CH701869B1 - Füllstandssensor. - Google Patents

Abstract

Ein Füllstandssensor (10) ist mit einer Auswertungseinheit (22) zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums (14) versehen, wobei nur ein Ethernetanschluss (30) sowohl für den Datenaustausch als auch für die Energieversorgung vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Füllstandssensor nach dem TDR-Prinzip ausgebildet und verfügt über einen Sender und einen Empfänger zum Aussenden und Empfangen eines Signals, insbesondere eines Mikrowellenpulses. Weiter kann eine Sonde (24) vorgesehen sein, wobei mittels der Auswertungseinheit (22) die Entfernung einer Grenzfläche (18) des Mediums (14) anhand der Laufzeit des von der Sonde (24) geführten und an der Grenzfläche (18) reflektierten Signals bestimmbar ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor mit Anschluss zum Datenaustausch und zur Energieversorgung gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Füllstandssensoren arbeiten mit verschiedenen Messprinzipien, beispielsweise mit einem mechanischen Schwimmer, durch kapazitive Messung oder Radarverfahren. Mit Letzterem verwandt ist das TDR-Messprinzip (time domain reflectometry), bei dem mit einem elektromagnetischen Puls anhand von dessen Laufzeit der Abstand einer Diskontinuität des Leitungswellenwiderstands gemessen wird, wie er an der Grenzfläche zweier Medien entsteht. Im Unterschied zum Radar wird der Puls bei einem TDR-Füllstandssensor nicht ins Freie abgestrahlt, sondern entlang eines Sonde genannten Leiters geführt.

[0003] Füllstandssensoren sind häufig in industrielle Prozessanlagen eingebunden. Mit Hilfe einer Kommunikationseinrichtung werden die erfassten Prozessdaten, also etwa ein aktueller Messwert für den Füllstand oder die Unterschreitung eines vorgegebenen Mindestfüllstands, an eine übergeordnete Prozesssteuerung übergeben. Umgekehrt ermöglicht die Kommunikationseinrichtung manuellen oder automatischen Zugriff auf eine Parametrier- oder Diagnoseschnittstelle des Füllstandssensors.

[0004] Herkömmlich werden Füllstandssensoren zur Prozesseinbindung mit verschiedenen Schnittstellen gemäss den Protokollen HART, lO-Link, einem anderen Feldbusstandard oder einem proprietären Standard ausgestattet. Keines dieser Protokolle ist völlig befriedigend in Hinblick auf Datenrate, Flexibilität und Kosten. Eine HART-Schnittstelle erfordert eine relativ teure Ankopplung des Füllstandssensors an die Prozessanlage. IO-Link hat eine begrenzte Datenrate und lässt nur eine begrenzte Leitungslänge zu. Ausserdem ist üblicherweise an vorhandenen Bedien- und Anzeigeeinrichtungen keine IO-Link-Schnittstelle vorhanden, und daher sind separate Schnittstellen-Konverter und Zusatzsoftware erforderlich, um einen Sensor über IO-Link anzuschliessen oder zum Beispiel von einem tragbaren Rechner aus zu bedienen. Bei proprietären Standards ist dieses Problem noch verschärft. Feldbusknoten, etwa für Profibus, sind meist sehr teuer und verglichen mit den Kosten eines Füllstandssensors unverhältnismässig hoch.

[0005] Sofern ein Füllstandssensor nicht energieautark arbeitet, wird zusätzlich zu einem Anschluss für die Kommunikation und den Datenaustausch auch noch ein Stromanschluss benötigt.

[0006] Vor diesem Hintergrund besteht der Wunsch nach möglichst kostengünstigen und standardisierten Lösungen.

[0007] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige und einfache Anschlussmöglichkeit für einen Füllstandssensor anzugeben, welche ohne zusätzlichen Stromanschluss auskommt.

[0008] Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäss Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Lösung von dem Grundgedanken aus, einen sehr verbreiteten Schnittstellenstandard auch auf Feldebene der Automatisierungshierarchie einzusetzen. Dafür wird ein Ethernetanschluss eingesetzt.

