CN114981851A

CN114981851A - 传感器装置和扩展模块

Info

Publication number: CN114981851A
Application number: CN201980103450.4A
Authority: CN
Inventors: 卡尔·格里斯鲍姆; 罗兰·韦勒
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2022-08-30
Also published as: WO2021121626A1; US20230024136A1; EP4078552A1

Abstract

本发明涉及用于确定工业环境中的过程变量的传感器装置(100)，其具有传感器基本单元(101)和第一扩展模块(120)。传感器基本单元(101)包括以下部件：用于确定过程变量的过程变量确定单元(103)；用于机械地容纳第一扩展模块(120)的第一机械接口(111)；以及用于第一扩展模块(120)的用于传输测量数据和/或控制数据的第一通信接口(112)。在此，第一扩展模块(120)包括用于传感器基本单元(101)的第二机械接口(121)、用于机械地容纳第二扩展模块(140)的第三机械接口(131)、用于传感器基本单元(101)的用于传输测量数据和/或控制数据的第二通信接口(122)以及用于第二扩展模块(140)的用于传输测量数据和/或控制数据的第三通信接口(132)。

Description

传感器装置和扩展模块

技术领域

本发明涉及用于确定工业环境中的过程变量的传感器装置、用于传感器装置的扩展模块以及扩展模块的用于传感器装置的用途。

背景技术

诸如物位测量设备等传感器检测过程变量，该过程变量例如经由现场总线或无线地传输到服务器或数据网络。连接到传感器的电源线用于提供能量。替代地，传感器包含电池，因此传感器可以自给式地工作。但是，通常传感器上没有显示操作单元。然而，一些传感器有可能随后安装这种显示操作单元。在此，该单元所必需的电源以及与传感器的数据交换例如通过传感器与显示操作单元之间的电线接口进行。其它后续功能单元可以有条件地容纳在传感器或显示操作单元中，但这将需要对现有的传感器进行修改或对显示操作单元进行特殊设计。由于空间原因或其它原因，也可能无法随后将功能单元集成到现有的传感器或显示操作单元中。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决方案，以便以低成本和低工作量的方式为传感器提供客户定制的额外功能。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的实施例是从属权利要求、以下说明和附图的主题。

根据第一方面，提供了一种用于确定工业环境中的过程变量的传感器装置。传感器装置包括传感器基本单元和第一扩展模块。传感器基本单元包括用于确定过程变量的过程变量确定单元、用于机械地容纳第一扩展模块的第一机械接口以及用于第一扩展模块的用于传输测量数据和/或控制数据的第一通信接口。第一扩展模块包括用于传感器基本单元的第二机械接口、用于机械地容纳第二扩展模块的第三机械接口、用于传感器基本单元的用于传输测量数据和/或控制数据的第二通信接口以及用于第二扩展模块的用于传输测量数据和/或控制数据的第三通信接口。

术语“工业环境中的过程自动化”可以理解为技术的一个子领域，其包含无人工参与的操作机器和设备的所有措施。过程自动化的一个目标是在诸如化学、食品、制药、石油、造纸、水泥、航运或矿业等领域中使工厂的各个部件的交互自动化。为此，可以使用大量的传感器，这些传感器特别适用于过程工业的诸如机械稳定性、对于污染物的不敏感性、极端温度、极端压力等特定要求。通常将这些传感器的测量值传送到控制室，在控制室中可以监测诸如填充物位、极限物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的设置。

工业环境中的过程自动化的一个子领域涉及工厂的物流自动化。在物流自动化领域中，借助于距离传感器和角度传感器使建筑物内或单个物流设备内的过程自动化。典型的应用是例如用于以下领域的物流自动化系统：机场的办理行李和货物托运处理领域、交通监控领域(收费系统)、贸易领域、包裹配送或还有建筑物安全(访问控制)领域。先前列出的示例的共同点在于，各个应用端都需要将存在检测与对象大小和位置的精确测量结合起来。为此，可以使用借助于激光、LED、2D相机或3D相机的基于光学测量方法的传感器，这些传感器根据渡越时间原理(ToF：time of flight)检测距离。

工业环境中的过程自动化的另一子领域涉及工厂/制造自动化。在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业或一般包装行业等许多行业中，都可以见到这种应用示例。工厂自动化的目的是使通过机器、生产线和/或机器人执行的货物生产自动化，即，在没有人工参与的情况下运行。在此使用的传感器以及在检测对象的位置和大小时对于测量精度的特定要求与上述物流自动化示例中的传感器和特定要求相当。

“传感器”应理解为特别是在壳体中具有用于确定过程变量的测量传感器的装置以及可能存在于壳体内的诸如电子部件、连接件和机械元件等部件。

第一方面的传感器装置包括作为传感器基本单元的这种传感器和第一扩展模块，该第一扩展模块具有用于传感器基本单元的机械接口和通信接口或数据接口以及用于第二扩展模块的机械接口和数据接口。第一扩展模块通过机械接口安装在传感器基本单元上。在已安装的状态下，可以通过数据接口(在此称为“第二通信接口”)在传感器基本单元和扩展模块之间交换例如测量数据和控制数据。测量数据和控制数据都可以以数字或模拟的方式传输。第一扩展模块具有其它接口(在此称为“第三机械接口”和“第三通信接口”)，可以通过所述其它接口机械地和在数据交换方面将第二扩展模块连接到第一扩展模块。

