Vorrichtung zur Bestimmung und/oder überwachung einer Prozessgröße

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens einem Sensorelement, und mit mindestens einer Elektronikeinheit, welche für eine Messung der Prozessgröße das Sensorelement mit mindestens einem elektrischen Anregungssignal beaufschlagt, welche für die Messung der Prozessgröße von dem Sensorelement mindestens ein elektrisches Messsignal empfängt und welche das Messsignal in Hinsicht auf die Prozessgröße auswertet, wobei das Messsignal zumindest abhängig ist vom Anregungssignal und/oder von der Prozessgröße und/oder von einer änderung der Prozessgröße, und wobei in der Elektronikeinheit mindestens ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen ist. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, den pH-Wert, den Druck, den Durchfluss oder die Temperatur eines Mediums, bei welchem es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, ein Schüttgut, ein Gas oder um ein Fluid handelt.

[0002] Bei einer Vielzahl von Messgeräten werden entweder die

Anregungssignale oder die Messsignale, aus welchen Aussagen über die Prozessgrößen abgeleitet werden, digitalisiert, um die Signalverarbeitung damit zu vereinfachen und zu verbessern. Für das Beispiel eines kapazitiven Füllstandmessgerätes ist dies beispielsweise beschrieben in der Anmeldung WO 2004/102133.

[0003] Bei den zu verarbeitenden Signalen handelt es sich zumeist um elektrische Signale, die entweder Wechselspannungen sind oder welche in Wechselspannungen übertragen werden. Diese Wechselspannungen werden dann durch einen Analog-Digital-Wandler in digitale Signale übertragen. Dabei werden die analogen Signale an Abtastpunkten, welche üblicherweise gleiche zeitliche Abstände aufweisen, abgetastet. Die Auflösung und damit die Genauigkeit, welche das digitale Signal aufweist, hängt dabei von der Anzahl der Abtastpunkte ab. Aufgrund des zur Verfügung stehenden Speichers, der Energie oder der möglichen Abtastrate des Analog-Digital-Wandlers lässt sich ggf. die Auflösung nicht

beliebig erhöhen. Um trotz der Rahmenbedingungen die Auflösung zu erhöhen, gibt es das sog. äquivalenzzeit-Verfahren. Dieses lässt sich insbesondere auf periodische Signale anwenden. Bei dem Verfahren wird ein Signal entweder mehrfach erzeugt oder mehrfach mit einer festen Abtastrate abgetastet. Bei jeder Abtastung werden die Zeitpunkte der Abtastung verschoben bzw. da die Abtastrate fest ist, wird der Zeitpunkt für den ersten Abtastpunkt verschoben. Bei jeder Abtastung wird also die gleiche Anzahl von Punkten abgetastet. Da diese jedoch zwischen den einzelnen Abtastungen zueinander versetzt werden, ergeben sich entsprechend viele Datensätze, die zusammen das gesamte Signal beschreiben, wobei die digitalisierten Daten entsprechend verarbeitet werden müssen. Siehe hierzu die Dokumente DE 4434688 A1 , WO 03/019120 A1 oder JP 05041094 A. Dieses Verfahren wird üblicherweise derartig umgesetzt, dass die Abtastung im Analog-Digital-Wandler entsprechend verschoben wird.

[0004] Die Aufgabe besteht darin, ein Messgerät anzugeben, bei welchem die Auflösung der Abtastung in einer alternativen Weise zum Stand der Technik erhöht wird.

[0005] Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die

Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit das Sensorelement für jeweils eine Messung der Prozessgröße zeitlich hintereinander mindestens mit einem ersten Anregungssignal und einem zweiten Anregungssignal derartig beaufschlagt, dass das erste Anregungssignal und das zweite Anregungssignal eine einstellbare Phase zueinander aufweisen. Die Erfindung besteht somit darin, dass im Gegensatz zum Stand der Technik nicht die Abtastung verschoben, sondern dass das zu verarbeitende Signal zeitlich verschoben wird. Durch diese zeitliche Verschiebung ergibt sich die Phase zwischen den Anregungssignalen bzw. damit auch zwischen den jeweils zugehörigen Messsignalen. Die Erfindung ermöglicht somit durch die Phase der Anregungssignale, dass zum einen die Anregungssignale selbst eine höhere Auflösung erfahren können, da die Abtastung dieser Signale eine erhöhte Auflösung des Anregungssignals selbst ergibt. Zum anderen

