阅读说明：本技术 用于布置在过程设备上的传感器装置以及用于操作该传感器装置的方法和过程设备 (Sensor device for arrangement on a process plant, and method and process plant for operating the sensor device ) 是由 托马斯·威廉 尼古拉·芬克 沃尔夫冈·德拉赫姆 阿尔弗雷德·里德 彼得·克卢弗 托马斯·摩 于 2018-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种在过程设备上的传感器装置,该传感器装置包括至少两个传感器块,其中,每个传感器块包括可被布置在该过程设备上的支撑件和被布置在该支撑件上的多个传感器,该多个传感器用于确定在过程设备中发现的测量介质的物理或化学变量、测量介质的过程特性和/或过程设备的状态,其中,传感器块中的第一传感器块包括控制和/或评估单元,该控制和/或评估单元具有用于与第二传感器块的第一控制和/或评估单元交换数据的至少一个发送和接收模块,其中,将第一传感器块的第一控制和/或评估单元和/或被分配给传感器装置的第二控制和/或评估单元设计为通过对由每个传感器块所确定的值进行加权来确定测量介质的物理或化学变量、测量介质的过程特性和/或过程设备的状态,其中,根据传感器块中的至少一个传感器的测量值变化、传感器块在过程设备中的位置和/或传感器块的功能来执行加权。(The invention relates to a sensor device on a process plant, comprising at least two sensor blocks, wherein each sensor block comprises a support that can be arranged on the process plant and a plurality of sensors arranged on the support for determining a physical or chemical variable of a measurement medium, a process property of the measurement medium and/or a state of the process plant, which are found in the process plant, wherein a first sensor block of the sensor blocks comprises a control and/or evaluation unit having at least one transmitting and receiving module for exchanging data with a first control and/or evaluation unit of a second sensor block, wherein the first control and/or evaluation unit of the first sensor block and/or the second control and/or evaluation unit assigned to the sensor device is designed such that a value determined by each sensor block is used to determine a value Weighting to determine a physical or chemical variable of the measuring medium, a process property of the measuring medium and/or a state of the process device, wherein the weighting is performed as a function of a change in a measuring value of at least one sensor of the sensor block, a position of the sensor block in the process device and/or a function of the sensor block.)

用于布置在过程设备上的传感器装置以及用于操作该传感器 装置的方法和过程设备

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的传感器装置及其操作方法和一种过程设备。

背景技术

已知为了传感器参数的信号调节的目的彼此进行通信的单个测量设备，诸如科里奥利测量设备。从WO 2017/143576 A1等中已知两种测量仪器之间的这种通信形式。

由DE 10 2007 024 006 A1已知一种过程设备中的传感器的功能分布。但是，此类传感器始终经由中央评估单元进行通信。

基于这样的现有技术，本发明着手创建一种具有彼此进行通信的传感器组件(即所谓的“传感器块”)的传感器装置，其中，还考虑组件的当前状态及其在过程设备中的位置，以便获得整体信息。

发明内容

本发明通过具有权利要求1的特征的传感器装置实现了该目的。

与前述现有技术形成对照，根据本发明的用于布置在具有多个测量点的过程设备上的传感器装置包括多个传感器块。

在本发明的意义内的传感器块应理解为支撑件，该支撑件可以局部地被布置在过程设备上并且具有被布置在支撑件上的多个传感器，所述传感器用于确定在过程设备中发现的测量介质的物理或化学变量和/或测量介质的过程特性和/或过程设备的状态。

物理或化学变量可以是，例如，pH值、热导率、声导率、密度、粘度、测量介质的一种或多种组分的物质含量分数等。

过程设备中的测量介质的过程特性可以是温度、压力、流速、体积和/或质量流量等。

过程设备的状态可以意指例如已填充、部分填充或清空。其他状态包括例如介质是否在运动中，例如通过使用混合装置，并且可以通过振动等来确定。此外，可以通过传感器检测关于过程设备在处理期间是否正在规范内工作的状态，例如在某些区域中发生的振动、压力冲击等。

简单的低成本传感器，例如倾斜和/或振荡传感器(特别是基于陀螺仪传感器或陀螺仪的传感器)、温度传感器和/或声学传感器(尤其是声音传感器)以及空气湿度传感器、接近传感器和/或加速度传感器特别优选地作为传感器。物理/化学传感器，例如光化学传感器或电化学传感器，特别是当使用例如不锈钢或石墨电极的非常便宜的电极时，也可以用于传感器装置。其他低成本传感器包括光学传感器，诸如浊度传感器。在MEMS设计中，热流传感器也可以非常经济地制造。从DE 102012102979A1中已知一种电磁流量计的变形，该电磁流量计也可以非常经济地制造。