例如，第二接口和第三接口可被布置为使得能够将第二扩展模块放置在第一扩展模块上。根据一实施例，第一扩展模块安装在传感器基本单元的一侧，并且被设置为容纳作为最终扩展模块的第二扩展模块或容纳形成堆叠体的更多扩展模块。例如，第一扩展模块安装在传感器基本单元的顶侧，并且第二扩展模块安装在第一扩展模块的顶侧，因此构成了以垂直于传感器基本单元的表面的方式延伸的扩展模块堆叠体。在这种情况下，第一扩展模块的通信接口位于相对的两侧，例如上侧和下侧。如果扩展模块是圆柱形的，则通过堆叠扩展模块形成了具有圆形横截面的圆柱形堆叠体，其总高度是由各个扩展模块的高度得到的。在这种情况下，各个扩展模块可以具有相同或不同的高度。

最终扩展模块不一定必须具有两个机械或通信接口。例如，如果最终扩展模块是显示操作单元，则另一扩展模块可能会阻碍或阻止传感器装置的显示或操作的读取。

根据另一实施例，第一机械接口包括螺纹或卡扣装置。例如，螺纹可以是壳体的内螺纹或外螺纹，或是中心螺纹。第二机械接口(即，第一扩展模块的被容纳在传感器基本单元上的机械接口)是传感器基本单元的第一机械接口的配合件，并且因此被相应地配置。这同样适用于将第二扩展模块安装在第一扩展模块上的机械接口。

根据另一实施例，第一通信接口例如通过光耦合器光学地、经由有线连接电气地、电磁地(即，无线地)或例如借助于NFC感应地进行配置。在这种情况下，经由通信接口进行的通信可以在两个方向中的一者上单向地进行或双向地进行。例如，第二扩展模块向第一扩展模块请求数据。第一扩展模块将请求转发给传感器基本单元，然后获得测量数据，第一扩展模块接着将该测量数据转发到发出请求的第二扩展模块。

根据另一实施例，传感器基本单元还包括用于第一扩展模块的用于提供能量的第一电气接口。第一扩展模块还可包括用于基本单元的用于提供能量的第二电气接口和用于第二扩展模块的用于提供能量的第三电气接口。在一实施例中，能量的提供还可以包括能量的吸收。还可以仅在扩展模块的接口处吸收能量。

根据另一实施例，电气接口是感应的或有线的，并且从第一扩展模块接收能量或向其输送能量。

例如，可以从第二扩展模块向第一扩展模块提供能量，并且从第一扩展模块向传感器基本单元提供能量。替代地，扩展模块堆叠体中的中间扩展模块可以为其它扩展模块提供能量。例如，该扩展模块可以包括能量缓冲存储器，该能量缓冲存储器在一定的时间段内吸收并存储来自传感器基本单元的能量，直到有足够的能量可用于发送无线电数据包。

根据另一实施例，第一扩展模块被设置为作为有线电源连接模块(即，通过可连接到外部DC或AC电压源的电缆)或作为电池模块向传感器基本单元提供能量。

根据一实施例，传感器装置具有扩展模块堆叠体中的作为最终模块的顶部扩展模块，所述最终模块为光伏单元、操作装置和/或显示装置。也就是说，第一扩展模块被认为是“底部”扩展模块，其上堆叠有n个其它扩展模块，其中，n＝1…N，因此第N+1个扩展模块是最后一个模块(即，堆叠体中的顶部模块)。该最终模块可被设计为不能在该模块上再叠加其它扩展模块。例如，这可以是包含操作装置和/或显示装置或具有光电池的光伏单元的模块的情况。

根据一实施例，第一扩展模块被配置为容纳作为扩展适配器的非接触式传感器模块。因此，可以容易地将现有的非接触式扩展模块推入到例如扩展适配器中。如果传感器基本单元不具有任何非接触式接口，也可以通过扩展适配器来使用非接触式传感器模块。

根据一实施例，第一扩展模块包括数据存储器和/或用于外部通信链路的通信单元。因此，测量值可以首先被记录和收集在数据存储器中，并通过通信链路传输到网络或智能手机。在这种情况下，数据存储器和通信单元可被容纳在独立的扩展模块上，或可被容纳在公共的扩展模块上。外部通信可以例如符合一个或多个以下标准：WLAN、蓝牙、Zigbee、NB-IOT、GSM、CAT-M、LoRa、Sigfox或其它数据传输协议。通信单元也可以支持有线连接(例如，现场总线连接)，并且扩展模块可以提供相应的硬件和软件，例如也可以提供相应的插接连接件或其它连接端子。