erfahren auch die Messsignale, die zu einer Messung gehören, eine höhere Auflösung, da somit auch das mehrfach erzeugte Messsignal mit dem zeitlichen Versatz, der sich in der Phase äußert, mehrfach digitalisiert wird. Die Anregungssignale werden dabei so oft und in solchem zeitlichen Abstand erzeugt, dass dieser Abstand klein ist gegenüber der änderungszeit der Prozessgröße, d.h. die zugehörigen Messsignale gehören zum gleichen Wert der Prozessgröße. Weiterhin besteht gleichzeitig eine Messung aus dem wiederholten Beaufschlagen des Sensorelements mit dem gleichen Anregungssignal und dem wiederholten Empfangen des Messsignals. Wesentlich ist dabei, dass das Sensorelement wiederholt mit dem gleichen Anregungssignal beaufschlagt wird, so dass sich auch das Messsignal entsprechend mehrfach ergibt.

[0006] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Analog-Digital-Wandler derartig ausgestaltet ist, dass der Analog-Digital-Wandler das Anregungssignal und/oder das Messsignal an vorgegebenen Abtastpunkten abtastet. Der Analog-Digital-Wandler ist somit derartig ausgestaltet, dass er zu festen Abtastzeitpunkten die Signale abtastet. In den meisten Fällen weisen diese Punkte äquidistante Abstände auf. Erfindungsgemäß ist es dabei nicht erforderlich, die Lage dieser Punkte zu verändern.

[0007] Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit das erste Anregungssignal an den vorgegebenen Abtastpunkten digitalisiert, dass die Elektronikeinheit das zweite Anregungssignal an den vorgegebenen Abtastpunkten digitalisiert, und dass die Elektronikeinheit die digitalisierten Daten des ersten Anregungssignals und die digitalisierten Daten des zweiten Anregungssignals derartig verarbeitet, dass sich eine zusammengesetzte Digitalisierung des Anregungssignals für die Messung ergibt, wobei die digitalisierten Daten des ersten Anregungssignals und die digitalisierten Daten des zweiten Anregungssignals jeweils entsprechend der einstellbaren Phase zueinander verschoben sind. Durch die quasi mehrfache Abtastung des gleichen Signals ergeben sich einzelne Abtastwerte des Signals an sich, welche durch eine passende Sortierung in die entsprechende Reihenfolge gebracht werden müssen oder in der

anschließenden Verarbeitung in Hinsicht auf die Prozessgröße entsprechend verarbeitet werden. Handelt es sich beispielsweise um das zweimalige Abtasten eines Anregungssignals durch das zweimalige Beaufschlagen des Sensorelements mit diesem Anregungssignal, so setzt sich das digitalisierte Signal des Anregungssignals an sich jeweils alternierend aus den digitalisierten Daten der ersten und der zweiten Beaufschlagung zusammen.

[0008] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit ein dem ersten A nregungssignal zugehöriges erstes Messsignal an den vorgegebenen Abtastpunkten digitalisiert, dass die Elektronikeinheit ein dem zweiten Anregungssignal zugehöriges zweites Messsignal an den vorgegebenen Abtastpunkten digitalisiert, und dass die Elektronikeinheit die digitalisierten Daten des ersten Messsignals und die digitalisierten Daten des zweiten Messsignals derartig verarbeitet, dass sich eine zusammengesetzte Digitalisierung des Messsignals für die Messung ergibt. In dieser Ausgestaltung wird das Messsignal zweimal abgetastet, indem das Anregungssignal zweimal auf das Sensorelement gegeben wird und jedes Mal das Messsignal gewonnen wird. Diese Ausgestaltung ist entweder alternativ zur vorhergehenden Ausgestaltung oder in Verbindung mit ihr, d.h. entweder wird nur das Anregungssignale oder nur das Messsignal oder es werden Anregungssignale und Messsignal digitalisiert. Die Messsignale sind dabei entsprechend der Phase zwischen den Anregungssignalen ebenfalls zueinander verschoben.