然而，优选地，传感器块的所有传感器被设计为MEMS部件。

前述传感器块中的第一传感器块包括第一控制和/或评估单元，该第一控制和/或评估单元具有至少一个发送和接收模块，用于与第二传感器块的第一控制和/或评估单元进行数据交换。控制和/或评估单元的其他部件例如可以是计算单元，特别是CPU和数据存储器。

根据本发明，在第一和第二传感器块之间，但是优选在传感器装置的所有传感器块之间交换数据。

第一传感器块的第一控制和/或评估单元和/或被分配给传感器装置的第二控制和/或评估单元被设计成，即被形成为，确定在过程设备中发现的测量介质的物理或化学变量和/或测量介质的过程特性。

在确定期间，除其他外，存在由每个传感器块确定的值的加权。

值，即测量值或根据它们计算出的测量介质的物理和/或化学变量和/或过程特性和/或过程设备的状态的加权，可以根据以下来进行：

a)传感器块的至少一个传感器的测量值变化；

b)传感器块在过程设备中的位置

和/或

c)传感器块的功能。

除其他之外，在测量值变化中可以忽略异常值。如果传感器的测量值经受较大测量值变化，则该传感器的值倾向于具有较低权重。

加权的附加因素是传感器块在过程设备中的位置。例如，过程设备的前五分之一和后五分之一中的传感器块(即来自被布置在入口侧或出口侧的传感器块的值)可以具有较高权重。在容器中混合相或部分填充的容器中的情况下，传感器的权重在一个相边界或多个相边界的区域中特别大，而例如在纯液相或气相处，权重可以相当低。

加权的第三因素是传感器块的功能。传感器块的传感器是已经被调整到过程状态的连续测量传感器。另一方面，暂时接通以进行测量的传感器块通常经受一定的不准确性，直到它们递送稳定的测量值为止。结果，连续测量或暂时关闭的传感器块的功能被包括在加权中。

加权优选是自适应的。在一个或多个传感器的故障或老化加剧的情况下，调整权重，并以较低的权重将所确定的传感器块的值包括在计算中，因为它们更容易出错。

基于传感器之间的通信和具有不同权重的测量数据的调整，可以发展传感器装置的群智能，其例如即使中央控制和/或评估单元故障也可以继续起作用。

本发明的其他有利实施例是从属权利要求的主题。

有利的是，传感器块中的每个传感器块具有控制和/或评估单元，该控制和/或评估单元具有至少一个发送和接收模块，用于与传感器装置的其他传感器块的控制和/或评估单元进行数据交换。这确保了所有传感器块彼此之间的通信。

可以在传感器块上设置多个不同的传感器，这些传感器用于确定过程设备中测量介质的不同物理或化学变量和/或测量介质的不同过程特性。例如，可以在传感器块上布置也可以确定振荡并因此确定粘度的温度传感器和倾斜传感器。

如果将相同类型的多个传感器在传感器区域中在测量介质的流动方向或填充方向在传感器块上彼此一个接一个地布置，则也是可能且有利的。这允许确定在过程设备中随后的测量点的趋势预测和/或实现传感器块的监视功能。

第一传感器块可以有利地具有至少两个操作状态，

其中，第一操作状态用于对在过程设备中发现的关于测量介质的物理或化学变量和/或测量介质的过程特性和/或过程设备的状态的变化进行监视，以及

其中，第二操作状态用于确定在过程设备中发现的测量介质的物理或化学变量和/或测量介质的过程特性和/或过程设备的状态。

附加地或可替选地，第一传感器块可以具有至少两个操作状态，

其中，第一操作状态用于确定在过程设备中发现的测量介质的物理或化学变量和/或测量介质的过程特性和/或过程设备的状态；以及

其中，第二操作状态用于调节和/或控制过程设备的一个或多个致动设备，例如阀和/或泵，其中，通过第一传感器块的控制和/或评估单元来实现调节。

另外，除了上述操作状态之外或作为上述操作状态的替代，单个传感器块或全部传感器块可以具有其他操作状态。因此，可以提供另一操作状态，其中控制和/或评估单元接收并处理来自多个传感器块的数据。这样的传感器块可以例如位于过程设备中仅存在很小的测量值变化的位置，使得可以最佳地利用传感器块的控制和/或评估单元的计算能力。