[0009] Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein einfach zu realisierender Ethernetanschluss aus standardisierten Kommunikationsmitteln für den Datenaustausch verwendet wird, der zugleich für die Energieversorgung über eine Anschlussleitung eingesetzt werden kann. Damit entfällt zusätzlich zu der vereinfachten und verbesserten Datenkommunikation auch ein sonst erforderlicher zusätzlicher Stromanschluss, und es ist nur eine Leitung zu verlegen. Der Füllstandssensor kann, anders als etwa bei USB, mit einer grossen Leitungslänge von beispielsweise 100 m angeschlossen werden. Die Infrastruktur für ein Ethernet ist in komplexeren Anlagen ohnehin vorhanden, weil zumindest die Vernetzung zwischen den Bedienrechnern üblicherweise auf Basis von Ethernet erfolgt.

[0010] Der Füllstandssensor ist bevorzugt nach dem TDR-Prinzip ausgebildet und weist einen Sender und einen Empfänger zum Aussenden und Empfangen eines Signals, insbesondere eines Mikrowellenpulses, sowie eine Sonde auf, wobei mittels der Auswertungseinheit die Entfernung einer Grenzfläche des Mediums anhand der Laufzeit des von der Sonde geführten und an der Grenzfläche reflektierten Signals bestimmbar ist.

[0011] TDR-Füllstandssensoren sind besonders genaue und in besonders vielen Anwendungsgebieten robuste Füllstandssensoren.

[0012] Die Auswertungseinheit weist bevorzugt einen on-chip integrativ mit der Auswertungseinheit ausgebildeten Ethernet-Controller auf. Der Ethernet-Anschluss wird auf diese Weise mit nur sehr geringfügigem Aufwand implementiert.

[0013] Der Sensor weist bevorzugt ein Gehäuse mit einem Steckverbinder für den Ethernetanschluss auf. In den Steckverbinder können die normierten RJ45-Stecker für Ethernet eingesteckt werden. Auch können andere Steckverbinder vorgesehen sein, beispielsweise für einen M12-Stecker.

[0014] Der Sensor weist bevorzugt eine Verbindung eines Schirms des Ethernetanschlusses mit dem Gehäuse auf. Dadurch wird der Schirm eines angeschlossenen Ethernetkabels mit dem Gehäuse verbunden. Eine Realisierungsmöglichkeit ist entsprechende Montage einer Elektronikkarte der Auswertungseinheit in einem metallischen Gehäuse. Bei einem M12-Steckverbinder wird der Schirm über die Rändelmutter mit dem Gehäuse verbunden. Die Verbindung kann eine direkte galvanische Verbindung oder eine kapazitive Ankopplung sein, Letzteres um grosse, in der Anlage entstehende Masseschleifen für niederfrequente Störströme zu unterbrechen.

[0015] Der Steckverbinder weist in vorteilhafter Weiterbildung als Dichtigkeitsschutz ein Gewinde für eine Überwurfmutter auf. So bleibt der Sensor auch in rauen Umgebungen dicht und spritzgeschützt.

[0016] Der Anschluss ist bevorzugt entsprechend einer Schutzklasse ausgeführt, insbesondere IP67 oder IP69K. Der Füllstandssensor ist so in Anwendungen mit entsprechenden Anforderungen an seine Robustheit einsetzbar.

[0017] Ein Verbindungskabel zwischen dem Anschluss und einer Platine der Auswertungseinheit ist bevorzugt mit Löt- oder Steckverbindungen ausgeführt. Somit besteht keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem externen Ethernetkabel und der Platine der Auswertungseinheit, so dass beispielsweise Zugbelastungen abgefangen werden können.

[0018] In der Auswertungseinheit ist bevorzugt ein Webserver implementiert. Zur Bedienung des Füllstandssensors ist dann ist keine spezielle Software auf der Bedien- und Anzeigeeinheit zu installieren, es genügt ein allgemeiner Webbrowser beispielsweise auf einem PC, einem Notebook, einem PDA oder einem Handy.

[0019] In der Auswertungseinheit ist vorteilhafterweise ein E-Mail-Client implementiert. Der Füllstandssensor ist dann in der Lage, Messergebnisse oder Statusmeldungen per E-Mail zu versenden, so dass zum Empfang derartiger Informationen jeder Standardcomputer an jedem Ort in der Lage ist.