[0009] Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Anregungssignal und/oder das Messsignal periodisch sind/ist.

[0010] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Anregungssignal und das zweite Anregungssignal im Wesentlichen die gleiche Frequenz und die gleiche Signalform aufweisen. Vorzugsweise wird das gleiche Anregungssignal zweimal als erstes und zweites Anregungssignal auf das Sensorelement gegeben.

[0011] Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die einstellbare Phase unterschiedlich zu einem ganzzahligen Vielfachen von 2 ^* p ist. Handelt es sich jeweils

insbesondere um periodische Signale, so muss durch die Phase ein Versatz zwischen den Anregungssignalen bzw. den Messsignalen erzeugt werden, was dazu führt, dass die Phase unterschiedlich zu 2 ^* p zu sein hat, um einen Effekt bei der Digitalisierung zu bewirken. Die Phase hängt dabei von der Anzahl der Abtastpunkte und der Anzahl der Beaufschlagung des Sensorelements mit dem gleichen Anregungssignal ab.

[0012] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Prozessgröße der Füllstand eines Mediums in einem Behälter ist.

[0013] Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Anregungssignal eine elektrische Wechselspannung ist. In einer weiteren Ausgestaltung wird die Prozessgröße Füllstand insbesondere kapazitiv bestimmt. Als Messprinzipien lässt sich jedoch auch die Füllstandsmessung mittels des Laufzeitverfahrens anwenden.

[0014] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

[0015] Fig. 1 : schematischer Aufbau eines kapazitiven Füllstandsmessgerätes, und

[0016] Fig. 2: eine Darstellung der Abtastung von zwei Signalen.

[0017] In der Fig. 1 ist als Beispiel ein kapazitives Messgerät dargestellt. Das Sensorelement 1 und die Wandung des Behälters 10 bilden mit dem Medium 11 als Dielektrikum einen Kondensator, dessen Kapazität u.a. vom Füllstand des Mediums 11 abhängt. Somit ist es möglich, aus der Kapazität auf den Füllstand rückzuschließen. Hierfür wird das Sensorelement 1 , bei welchem es sich um einen Stab oder um ein Seil handeln kann, mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt. Aus dem Strom bzw. aus der daraus beispielsweise über einen Widerstand sich ergebenden Spannung wird dann der Kapazitätswert ermittelt. Für die Beaufschlagung bzw. die Auswertung ist hier die Elektronikeinheit 2 vorgesehen, welche für die Auswertung einen Analog-Digital-Wandler 3 aufweist. Um die Auflösung erfindungsgemäß zu erhöhen, wird das Sensorelement 1 hier zweimal mit dem Anregungssignal beaufschlag: AS1 und AS2. Zwischen diesen Signalen bzw. zwischen dem Zeitpunkt der

