專(zhuān)利名稱(chēng)：用于傳導(dǎo)限位開(kāi)關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置的制作方法
根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分，本發(fā)明涉及用于傳導(dǎo)限位開(kāi)關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置。
多年以來(lái)，已經(jīng)了解了用于在液體中測(cè)量限位的傳導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。在這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，測(cè)量伸入到容器中的傳導(dǎo)探針和容器壁之間的或者探針的兩個(gè)電極之間的歐姆電阻或電導(dǎo)。如果傳導(dǎo)介質(zhì)在傳導(dǎo)探針和容器壁之間或者在探針的兩個(gè)電極之間形成了電氣連接，如同可能出現(xiàn)的情況，則顯著地降低了測(cè)得的歐姆電阻。
用于測(cè)量該歐姆電阻的最簡(jiǎn)單的可能是在探針電路上施加DC電壓，并且隨后測(cè)量流過(guò)探針的電流。然而，該方法有兩個(gè)缺陷，一個(gè)是持續(xù)流動(dòng)的DC電流可以引起傳導(dǎo)探針棒或者容器壁的腐蝕，另一個(gè)是傳導(dǎo)探針棒和容器壁可以形成原電池，并且因此產(chǎn)生了疊加到測(cè)量電流上的電流，從而破壞了測(cè)量結(jié)果。由于這些原因，更加明智的是使用交變電壓進(jìn)行測(cè)量，由此借助于電容器，將探針電路(并且因此將該過(guò)程)從測(cè)量電路完全直流隔離變?yōu)榭赡?。直到現(xiàn)在，使用相對(duì)復(fù)雜的模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種電路。
本發(fā)明的目標(biāo)在于提供具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和良好干擾變量補(bǔ)償?shù)?、用于傳?dǎo)限位開(kāi)關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置。
通過(guò)權(quán)利要求1的特征根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了該目標(biāo)。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的有利的實(shí)施例和改進(jìn)。
本發(fā)明的主要思想是，在測(cè)量電路中提供測(cè)量橋接電路，其中提供至少一個(gè)耦合電容器用于將傳導(dǎo)探針從測(cè)量電路直流隔離，并且至少一個(gè)耦合電容器集成到該測(cè)量橋接電路。
在本發(fā)明特別有利的實(shí)施例中，至少一個(gè)附加的電容器配置在測(cè)量橋接電路中，至少一個(gè)附加的電容器配置在測(cè)量橋的參考支路中，并且至少一個(gè)耦合電容器配置在測(cè)量橋的探針支路中。
該測(cè)量橋接電路的基本問(wèn)題是，不僅參考電阻和測(cè)量電阻之間的比影響橋電壓，而且所使用的電容器相互之間的比也會(huì)影響橋電壓。在理想情況中，耦合電容器的值和附加電容器的值完全相同。然而，在現(xiàn)實(shí)中，存在由于電容器的公差和溫度性能引起的誤差。
在本發(fā)明的特別有利的實(shí)施例中，選擇性地選擇用于測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)補(bǔ)償了兩個(gè)電容器之間的與公差相關(guān)的誤差。
為了進(jìn)行補(bǔ)償，在每種情況中，近似在半波的中部獲得多個(gè)測(cè)量結(jié)果。隨即從獲得的測(cè)量結(jié)果中確定平均值。然后僅將上半波和下半波中的測(cè)量結(jié)果之間的差認(rèn)作測(cè)量信號(hào)。這補(bǔ)償了電容器的與公差相關(guān)的誤差。