[0020] Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in: <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Blockdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Füllstandssensors mit Datenaustausch und Energieversorgung über eine Ethernet-Schnittstelle; <tb>Fig. 2<SEP>eine schematische Blockdarstellung des Sensorkopfes einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Füllstandssensors mit internen Lötverbindungen; <tb>Fig. 3<SEP>eine Darstellung gemäss Fig. 2 mit internen Ethernet-Steckverbindungen; und <tb>Fig. 4<SEP>eine Darstellung gemäss Fig. 2 mit einem RJ45-Stecker als Anschluss.

[0021] Fig. 1 zeigt schematisch einen Füllstandssensor 10 nach dem TDR-Prinzip, der in einem Behälter 12 mit einer Flüssigkeit 14 oder einem anderen Messmedium eingesetzt ist. Die Flüssigkeit 14 bildet gegenüber der Luft 16 eine Grenzfläche 18. Der Sensor 10 ist dafür ausgebildet, die Entfernung der Grenzfläche 18 zu ermitteln und daraus aus seiner bekannten Anbringungslage und der Geometrie des Behälters 12 den Füllstand der Flüssigkeit 14 abzuleiten. Die Grenzfläche 18 ist nicht notwendigerweise der Übergang von Flüssigkeit auf Luft. Denkbar ist beispielsweise eine Grenzfläche zwischen mehreren Flüssigkeiten, zu anderen Gasen als Luft und zu Granulaten oder Schüttgut.

[0022] Der Sensor 10 weist einen Sensorkopf 20 mit einer Auswertungseinheit 22 auf, die vorzugsweise als digitaler Baustein, etwa als Mikrocontroller, auf einer Platine untergebracht ist. An dieser Platine mit der Auswertungseinheit 22 ist eine koaxiale Sonde 24 angebracht, welche einen Aussenleiter 26 und einen Innenleiter 28 aufweist. Im Betrieb sendet die Auswertungseinheit 22 ein elektromagnetisches Signal mit einem charakteristischen Amplitudenverlauf, vorzugsweise einen sehr kurzen Mikrowellenpuls, durch die koaxiale Sonde 24. An der Grenzfläche 18 zwischen Luft 16 und Flüssigkeit 14 springt die relative Dielektrizitätskonstante und damit der Wellenleitwiderstand und erzeugt so eine Signaländerung, im Falle eines Sendepulses in Form eines Reflexpulses. Aus dem Reflexpuls kann die Auswertungseinheit 22 aufgrund der Fortpflanzungsgeschwindigkeit, welche auf der Messstrecke in Luft 16 der Vakuumlichtgeschwindigkeit entspricht, die Laufzeit des Pulses und somit auch die Entfernung der Grenzfläche 18 messen. Eine alternative Bauform der Sonde 26 ist eine Monosonde, die also nur aus einem einfachen Leiter besteht. Der Füllstandssensor 10 kann im Übrigen auch mit Radar oder einem gänzlich anderen Messprinzip arbeiten.

[0023] Für den Datenaustausch mit einer übergeordneten Steuerung, etwa einer Anlagensteuerung, weist der Füllstandssensor 10 einen Ethernetanschluss 30 mit einer Ethernetschnittstelle auf, die mit der Auswertungseinheit 22 verbunden ist. An dem Ethernetanschluss 30 ist ein Ethernetstecker 32 des übergeordneten Netzwerks anschliessbar. Die Auswertungseinheit 22 umfasst on-chip einen integrierten Ethernetcontroller und ist beispielsweise ein LPC2364. Die Auswertungseinheit 22 weist ausserdem einen Ethernet Physical Layer Transceiver auf, also die physische Schnittstelle für die unterste Schicht (OSl-Schicht 1) des Ethernets. Diese physische Schnittstelle ist alternativ in dem Anschluss 30 realisiert.

[0024] Ethernetschnittstelle und Ethernetcontroller sind nach dem Standard «power over ethernet» gemäss IEEE802.3af und deshalb nicht nur für den Datenaustausch, sondern darüber hinaus auch für die Energieversorgung des Füllstandssensors 10 ausgebildet. Dafür ist eventuell ein Zusatzchip erforderlich. Sofern der Füllstandssensor 10 energieautark ist, beispielsweise Energie aus dem Umgebungslicht erzeugt, kann die Ethernetschnittstelle auch als einfache Ethernetschnittstelle ausgeführt sein und auf eine Energieversorgung per Ethernet verzichtet werden.

