施例中，通過傳輸單元根據數據調制第二電子單元從第 一電子單元得到的電流，傳輸單元將數據從第二電子單元傳輸至第一 電子單元。在這個實施例中，信息傳輸是從次級側到初級側。這個傳遞是這樣進行的在次級側，電流需求被根據要傳輸的信息而得到調 制，S卩，初級側注意到在次級側存在另外的電流需求。于是，對應于 約定的協議，信息被傳輸至初級側。
在一個實施例中，傳輸單元用作第一電子單元和第二電子單元之 間的流電隔離。
在一個實施例中，提供至少一個傳感器單元，其與第二電子單元 電連接。于是，第二電子單元在測量儀表中是實際傳感器器件的組成 部分，負責執行測量并產生測量信號。相反，第一電子單元對于用戶 提供關于能量、數據或在線維護的接口。
在一個實施例中，傳輸單元包括至少一個變壓器。
在一個實施例中，在第二電子單元中提供至少一個緩沖電容器， 用于儲存電能。當來自初級側的能量傳輸為了傳輸邏輯零而中斷時， 這個緩沖電容器特別具有優點。
在一個實施例中，傳輸單元在傳輸數據之前執行同步。優選地， 當數據從作為發送器的第二電子單元傳輸至作為接收器的第一電子單 元吋，執行同步，因為這是通過電流的調制而實現的。于是，同步這 樣執行，即，特別是接收側被切換至"準備接收"。優選地，同步， 即發送器和接收器之間的協調，是在每一次數據傳輸之前執行的，然 而，優選地，僅僅在每一次從第二電子單元到第一電子單元的傳輸之 前進行同步。特別地，在每一電子單元中有一用于控制數據傳輸的處 理器。
現在根據附圖詳細解釋本發明，附圖中 圖1是本發明的測量儀表的示意圖；和圖2是圖1的測量儀表的詳細視圖。
具體實施例方式
圖1原理上顯示了本發明的測量儀表，其中在這里，傳感器單元 4例如是所謂的振蕩叉。在其他實施例中，傳感器單元4可以例如是電
容式探頭、pH電極、微波天線、壓力測量盒、溫度探頭、或流量測量
儀表。本發明涉及能量及信息的傳輸并且不依賴于測量類型。
測量儀表由第一電子單元1和第二電子單元2構成。第二電子單 元被稱為"前端"，其與傳感器單元4相連并向其施加例如測量信號。 在這里作為例子顯示的第二電子單元2向振蕩叉4提供交流電壓，其 被振蕩叉4轉換為機械振蕩。另外，第二電子單元2接收傳感器單元4 的信號。接收的信號同樣為交流電壓，其依賴于振蕩叉4接觸的介質 的料位、密度或粘度這樣的變量。更概括地說第二電子單元2沿待 測量或監控的過程或介質的方向設置并執行測量的至少一部分核心任 務，諸如產生采樣信號以及接收、進一步處理和/或分析傳感器單元4 的測量信號。
優選地，在第一電子單元1中實現能量供應，然而，還可以實現 測量數據、開關狀態或測量參數的輸入/輸出。
在許多應用中，需要在兩個電子單元l、 2之間存在流電隔離，或 "安全的"流電隔離。這可能是出于功能或安全原因而需要的。可是 使用變壓器作為隔離，通過它例如傳輸電能/功率。同時，還需要在兩 個單元1、 2之間傳輸信息/數據，其中這個信息傳輸不允許消除流電隔 離。為此，例如使用光耦。如果進一步需要不僅將測量數據從第二電 子單元2傳輸至第一電子單元1，而且將測量參數或監控函數傳遞至第 二電子單元2或者通過反向傳輸而確認測量數據，那么在兩個電子單 元l、 2中都需要光耦，其一方面引起額外的成本，另一方面需要額外 的空間。要傳輸的數據可以由二進制信號構成，也可以由串行協議構成。
在現有技術中，例如變壓器用于能量傳輸以及兩個光耦用于數據 傳輸。在本發明的測量儀表中，通過經由一個傳輸單元3進行能量及 數據傳輸而避免了額外的花費以及較高的空間需求，其中甚至可以實 現在兩個方向上的數據傳輸。在一個實施例中，傳輸單元3與兩個電 子單元l、 2分離(圖l);在第二實施例中，傳輸單元3部分地是兩