為了更加精確地確定執(zhí)行測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)，使用計(jì)算機(jī)程序?qū)哂袃呻娙萜鏖g不同的誤差的定制測(cè)量電路執(zhí)行模擬運(yùn)行，并且繪出曲線(xiàn)。從該曲線(xiàn)中，可以分別確定每種情況中所記錄的模擬曲線(xiàn)的上半波、下半波中的點(diǎn)，在該點(diǎn)處電容器不同誤差的模擬曲線(xiàn)相交。通過(guò)比較測(cè)量信號(hào)，可以確定相交點(diǎn)的精確的時(shí)間點(diǎn)(t軸)，并且將該時(shí)間點(diǎn)保存在存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器是控制/評(píng)估電路的一部分。在測(cè)量過(guò)程中，可以精確地在該時(shí)間點(diǎn)，或者在關(guān)于該精確的時(shí)間點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分組的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣測(cè)量電壓。因此，例如，可以執(zhí)行5～50次之間的附加的測(cè)量。通過(guò)這一過(guò)程，總是獲得與電容器誤差無(wú)關(guān)的相同的結(jié)果。這樣，對(duì)所使用的電容器的公差和溫度性能的補(bǔ)償相對(duì)簡(jiǎn)單。
此外，該“雙差測(cè)量”(一個(gè)是在測(cè)量支路和參考支路之間，而另一個(gè)在上半波和下半波之間)幾乎完全補(bǔ)償了工作電壓波動(dòng)的影響。
為了通過(guò)較少的部件獲得該器件，通過(guò)微處理器電路實(shí)現(xiàn)測(cè)量電路的控制/評(píng)估電路，該微處理器電路執(zhí)行下列功能用于產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)的發(fā)生器功能，和/或測(cè)量功能，和/或范圍切換，和/或比較器功能，和/或滯后功能，和/或產(chǎn)生輸出信號(hào)。
將相對(duì)低頻(大約1kHz)的方波信號(hào)用作測(cè)量信號(hào)，例如，通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)分頻，在微控制器中簡(jiǎn)單地產(chǎn)生了該方波信號(hào)。
為了覆蓋寬的測(cè)量范圍(在100Ω和100kΩ之間)，通過(guò)測(cè)量橋接電路進(jìn)行測(cè)量，其中參考電阻用于實(shí)現(xiàn)可切換的測(cè)量范圍。將半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，優(yōu)選地為MOSFET用作開(kāi)關(guān)元件。
通過(guò)使用微處理器電路產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，不再需要模擬振蕩器。此外，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?評(píng)估電路的實(shí)施例和執(zhí)行測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)的選擇性選擇，不再需要交變信號(hào)的整流。
通過(guò)使用微處理器電路，有可能通過(guò)對(duì)硬件的細(xì)微改變來(lái)輸出不同的輸出信號(hào)，諸如例如PFM輸出信號(hào)、4～20mA信號(hào)、0～10V信號(hào)或者開(kāi)關(guān)信號(hào)。
另外，在測(cè)量不連續(xù)，而是使用了分立的方波波群(例如，10個(gè)周期的波群)時(shí)，該波群由不同時(shí)間長(zhǎng)度的隨機(jī)發(fā)生器的中斷來(lái)隔開(kāi)，這增加了對(duì)電磁干擾的不敏感性，使得不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)和干擾信號(hào)之間的恒定的干擾。
而且，在這些中斷中，微處理器可以切換到節(jié)能模式。此外，由于在中斷過(guò)程中沒(méi)有電流流過(guò)探針，所以極大地降低了電流消耗，該電流消耗對(duì)于NAMUR應(yīng)用是特別關(guān)注的。
基于附圖，現(xiàn)將更加詳細(xì)地解釋本發(fā)明，該附圖如下示出

圖1是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置的示意性說(shuō)明圖(框圖)；圖2是信號(hào)曲線(xiàn)的示意性說(shuō)明圖。
如圖1中顯而易見(jiàn)的，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置包括微處理器1，測(cè)量橋接電路2、容器4中的測(cè)量探針3和存儲(chǔ)器單元5。在實(shí)施例的圖解示例中，微處理器1執(zhí)行下列功能-產(chǎn)生具有測(cè)量頻率f1的方波信號(hào)Umeas(發(fā)生器功能1.1)，該方波信號(hào)經(jīng)由端口1輸出并且直接提供給測(cè)量橋接電路2或者通過(guò)放大器級(jí)(未示出)提供給測(cè)量橋接電路2；-用于切換所需測(cè)量范圍的功能(范圍切換1.2)，一方面，該功能經(jīng)由數(shù)字端口(端口2、3、4)連接到測(cè)量橋接電路2中的適當(dāng)?shù)膮⒖茧娮杵?.3，并且另一方面，該功能設(shè)置關(guān)于各個(gè)測(cè)量范圍的切換閾值和滯后；-對(duì)于通過(guò)差分放大器2.5測(cè)得的橋電壓Ubr的模-數(shù)轉(zhuǎn)換1.7；-測(cè)量功能1.3，其與比較器功能1.4耦合，該功能將測(cè)得的橋電壓Ubr與預(yù)定的閾值進(jìn)行比較，并且將結(jié)果提供給滯后功能1.5；-通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器或者數(shù)字端口1.8產(chǎn)生并且輸出所需的輸出信號(hào)1.6。