[0025] Ethernet bietet auf der Transportschicht die Protokolle TCP (Transmission Control Protocol) und UDP (User Datagram Protocol), auf der Anwendungsschicht unter anderem die Webprotokolle HTTP (Hypertext Transfer Protocol) und HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure), die E-Mail-Protokolle IMAP (Internet Message Access Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), POP3 (Post Office Protocol), das Namenprotokoll DNS (Domain Name System), die Remote-Zugriffsprotokolle Telnet (Telecommunication Netword) und SSH (Secure Shell) sowie die Administrationsprotokolle SNMP (Simple Network Management Protocol) und DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) an.

[0026] Auf dem Füllstandssensor 10 können verschiedene Dienste implementiert sein. Ein integrierter Webserver (Embedded Web Server) ermöglicht einem beliebigen Computer mit Ethernetanschluss, den Füllstandssensor 10 zu parametrieren und zu diagnostizieren. Dazu verbindet sich der Browser des Computers mit der IP-Adresse des Füllstandssensors 10 und bekommt damit die Seiteninhalte von dem Webserver.

[0027] Ein SOPAS (Sick Open Portal for Applications and Systems) Runtime Server ermöglicht, mit Hilfe des Engineering-Tools SOPAS ET direkt mit dem Gerät Kontakt aufzunehmen und das Gerät so zu parametrieren und zu diagnostizieren.

[0028] Mittels der Integrationstechnik OPC (OLE for Process Control, OLE steht für Object Linked Embedding) und OPC UA (OPC unified architecture) lässt sich der Füllstandssensor 10 ohne Zusatzsoftware vollständig in die Hierarchie einer Automatisierungsanlage integrieren.

[0029] Auf dem Füllstandssensor 10 kann ein DCOM-Server (Distributed Component Object Model) wie beispielsweise ein Kommunikations-DTM (Device Type Manager) gemäss FTD-Spezifikation (Field Device Tool) ausgeführt werden, welcher auf einem über TCP/IP verbundenen Computer registriert wird, um in einem FTD-Framework mit einem sichtbaren DTM eines anderen Geräts Informationen auszutauschen.

[0030] Mit einem Fileserver auf dem Füllstandssensor 10, beispielsweise SAMBA unter Linux, können Treiber, DTMs oder Parametriersoftware gelesen oder ein Softwareupdate der Firmware geschrieben werden.

[0031] Ein Dienst zum Softwareupdate könnte entweder einem über TCP/IP verbundenen Computer ermöglichen, neue Firmware herunterzuladen, oder der Füllstandssensor 10 sucht selbst, etwa auf der Homepage des Herstellers, nach einer aktuelleren Firmware, lädt sie herunter und führt die Aktualisierung aus.

[0032] Fernzugriff erlaubt eine Ferndiagnose und damit dem Hersteller oder einem Serviceanbieter, das Gerät über das Internet zu diagnostizieren. Das Gerät könnte ausserdem selbst Kontakt mit einem Diagnose-Server aufnehmen und sich so regelmässig überprüfen lassen. Dadurch können anwendungsspezifische Gegebenheiten analysiert werden. Beispielsweise äussern sich unterschiedliche Formen des Tanks oder Behälters 12 in unterschiedlichen Echokurven des empfangenen elektromagnetischen Signals. Per Fernwartung ist es möglich, solche Echokurven auszumessen und die Auswertung des Sensors 10 entsprechend anzupassen.

[0033] Zusätzliche Funktionen können durch eine Lizenzverwaltung des Füllstandssensors 10 so lange unterdrückt werden, bis sie vom Hersteller oder Händler per Ethernet freigeschaltet werden. Dies beinhaltet auch die Möglichkeit, einzelne Funktionen an Bedingungen zu knüpfen, beispielsweise eine Freischaltung nur für einen bestimmten Zeitraum.

