用于传导限位开关的现场设备电子装置

根据权利要求1的前序部分，本发明涉及用于传导限位开关的现 场设备电子装置。

多年以来，已经了解了用于在液体中测量限位的传导现场设备。 在这些现场设备中，测量伸入到容器中的传导探针和容器壁之间的或 者探针的两个电极之间的欧姆电阻或电导。如果传导介质在传导探针 和容器壁之间或者在探针的两个电极之间形成了电气连接，如同可能 出现的情况，则显著地降低了测得的欧姆电阻。

用于测量该欧姆电阻的最简单的可能是在探针电路上施加DC电 压，并且随后测量流过探针的电流。然而，该方法有两个缺陷，一个 是持续流动的DC电流可以引起传导探针棒或者容器壁的腐蚀，另一 个是传导探针棒和容器壁可以形成原电池，并且因此产生了叠加到测 量电流上的电流，从而破坏了测量结果。由于这些原因，更加明智的 是使用交变电压进行测量，由此借助于电容器，将探针电路(并且因 此将该过程)从测量电路完全直流隔离变为可能。直到现在，使用相 对复杂的模拟技术实现这种电路。

本发明的目标在于提供具有简单结构和良好干扰变量补偿的、用 于传导限位开关的现场设备电子装置。

通过权利要求1的特征根据本发明实现了该目标。从属权利要求 涉及本发明的有利的实施例和改进。

本发明的主要思想是，在测量电路中提供测量桥接电路，其中提 供至少一个耦合电容器用于将传导探针从测量电路直流隔离，并且至 少一个耦合电容器集成到该测量桥接电路。

在本发明特别有利的实施例中，至少一个附加的电容器配置在测 量桥接电路中，至少一个附加的电容器配置在测量桥的参考支路中， 并且至少一个耦合电容器配置在测量桥的探针支路中。

该测量桥接电路的基本问题是，不仅参考电阻和测量电阻之间的 比影响桥电压，而且所使用的电容器相互之间的比也会影响桥电压。 在理想情况中，耦合电容器的值和附加电容器的值完全相同。然而， 在现实中，存在由于电容器的公差和温度性能引起的误差。

在本发明的特别有利的实施例中，选择性地选择用于测量的时间 点补偿了两个电容器之间的与公差相关的误差。

为了进行补偿，在每种情况中，近似在半波的中部获得多个测量 结果。随即从获得的测量结果中确定平均值。然后仅将上半波和下半 波中的测量结果之间的差认作测量信号。这补偿了电容器的与公差相 关的误差。

为了更加精确地确定执行测量的时间点，使用计算机程序对具有 两电容器间不同的误差的定制测量电路执行模拟运行，并且绘出曲 线。从该曲线中，可以分别确定每种情况中所记录的模拟曲线的上半 波、下半波中的点，在该点处电容器不同误差的模拟曲线相交。通过 比较测量信号，可以确定相交点的精确的时间点(t轴)，并且将该 时间点保存在存储器中，该存储器是控制/评估电路的一部分。在测量 过程中，可以精确地在该时间点，或者在关于该精确的时间点对称分 组的多个时间点采样测量电压。因此，例如，可以执行5～50次之间 的附加的测量。通过这一过程，总是获得与电容器误差无关的相同的 结果。这样，对所使用的电容器的公差和温度性能的补偿相对简单。

此外，该“双差测量”(一个是在测量支路和参考支路之间，而 另一个在上半波和下半波之间)几乎完全补偿了工作电压波动的影 响。

为了通过较少的部件获得该器件，通过微处理器电路实现测量电 路的控制/评估电路，该微处理器电路执行下列功能：用于产生测量信 号的发生器功能，和/或测量功能，和/或范围切换，和/或比较器功能， 和/或滞后功能，和/或产生输出信号。

将相对低频(大约1kHz)的方波信号用作测量信号，例如，通 过时钟信号分频，在微控制器中简单地产生了该方波信号。

为了覆盖宽的测量范围(在100Ω和100kΩ之间)，通过测量 桥接电路进行测量，其中参考电阻用于实现可切换的测量范围。将半 导体开关，优选地为MOSFET用作开关元件。