測(cè)量橋接電路2包括參考支路2.1，其中可以使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)2.4，特別是MOSFET分別打開(kāi)或者關(guān)閉參考電阻器2.3，該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)2.4由微處理器1驅(qū)動(dòng)或者觸發(fā)；探針支路2.2，其中測(cè)量探針3切換到參考電阻器2.3的位置；和差分放大器2.5，該放大器測(cè)量由參考支路2.1和探針支路2.2形成的測(cè)量橋處的橋電壓Ubr。如從實(shí)施例的示意性示例中進(jìn)一步顯而易見(jiàn)的，耦合電容器C2配置在探針支路中，并且附加電容器C1配置在參考支路中。從微處理器1借助于發(fā)生器功能1.1向測(cè)量橋接電路2提供方波測(cè)量電壓Umeas，并且測(cè)量橋接電路2向微處理器1中的測(cè)量功能1.3發(fā)送測(cè)得的橋電壓Ubr。
在實(shí)施例的圖解示例中，使用方波測(cè)量信號(hào)。然而，還可以使用具有限定的諧波內(nèi)容的任何其他的信號(hào)形式用于測(cè)量。
圖2a示出了關(guān)于平衡的測(cè)量橋(直接位于切換點(diǎn)；Rmeas＝Rref)的情況和關(guān)于在切換點(diǎn)下(Rmeas＜Rref)的情況的電壓Umeas和Ubr對(duì)時(shí)間的曲線(xiàn)?？梢钥吹皆谄胶鉁y(cè)量橋的情況中，Ubr的正半波和負(fù)半波之間的電壓差消失了。
圖2b示出了關(guān)于電容器C1、C2的不同誤差的電壓Ubr的性能。在測(cè)量電壓Umeas翻轉(zhuǎn)的時(shí)間點(diǎn)(t1、t2、t3、…)，電壓中的跳躍通常具有相同的大小，然而曲線(xiàn)的斜率依賴(lài)于電容器的誤差。在每種情況中，曲線(xiàn)的形狀是由測(cè)量橋形成的RC組合的充/放電曲線(xiàn)的一部分。在圖2b中，可以清晰地認(rèn)出，在每種情況中，在上半波和下半波中曲線(xiàn)分別相交于點(diǎn)P。通過(guò)模擬程序(例如，Pspice)可以精確地計(jì)算關(guān)于給出的測(cè)量橋接電路定制的該時(shí)間點(diǎn)tm。如果分別在該時(shí)間點(diǎn)tm或者在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)(例如20個(gè)時(shí)間點(diǎn))精確地采樣電壓，則總是獲得與電容器誤差無(wú)關(guān)的相同的結(jié)果，其中這些多個(gè)時(shí)間點(diǎn)在某時(shí)間間隔中關(guān)于該時(shí)間點(diǎn)tm對(duì)稱(chēng)分組，其中關(guān)于時(shí)間點(diǎn)tm的該時(shí)間間隔不應(yīng)超過(guò)周期長(zhǎng)度的十分之一。這樣，可以將所使用的電容器的公差和溫度性能補(bǔ)償?shù)綄?shí)際中發(fā)生誤差的約10％。
權(quán)利要求
1.用于傳導(dǎo)限位開(kāi)關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其具有傳導(dǎo)探針(3)和包括控制/評(píng)估電路(1)的測(cè)量電路，其特征在于，在測(cè)量電路中提供測(cè)量橋接電路(2)，其中提供至少一個(gè)耦合電容器(C2)用于將傳導(dǎo)探針(3)從測(cè)量電路直流隔離，并且其中至少一個(gè)耦合電容器(C2)集成到該測(cè)量橋接電路(2)。
2.如權(quán)利要求1的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，至少一個(gè)附加的電容器(C1)配置在測(cè)量橋接電路(2)中，其中至少一個(gè)附加的電容器(C1)配置在測(cè)量橋接電路(2)的參考支路(2.1)中，并且至少一個(gè)耦合電容器(C2)配置在測(cè)量橋接電路(2)的探針支路(2.2)中。
3.如權(quán)利要求2的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，通過(guò)選擇性地選擇測(cè)量時(shí)間點(diǎn)(P)而補(bǔ)償兩個(gè)電容器(C1、C2)之間的與公差相關(guān)的誤差。