個電子單元1、 2中的組成部分(圖2)。在圖2中，類似地，用于傳
輸數據的驅動器是要傳輸數據的電子單元的組成部分，變壓器作為實 際的變換器而由兩個電子單元共用。
在本發明中，數據或信息的傳輸疊加在能量的傳輸上，從而能量
承載信息。圖2顯示了一個實際例子。
例如，在圖2中，電能通過作為流電隔離的變壓器IO而從第一電 于單元1傳輸至第二電子爭元2。
同樣，為了將信息從第一電子單元1發送至第二電子單元2，通 過變壓器IO為功率傳輸提供時鐘。為此，提供第一處理器ll，其對應 于要傳遞的信息以及與第二電子單元2配合的協議而控制開關12上的 功率傳輸。例如可以通過短時間不傳輸電能而傳輸邏輯零。為了第二 電子單元2仍能工作， 一方面將時間段保持地盡可能短，另一方面在 第二電子單元2中提供緩沖電容器13。于是，通過調制要被傳輸的電 能，信息被從第一電子單元1傳輸至第二電子單元2。這里優選地，能 量的強度得到調制，例如在居間的時間中將其設置為零。在另一實施 例中，使用交流電壓，其頻率與要傳輸的數據相應地改變。
在第二電子單元2—側，通過改變電流需求，g卩，不同的電流量 "引出"，而將信息傳輸至第一電子單元1。為此，在第二電子單元2 中或者在第二電子單元在傳輸單元3的部分中，提供第二處理器14。這個第二處理器14將信號提供至電流調制器15，該電流調制器短時間 以尖峰脈沖增加變壓器10的次級側的電流需求。依賴于電流需求的時 序，信息被傳輸至初級側，即，傳輸入第一電子單元l。在這里，增加 的電流需求僅僅短時間產生，以防止過載或損耗。在另一實施例中，
電流需求短時間降低至合適的水平。另外，顯示了通過變壓器io傳輸 的能量的調制經過解調器16而達到第二處理器14。
圖2顯示了以下技術細節
單元11 (例如，處理器)產生用于操控DC/DC轉換器的方波信 號，該DC/DC轉換器在另一實施例中是離散非穩態多諧振蕩器。在次 級側2上，信號被整流二極管18整流，并在緩沖電容器13中被平滑 及保存。在初級側1上的緩沖電容器5發送DC/DC轉換所需的脈沖電 流并將輸入電壓保持為基本恒定。另外，在單元11中，要被傳輸的信 息或協議被生成并通過調制器21而調制到傳輸單元10上。在傳輸邏 輯零的情況中，內部邏輯鎖定兩個開關晶體管。這里，必須保證在有 非常多邏輯零的情況中或者在通信周期結束之后，取消鎖定，以更新 第二電子單元2中的緩沖電容器13中的電荷。整流單元19將經過調 制的信號饋送至解調器16，后者處理發送的數據，用于處理器14中的 接收單元。在從第二電子單元2向第一電子單元1傳輸的情況中，依 賴于要傳輸的信息，由調制器15調制較短的電流脈沖。在整流二極管 19的陰極進行調制。在電流調制期間，變壓器10的次級側上的整流二 極管18用作解耦二極管，并且保證經過調制的電流流經變壓器10并 且不能由緩沖電容器13除去。在這個實施例中，每次狀態從"低"改 變到"高"或者從"高"改變到"低"都對應于一個電流脈沖。在變 壓器10的初級側上，這個電流信息可以在流/壓轉換器20被耦合出并 在基本由D觸發器構成的解調器17中得到處理，用于在處理器單元 11中的進一歩處理。
由于EMC影響(例如，短脈沖或電涌脈沖)，在通信中可能發生 干擾，其中例如檢測到過高或過低的電流脈沖。為了保證信號不由于干擾而持久反轉或惡化，在每一次從第二電子單元2到第一電子單元1 的信息交換之前，在解調器17中的D觸發器執行同步。這個信號可以