Beaufschlagung liegt jeweils eine solche zeitliche Verzögerung, dass sich zwischen den Signalen AS1 und AS2 eine Phase j ergibt, welche unterschiedlich zu einem ganzzahligen Vielfachen von 2 ^* p ist. Durch den Versatz weisen auch die den Anregungssignalen jeweils zugehörigen Messsignale MS1 und MS2 eine gewisse Phase zueinander auf. Praktisch besteht somit jede Messung aus hier zwei Teilmessungen (eine Erhöhung der Anzahl ist möglich), welche jeweils auf das gleiche Anregungssignal und das gleich Messsignal zurückgehen. D.h. das Anregungssignal wird nicht verändert, es wird nur wiederholt - als unverändert - mit einer passenden Verzögerung auf das Sensorelement 1 gegeben. Geschieht dies entsprechend schnell gegenüber der änderungszeit der Prozessgröße, so unterscheidet sich auch das jeweilige Messsignal nur hinsichtlich der Phase. (Als Korrektur und Sicherheitsmaßnahme ist ggf. in der Verarbeitung vorgesehen, dass Ausreißer und große Abweichungen erkannt und entsprechend behandelt werden.) Tatsächlich wird somit jeweils eine Messung wiederholt ausgeführt. Werden die Signale anschließend digitalisiert, wobei auch der Analog-Digital-Wandler 3 zwischen den Teilmessungen keine änderung erfährt, so bewirkt die Phase, dass die Signale an unterschiedlichen Punkten abgetastet werden. Die digitalisierten Daten werden wiederum anschließend passend umsortiert, d.h. hintereinander angeordnet. Im Stand der Technik wird das eigentliche Signal fest gehalten und das Abtastsignal der Digitalisierung wird verschoben, wohingegen in der Erfindung das Abtastsignal fest bleibt und das eigentliche Signal verschoben wird. Die Anzahl der Beaufschlagungen des Sensorelements 1 mit dem Anregungssignal hängt dabei davon ab, wie stark die Auflösung erhöht werden soll. Zwei Anregungssignale führen zu einer Verdoppelung, drei zu einer Verdreifachung usw.. Die Phase hängt dabei auch davon ab, um wie viele Anregungssignale es sich handelt und wie viele Abtastpunkte gegeben sind. Bei einer Auflösungsverdoppelung entspricht beispielsweise die Phase der Hälfte des Abstands zwischen zwei Abtastpunkten. In der Fig. 2 sind die beiden Anregungssignal AS1 und AS2 dargestellt. Die senkrechten Striche zeigen die Abtastpunkte, welche auch durch die

Kreise auf den Signalen verdeutlicht werden. Die beiden Anregungssignal AS1 und AS2 werden so ausgesendet, dass zwischen ihnen die Phase j besteht. Wie gut zu erkennen, führt dies dazu, dass die Abtastpunkte sich jeweils auf andere Punkte der Signale beziehen. Werden die Abtastdaten passend sortiert, so ergibt sich eine Auflösungsverdoppelung.

[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Auflösung bei der Abtastung von elektrischen Signalen sieht somit wie folgt aus:

[0020] Es wird ein Anregungssignal erzeugt, welches als erstes Anregungssignal AS1 auf das Sensorelement 1 gegeben wird. Das dem ersten Anregungssignal AS1 zugehörige erste Messsignal MS1 wird empfangen. In der Ausgestaltung entsprechend zu Fig. 2 werden das erste Anregungssignal AS1 und das erste Messsignal MS1 digitalisiert. Danach wird das gleiche Anregungssignal als zweites Anregungssignal AS2 wieder auf das Sensorelement 1 gegeben und das zugehörige zweite Messsignal MS2 wird empfangen. Dann werden wieder beide Signale AS2 und MS2 digitalisiert. Es sind somit auch entsprechende Speichereinheit vorzusehen oder auszugestalten. Dabei besteht jedoch zwischen der Beaufschlagung des Sensorelements 1 mit den beiden Anregungssignalen AS1 und AS2 eine solche zeitliche Verzögerung, dass die beiden Signale eine Phase j zueinander aufweisen, die unterschiedlich zu einem ganzzahligen Vielfachen von 2 ^* p ist. Durch diese Phase wird das zweite Anregungssignal AS2 an anderen Stellen abgetastet als das erste Anregungssignal AS1 , so dass das Anregungssignal als ganzes an doppelt so vielen Stellen abgetastet wird, als es eigentlich der Analog-Digital-Wandler 3 zulässt. Entsprechendes gilt auch für die Abtastung des Messsignals, welches in Gestalt des ersten MS1 und des zweiten Messsignals MS2 eine Abtastung erfährt. Anschließend werden die einzelnen Abtastdaten passend verarbeitet. Im Falle einer kapazitiven Messung handelt es sich bei dem Anregungssignal beispielsweise um eine sinusförmige elektrische Wechselspannung und auch bei dem Messsignal um eine aus einem Stromsignal umgewandelte elektrische Wechselspannung.

[0021 ] Bezugszeichenliste

Tabelle 1