4.如權(quán)利要求3的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，提供耦合到控制/評(píng)估電路(1)的存儲(chǔ)器裝置(5)，其中存出了精確的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)(P)，其中在啟動(dòng)之前使用模擬運(yùn)行獲得了關(guān)于定制測(cè)量電路的精確的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)(P)。
5.如權(quán)利要求3或4的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，控制/評(píng)估電路(1)在關(guān)于精確的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)(P)分組的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并且從這些測(cè)量結(jié)果確定平均值。
6.如權(quán)利要求5的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，所述多個(gè)時(shí)間點(diǎn)關(guān)于精確的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)(P)對(duì)稱(chēng)分組。
7.如前面的權(quán)利要求中的一個(gè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，提供用于擴(kuò)展測(cè)量范圍的多個(gè)可接通的參考電阻器(2.3)。
8.如權(quán)利要求7的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(2.4)完成切換過(guò)程，其由控制/評(píng)估電路(1)觸發(fā)。
9.如前面的權(quán)利要求中的一個(gè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，通過(guò)微處理器電路(1)實(shí)現(xiàn)控制/評(píng)估電路(1)，其中該微處理器執(zhí)行下列功能用于產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)的發(fā)生器功能(1.1)，和/或用于評(píng)估測(cè)量信號(hào)的測(cè)量功能(1.3)，和/或范圍切換(1.2)，和/或比較器功能(1.4)，和/或滯后功能(1.5)，和/或產(chǎn)生輸出信號(hào)(1.6)。
10.如權(quán)利要求9的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，使用分立的方波波群執(zhí)行測(cè)量，其中可變的中斷時(shí)間位于兩次測(cè)量之間。
11.如權(quán)利要求10的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，可以通過(guò)隨機(jī)發(fā)生器調(diào)節(jié)中斷時(shí)間，該隨機(jī)發(fā)生器是控制/評(píng)估電路(1)的一部分。
12.如權(quán)利要求9～11中的一個(gè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，其中，在測(cè)量中斷期間，微處理器(1)切換到節(jié)能模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于傳導(dǎo)限位開(kāi)關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電子裝置，該電子裝置具有傳導(dǎo)探針(3)和包括控制/評(píng)估電路(1)的測(cè)量電路。根據(jù)本發(fā)明，在測(cè)量電路中提供測(cè)量橋接電路(2)，其中提供至少一個(gè)耦合電容器(C2)用于將傳導(dǎo)探針(3)與測(cè)量電路直流隔離，并且其中至少一個(gè)耦合電容器(C2)集成到該測(cè)量橋接電路(2)。
文檔編號(hào)G01F23/24GK1639548SQ03805667
公開(kāi)日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月11日
發(fā)明者漢斯－約爾格·弗洛倫茨, 克萊門(mén)斯·海利希, 阿明·韋內(nèi)特, 卡伊·厄普彭坎普 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司