通过使用微处理器电路产生测量信号，不再需要模拟振荡器。此 外，通过适当的控制/评估电路的实施例和执行测量的时间点的选择性 选择，不再需要交变信号的整流。

通过使用微处理器电路，有可能通过对硬件的细微改变来输出不 同的输出信号，诸如例如PFM输出信号、4～20mA信号、0～10V信 号或者开关信号。

另外，在测量不连续，而是使用了分立的方波波群(例如，10 个周期的波群)时，该波群由不同时间长度的随机发生器的中断来隔 开，这增加了对电磁干扰的不敏感性，使得不会产生测量信号和干扰 信号之间的恒定的干扰。

而且，在这些中断中，微处理器可以切换到节能模式。此外，由 于在中断过程中没有电流流过探针，所以极大地降低了电流消耗，该 电流消耗对于NAMUR应用是特别关注的。

基于附图，现将更加详细地解释本发明，该附图如下示出：

图1是现场设备电子装置的示意性说明图(框图)；

图2是信号曲线的示意性说明图。

如图1中显而易见的，现场设备电子装置包括微处理器1，测量 桥接电路2、容器4中的测量探针3和存储器单元5。在实施例的图 解示例中，微处理器1执行下列功能：

-产生具有测量频率f1的方波信号Umeas(发生器功能1.1)，该 方波信号经由端口1输出并且直接提供给测量桥接电路2或者通过放 大器级(未示出)提供给测量桥接电路2；

-用于切换所需测量范围的功能(范围切换1.2)，一方面，该 功能经由数字端口(端口2、3、4)连接到测量桥接电路2中的适当 的参考电阻器2.3，并且另一方面，该功能设置关于各个测量范围的 切换阈值和滞后；

-对于通过差分放大器2.5测得的桥电压Ubr的模-数转换1.7；

-测量功能1.3，其与比较器功能1.4耦合，该功能将测得的桥 电压Ubr与预定的阈值进行比较，并且将结果提供给滞后功能1.5；

-通过数/模转换器或者数字端口1.8产生并且输出所需的输出信 号1.6。

测量桥接电路2包括：参考支路2.1，其中可以使用半导体开关 2.4，特别是MOSFET分别打开或者关闭参考电阻器2.3，该半导体开 关2.4由微处理器1驱动或者触发；探针支路2.2，其中测量探针3切 换到参考电阻器2.3的位置；和差分放大器2.5，该放大器测量由参考 支路2.1和探针支路2.2形成的测量桥处的桥电压Ubr。如从实施例的 示意性示例中进一步显而易见的，耦合电容器C2配置在探针支路中， 并且附加电容器C1配置在参考支路中。从微处理器1借助于发生器 功能1.1向测量桥接电路2提供方波测量电压Umeas，并且测量桥接电 路2向微处理器1中的测量功能1.3发送测得的桥电压Ubr。

在实施例的图解示例中，使用方波测量信号。然而，还可以使用 具有限定的谐波内容的任何其他的信号形式用于测量。

图2a示出了关于平衡的测量桥(直接位于切换点；Rmeas＝Rref) 的情况和关于在切换点下(Rmeas＜Rref)的情况的电压Umeas和Ubr对时 间的曲线。可以看到在平衡测量桥的情况中，Ubr的正半波和负半波之 间的电压差消失了。

图2b示出了关于电容器C1、C2的不同误差的电压Ubr的性能。 在测量电压Umeas翻转的时间点(t1、t2、t3、…)，电压中的跳跃通常 具有相同的大小，然而曲线的斜率依赖于电容器的误差。在每种情况 中，曲线的形状是由测量桥形成的RC组合的充/放电曲线的一部分。 在图2b中，可以清晰地认出，在每种情况中，在上半波和下半波中 曲线分别相交于点P。通过模拟程序(例如，Pspice)可以精确地计算 关于给出的测量桥接电路定制的该时间点tm。如果分别在该时间点tm 或者在多个时间点(例如20个时间点)精确地采样电压，则总是获 得与电容器误差无关的相同的结果，其中这些多个时间点在某时间间 隔中关于该时间点tm对称分组，其中关于时间点tm的该时间间隔不应 超过周期长度的十分之一。这样，可以将所使用的电容器的公差和温 度性能补偿到实际中发生误差的约10％。