直接由作用于調制器21的傳輸線得到并且饋送至觸發器的預置端。
實際中，電容器與流/壓轉換器20并聯連接，以將由瞬態引起的 干擾過濾掉。
根據本發明，通過從一側到另一側在時間上調制傳輸的能量(即， 從第一電子單元1發送的能量的頻率調制)以及通過反過來在時間上 改變電流下降(即，在時間上改變從第二電子單元2引出的電流)， 實現能量和數據的傳輸。附圖標記
1 第一電子單元
2 第二電子單元
3 傳輸單元
4 傳感器單元
5 緩沖電容器 10變壓器
11第一處理器 12電子開關 13緩沖電容器 14第二處理器 15電流調制器 16解調器 17解調器
18整流及解耦二極管 19整流二極管 20流/壓轉換器 21調制器
權利要求
1. 用于確定和/或監控至少一個過程變量的裝置，具有至少一個第一電子單元(1)和至少一個第二電子單元(2)，其特征在于，提供至少一個傳輸單元(3)，該傳輸單元(3)設置在所述第一電子單元(1)和所述第二電子單元(2)之間，并且所述傳輸單元(3)在所述第一電子單元(1)和所述第二電子單元(2)之間傳輸電能和數據。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中，傳輸單元(3)通過控制 傳輸電能的頻率而將數據從第一電子單元(1)傳輸至第二電子單元(2)。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中，為了將邏輯零從第一電子 單元(1)傳輸至第二電子單元(2)，傳輸單元(3)在可預定的時間 段上中斷電能的傳輸并且/或者將電能設置為可預定的值。
4. 根據權利要求2或3所述的裝置，其中，通過傳輸單元(3) 傳輸交流電壓形式的電能并且根據數據調制交流電壓的頻率，傳輸單 元(3)將所述數據從第一電子單元(1)傳輸至第二電子單元(2)。
5. 根據權利要求1 4之 -所述的裝置，其中，通過傳輸單元(3) 根據數據調制第二電子單元(2)從第一電子單元(1)得到的電流， 傳輸單元(3)將所述數據從第二電子單元(2)傳輸至第一電子單元
6. 根據權利要求1 5之一所述的裝置，其中，傳輸單元(3)用 作第一電子單元(1)和第二電子單元(2)之間的流電隔離。
7. 根據權利要求1 6之一所述的裝置，其中，提供至少一個傳感器單元(4)，其與第二電子單元(2)電連接。
8. 根據權利要求1~7之一所述的裝置，其中，傳輸單元(3)包 括至少一個變壓器(10)。
9. 根據權利要求1 8之一所述的裝置，其中，在第二電子單元(2) 中提供至少一個緩沖電容器(13)，用于儲存電能。
10. 根據權利要求1 9之一所述的裝置，其中，傳輸單元(3)在 傳輸數據之前執行同步。
全文摘要
本發明涉及一種用于確定和/或監控至少一個過程變量的裝置，其包括至少一個第一電子單元(1)和至少一個第二電子單元(2)。根據本發明，提供至少一個傳輸單元(3)，該傳輸單元(3)設置在第一電子單元(1)和第二電子單元(2)之間，并且傳輸單元(3)在第一電子單元(1)和第二電子單元(2)之間傳輸電能和數據。
文檔編號G01D3/08GK101535770SQ200780040782
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月15日 優先權日2006年10月31日
發明者德克·維德曼, 阿爾明·韋內特 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司