在附加操作状态中，如果未接收到要切换到测量模式的信号，则可以将传感器块设置为待机。

通过在传感器装置内分配传感器块的功能，可以在前述或其他操作状态之间进行切换。可以通过传感器装置自身来执行功能，例如，多个传感器块的测量值的评估功能，用于从待机模式启动其他传感器的状态变化的监视功能等。例如，检测填充水平的高度，并向相边界附近的传感器块分配监视功能。

在过程设备的操作期间，可以通过传感器装置来更改对传感器块的功能分配。因此，当槽中的填充水平降低时，功能可以根据当前水平而变化。

第一传感器块的控制和/或评估单元可以用于根据本发明的方法中，以基于由其传感器所确定的测量值，来计算在第一传感器块的测量点处的在过程设备中发现的测量介质的物理或化学变量和/或测量介质的过程特性和/或过程设备的状态的预测值，并考虑过程设备的几何形状，计算在传感器装置的第二传感器块(特别是相邻的传感器块)的测量点处的在过程设备中发现的测量介质的物理或化学变量和/或测量介质的过程特性和/或过程设备的状态的预测值。

可以将这种预测值与由第二传感器块所确定的值进行比较，并且可以基于该比较进行加权和/或可以输出关于所确定的值的合理性的结果。

基于测量介质的物理或化学变量和/或过程设备中的测量介质的过程特性和/或过程设备的状态的所确定的值，可以有利地输出这种变量和/或过程设备的这种过程特性和/或过程设备的状态的总值，其中，传感器块的测量值被分别加权并且在计算中被考虑。传感器块由此可以将所有值的总数发送到上级控制和/或评估单元，即第二中央控制和/或评估单元，以评估和输出状态或变量或过程特性或介质变量。

除了总值外，还可以输出不确定性规范，该规范考虑了传感器装置的状态。例如，不确定性规范可以随着一个或多个传感器块的故障传感器的数量而增加。测量功能然后仍然可以通过确定辅助变量来保证，但是具有更高水平的不确定性。

第一传感器块，特别是传感器装置的所有传感器块，也可以具有数据存储器，在该数据存储器上存储针对相邻传感器块的当前传感器设置的数据记录。

优选地，当确定测量介质的填充水平、温度和/或流量时，可以根据该位置处的过程设备的状态的变化频率，基于传感器块在过程设备中的位置，来执行特定传感器块的功能分配以及加权。

用于确定传感器块上的不同测量变量的传感器的测量值可以根据位置和要确定的测量变量而被不同地加权。例如，各个传感器的测量数据的权重可以根据所改变的操作状态或功能而更高或更低。例如，如果部分填充的槽中的传感器块在相边界以下，则用于电导率测量的传感器可以接收更高的权重。但是，如果在生产操作期间将槽进一步排空，以使传感器块现在相边界上方，则压力测量传感器的测量数据可以接收比以前更高的权重。

传感器块在过程设备中的位置的加权尤其可以根据过程设备的状态，例如介质的填充水平和/或温度来执行。例如，在相边界处，传感器块的值的权重可以明显更高。这也可以通过温度跃变(从气态到液态的相变)来示出。

有利地，传感器群或子群触发控制事件，诸如泵或阀的控制。

一个或多个传感器块也可能覆写来自上级控制和/或评估单元的控制命令。例如，如果发生异常情况，则这使得过程设备能够对这种异常情况做出更快的反应。

在优选的设计变形中，可以根据要确定的值(例如，温度或压力)和传感器块的位置来分别执行加权，以确定这样的各个变量。例如，可能的是，为了确定压力，第一传感器块由于其位置而被特别高地加权，并且为了确定温度，第二传感器块由于其位置而被特别高地加权，例如，针对界面处的料位气相中的压力入口和/或出口附近的流速的较高加权。

因此，取决于参数的位置的加权可以不同，并且也可以在过程中改变，例如在填充水平改变时。

群决定是否覆写上级控制单元。

总体而言，根据本发明的传感器装置可以例如在权重和功能的分配中进行自我管理。

具有上述传感器装置的过程设备进一步根据本发明。

过程设备的有利布置包括从属权利要求的主题。

除了传感器装置之外，过程设备还可以包含一个或多个附加传感器，其中，在传感器装置与此类附加传感器之间交换数据，以便例如在传感器装置的评估、控制和自我管理中也可以考虑此类传感器的测量数据。