[0034] Ein E-Mail-Dienst ermöglicht das Versenden von E-Mails bei bestimmten Ereignissen oder ein Beeinflussen des Füllstandssensors 10 durch den Empfang bestimmter E-Mails. Zur erhöhten Sicherheit kann beim E-Mail-Versand in einer oder beiden Richtungen ein geeignetes Verschlüsselungsverfahren zur Geheimhaltung und zur Autorisierung des Absenders, des Empfängers beziehungsweise des Inhalts verwendet werden.

[0035] Die Figuren 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Füllstandssensors 10 insbesondere im Hinblick auf die Ausführung des Ethernetanschlusses 30. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechende Merkmale.

[0036] In der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ist der Ethernetanschluss 30 als Buchse mit einem Aussengewinde 34 ausgeführt. Von dieser Buchse führt intern eine Leitung 36 zu der Auswertungseinheit 22, wo sie auf deren Platine verlötet ist. Der anzuschliessende Ethernetstecker 32 ist mit einer zu dem Aussengewinde 34 passenden Überwurfmutter 38 mit Dichtung versehen. Ausserdem ist der Ethernetstecker 32 mit einem Schutzgehäuse versehen, so dass der Füllstandssensor 10 für die Einhaltung einer Schutzklasse ausgebildet ist, wie IP67 oder IP69K.

[0037] In der Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist der Ethernetanschluss 30 auf einer Steckverbinderplatine 40 montiert. Die Steckverbinderplatine 40 weist, ebenso wie die Platine der Auswertungseinheit 22, eine weitere Buchse 42 beziehungsweise 44 für eine interne Ethernetverbindung 46 auf. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäss Fig. 2 erfolgt die interne Anbindung an den Ethernetanschluss 30 somit per Steckverbindung und nicht per Lötverbindung.

[0038] In der Ausführungsform gemäss Fig. 4 ist der Ethernetanschluss 30 nicht als Buchse, sondern als Stecker 46 ausgeführt. Am Gehäuse des Füllstandssensors 10 ist ein Verbindungsteil 48 vorgesehen, und ein PG-Schraubverbindungsteil 50 sitzt nicht verschieblich auf einem Kabel 52 des Ethernetanschlusses 30. Durch eine PG-Verschraubung des PG-Schraubverbindungsteils 50 auf das Verbindungsteil 48 erfolgt Zugentlastung und Abdichtung des Kabels 52 zu dem Gehäuse. Dabei kann ein inneres Element eines RJ45-Steckers, welches die eigentliche Verbindung der Einzelleitungen trägt, durch die PG-Verschraubung geführt werden.

Claims (9)

1. Füllstandssensor (10) mit einer Auswertungseinheit (22) zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums (14), dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Ethernetanschluss (30) sowohl für den Datenaustausch als auch für die Energieversorgung vorgesehen ist.

2. Füllstandssensor (10) nach Anspruch 1, der nach dem TDR-Prinzip ausgebildet ist und der einen Sender und einen Empfänger zum Aussenden und Empfangen eines Signals, insbesondere eines Mikrowellenpulses, sowie eine Sonde (24) aufweist, wobei mittels der Auswertungseinheit (22) die Entfernung einer Grenzfläche (18) des Mediums (14) anhand der Laufzeit des von der Sonde (24) geführten und an der Grenzfläche (18) reflektierten Signals bestimmbar ist.

3. Füllstandssensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswertungseinheit (22) einen integrierten Ethernet-Controller aufweist.

4. Füllstandssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllstandssensor (10) ein Gehäuse mit einem Steckverbinder für den Ethernetanschluss (30) aufweist.

5. Füllstandssensor (10) nach Anspruch 4, der eine Verbindung eines Schirms des Ethernetanschlusses (30) mit dem Gehäuse aufweist, insbesondere eine direkte galvanische Verbindung oder eine kapazitive Ankopplung.

6. Füllstandssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Steckverbinder (30) als Dichtigkeitsschutz ein Gewinde (34) für eine Überwurfmutter (38) aufweist.

7. Füllstandssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verbindungskabel (36, 46) zwischen dem Ethernetanschluss (30) und einer Platine der Auswertungseinheit (22) mit Löt- oder Steckverbindungen ausgeführt ist.

8. Füllstandssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Auswertungseinheit (22) ein Webserver implementiert ist.

9. Füllstandssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Auswertungseinheit (22) ein E-Mail-Client implementiert ist.