此外，过程设备可以具有一个或多个致动设备，其中，与传感器装置交换关于一个或多个致动设备的状态有关的数据，使得可以根据所交换的数据来控制致动设备。例如，阀、泵、加热元件等应被视为致动设备。例如，如果泵执运行，则该泵在这方面提供可以由传感器装置调用的信号，其中，传感器装置通过经由传感器块控制和/或调节阀等来做出反应。

附图说明

以下，基于示例性实施例并借助附图详细地说明本发明。附图示出：

图1具有包括多个传感器块的传感器装置的过程设备的示意性结构；以及

图2传感器块。

具体实施方式

图1仅示出槽形式的过程设备1的示例。该过程设备填充有第一液体介质3，并在上部区域中具有第二气态介质4，例如空气或惰性气体。因此，示出了液气相边界5。此外，过程设备1在槽的出口8处具有泵6，该泵可以经由阀7打开、部分打开或关闭。

过程设备1还具有入口9，其中第一介质和/或第二介质的流入也可以经由阀10来控制和/或调节。

流入、流出、温度、停留时间等的控制和/或调节可以由上级控制和/或评估单元11控制，该上级控制和/或评估单元11在下文中也被称为第二控制和/或评估单元。

传感器装置18沿着过程设备1被布置为传感器块12的网络，该传感器块具有用于确定不同特性值的多个传感器101-107。这些传感器可以包括微机电传感器(MEMS传感器)。

优选的传感器101-107例如是倾斜和/或振荡传感器(特别是基于陀螺仪传感器或陀螺仪)、温度传感器和/或声学传感器(特别是声音传感器)，以及空气湿度传感器、接近传感器和/或加速度传感器。

物理/化学传感器，例如光化学传感器和/或电化学传感器，特别是在使用非常便宜的电极(例如不锈钢或石墨电极)时，可以用作传感器块。

在本发明的范围内，所谓的“空气质量传感器”也是优选的传感器。

传感器101-107以预制图案被布置在传感器块的支撑件上。此外，发送和/或接收模块可以被布置在传感器块上。

由具有用于检测至少三个不同的物理和/或化学变量的多个传感器101-107的支撑件带来的群在下文中也称为传感器块12。

此外，控制和/或评估单元100可以被布置在传感器块12上，该控制和/或评估单元100在下文中也将被称为第一控制和/或评估单元。如图2所示，除其他之外，传感器101-107可以直接连接到第一控制和/或评估单元或经由传感器块的附加传感器连接到第一控制和/或评估单元。

多个传感器块12，特别是具有相同拓扑结构的多个传感器块12，位于沿着管道和/或槽的不同的位置。

例如通过控制和/或评估单元11，可以在整个采集系统中检测和管理大多数传感器块的测量数据。可选地，整个传感器装置的由子群合并的数据，特别是包括加权数据，可以从传感器块被转发到上级控制和/或评估单元。

整个采集系统还允许根据优先级和加权分配传感器块和/或单个传感器。

例如，取决于传感器块的位置，可以由各个传感器块的传感器执行所确定的测量值的不同的加权。

传感器块之间和/或传感器块12与第二控制和/或评估单元之间的数据传输可以是无线的，例如通过无线电或借助于电缆。图1示出了两个传感器块12之间的信号路径13和一个传感器块12与第二控制和/或评估单元11之间的信号路径14。

第二控制和/或评估单元11可以经由一个或多个信号路径15与泵6或必要时还与阀7和10进行通信，以发送控制命令或协调控制事件。

但是，单个或多个传感器块12也可以经由信号路径17与上述部件通信。

此外，过程设备还可以具有未被分配给传感器装置18的传感器，诸如压力传感器16。

例如，管道系统的入口侧和出口侧上的传感器测量数据具有比槽的中部的传感器测量数据更高的权重。

传感器块也可以优选地是阵列，即，例如在流的方向上，在传感器块12的支撑件上一个接一个地布置相同类型的多个传感器的序列，例如温度传感器，该温度传感器在预确定方向上一个接一个地布置以便确定局部趋势行为，例如温度升高。

这种局部趋势行为(例如温度跃变)可用于确定例如槽或管道中的介质变化。

此外，通过具有过程设备的已知几何形状的温度阵列的温度变化的测量，允许估计传感器的下游位置处的温度发展。通常，当在局部下游设备区段中测量到局部温度升高时，由于增加的混合而发生温度变化。

由于温度传感器的阵列，不仅可以基于在传感器块上(例如在槽的入口处)一个接一个地被布置的各个温度传感器的时间变化来确定流速；确切地说，考虑到几何规格，还可以确定温度预后，例如针对槽的中部的温度发展。

通过由在第二测量点、第三测量点和/或第四测量点处的传感器块的传感器确定第一测量点处的所预测的测量值，可以执行对第一测量点处的测量值的合理性检查。如果测量值在所预测的测量值的容差范围之外，则可以忽略该测量值。

可替选地或附加地，可以修改相应的传感器块的功能。

此外，关于传感器块的操作状态来确定状态值，该状态值可以特定于各个测量变量，并且可以被考虑用于功能和权重的未来分配以及维护决策(例如，传感器块的更换)。

在传感器块的传感器的短期测量值变化(所谓的“异常值”)的情况下，也可以由传感器块的其他传感器和/或整个系统执行合理性检查，并且在确定测量介质的物理和/或化学变量时，可以忽略不正确的测量值。如果在随后的测量期间测量值再次在容差范围内，则在确定物理和/或化学变量时可以再次考虑该测量值。

如果在时间间隔内未发生测量值的测量值变化，则在确定物理和/或化学变量和/或确定其他传感器的预测测量值时，将对该传感器的测量值进行更大的加权。

但是，此类预测计算始终经受在对传感器块的测量数据进行加权时考虑的不确定性。

此外，传感器块的各个传感器，特别是阵列的各个传感器可能故障。在本发明的范围内，这不一定导致传感器块的故障或导致未考虑传感器块的测量值，而是在一个或多个故障传感器的情况下减少了该测量值的权重。

结果，传感器数据的加权和合理性检查确保了传感器块中的所有传感器的群与测量点处的所预测的测量值一致和/或与测量介质的物理和/或化学变量一致。

在本发明的另一个方面，所测量和所预测的测量值的加权导致任务在整个系统内的分布。

因此，取决于传感器的类型和传感器块在过程设备中的位置，除了确定测量数据外，单个传感器还承担其他功能。例如，这可以是监视功能。

如果该传感器检测到当前测量值与先前测量值相比的显著变化，则可以连接附加传感器块的传感器和/或同一传感器块的附加传感器。

这是节能的，并且传感器对故障的敏感性降低。因此，整个传感器装置的测量性能是高度可变的，并且由测量和评估单元根据测量数据的时间发展来设置和管理。

此外，传感器块可以安装在过程设备的关键点处，例如在过程设备的入口区域和/或出口区域。它们可以与过程设备的致动设备(例如阀等)相互作用，控制来自过程设备的测量介质的流入和/或流出速度。在检测到特别热或腐蚀性的测量介质的情况下，这意味着，例如利用在进口区域中的适当测量，可以设置零流量，并且在槽的情况下，可以通过使用被布置在入口处的传感器块的传感器测量数据来控制阀而设置零填充速度。

一个或多个传感器块上的各个传感器彼此之间的功能和/或任务的分布可以变化；因此，控制和/或评估单元将新的任务和/或功能分配给各个传感器是可能的。如果传感器具有强波动测量值并因此具有较低权重，则可以从其撤消监视功能并将监视功能分配给新的传感器。

在本发明的另一个方面，每个单独的传感器块具有数据存储器以及发送和接收单元。如果更换传感器和/或传感器块，则在当前时间点发生传感器设置的数据传送。

在更换单个传感器的情况下，可以通过将数据传送到其上布置有传感器的传感器块的数据存储器中来进行。

在交换整个第一传感器块的情况下，数据被传送到相邻的第二传感器块的数据存储器中。当第一传感器块在操作中时，新安装的替代第一传感器块的第三替换传感器块在当前时间点从相邻的第二传感器块接收传感器设置。

所传送的传感器设置除其他外，可以包括单个传感器或整个传感器块的附加任务和功能，以及在测量测量介质的物理和/或化学变量时的传感器块和布置在其上的传感器的加权，以及传感器已经测量的测量范围。这样简化了传感器的对过程的校准和调整，并且第三传感器块的传感器在安装后的较早时间点实现了最佳的测量性能。

在本发明的另一个方面中，通过评估所有测量数据来确定设备的整体状态。例如，设备处于以下状态之一：

“处于最佳操作状态”

“在足够的容差范围内”

“在允许的容差范围以外，但处于稳定操作状态”，以及

“处于非稳定操作状态下–启动紧急关闭”

因此，根据本发明的传感器装置构成了使用在过程中出现的测量数据的可能性，以便在自学习系统的意义上，实现对测量的连续适配。