根据一实施例，第一扩展模块包括加速度传感器、压力传感器、地磁场传感器、气体传感器、距离传感器、亮度传感器和/或温度传感器。诸如激光雷达、雷达和超声波等距离传感器以及运动传感器和亮度传感器特别适合用于最终扩展模块。

根据一实施例，扩展模块堆叠体包括盖。该盖被安装在传感器基本单元上，从而覆盖所有扩展模块。盖可以例如通过螺纹或卡扣装置安装在传感器基本单元上，并且可以具有诸如密封环等密封装置。替代地，扩展模块堆叠体中的扩展模块的机械接口具有密封性。例如，这些机械接口在机械和材料上被设计为防水、防尘和/或气密的。扩展模块也可以包括具有相应机械接口的壳体。

根据一实施例，过程变量确定单元被设置为确定压力、填充物位、极限物位或密度。

根据第二方面，提供了一种用于所述传感器装置的具有上述特征的扩展模块。

根据第三方面，将扩展模块用于如上所述的传感器装置。

其它选项对应于上述实施例并且由上述实施例产生。

因此，提供了一种用于确定过程变量的具有传感器基本单元和过程变量确定单元的传感器装置，其中，传感器装置能够通过多个可堆叠的扩展模块模块化地扩展。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容和所附权利要求，在实施要求保护的发明时可以理解和实施所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互从属的权利要求中说明特定措施的这一事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的附图标记不应解释为限制权利要求的范围。

附图说明

下面将参考附图详细地说明本发明的示例性实施例。说明和附图均不应被解释为限制本发明。

图1示出了传感器基本单元和显示操作单元的图。

图2示出了具有插入的显示操作单元的传感器基本单元的图。

图3示出了具有用于自给式操作的扩展模块的传感器装置的图。

图4示出了扩展模块的不同实施例。

图5示出了具有两个扩展模块的传感器装置的图。

图6示出了具有基本传感器、中间模块和最终模块的组件。

图7示出了具有密封环的传感器装置的另一图。

图8示出了具有扩展模块的传感器装置的通用框图。

附图仅是示意性的，并且未按比例绘制。原则上，相同或相似的部件设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了传感器或传感器基本单元101，其通过现场总线接口102供电。借助于测量值确定单元103，传感器基本单元101确定与过程相关的测量变量，例如压力、填充物位、极限物位或者密度。然后，将测量值例如通过4...20mA接口以模拟的形式且/或通过现场总线接口102以数字的形式提供到外部。在传感器单元101的基本构造中最初没有提供所确定的测量值的现场显示或传感器101的现场操作。

如果客户希望直接在传感器上存在显示和操作选项，他可以随后订购显示操作模块104，并在交货后将其独立地插入到传感器的为此设置的开口105中。传感器101在其扩展开口105中具有线形式的滑动触点106，这些滑动触点106被配置为与插入到开口105中的扩展电子器件交换能量和/或数据。

图2示出了传感器基本单元101，其具有以扩展模块104(例如，所述显示操作模块104)的形式插入的扩展电子器件。在将扩展模块104插入开口105中之后，通过拧上盖201而气密地密封传感器101。通过特别地安装在盖和传感器壳体之间的区域202中的密封环204，能够确保在随后的操作阶段没有湿气和灰尘可以进入到传感器的内部。

图3示出了实现传感器的自给式操作的示例。传感器301的扩展接口304被设计为根据所连接的扩展模块使用通过接口304流入的能量流来向其自身的电子部件供电。为此目的，将装配有电池305的电源模块303插入到扩展槽105中，该电源模块可以通过接口304向传感器301供电。因此，可以省略通过现场总线接口306插入的有线电源。因此，可以将先前的有线传感器101容易地转换为自给式测量传感器。

图4示出了扩展模块的不同实施例。所有示出的实施例的共同之处在于可以通过滑动触点400与传感器301进行数据和/或能量交换。

电池模块401具有多个能量储存器408，例如具有多个电池或蓄电池408，它们在插入到传感器的扩展槽105之后适于向传感器301供电。

无线通信模块402具有至少一个无线通信芯片411和天线412，它们以无线的形式与外部位置(例如，无线电桅杆或智能手机)交换测量值和/或控制命令。为此，可以使用根据现有技术的各种无线通信标准，例如WLAN、蓝牙、Zigbee、NB-IOT、GSM、CAT-M、LoRa、Sigfox或其它已知的标准。根据这种通信的能量需求，模块402可以装配有额外的能量贮存器410。在操作阶段可以首先从传感器基本单元301获得能量并将其收集在能量存储器409中，直到有足够能量可用于发送无线电数据包。

扩展适配器403允许能够在具有有线扩展接口304的传感器上使用例如可以与自给式物位传感器一起使用的非接触式扩展模块413。为此，扩展适配器403具有无线能量传输接口414(例如，感应线圈)以及无线通信接口415(例如，NFC接口)。

光伏模块404可以在插入传感器301的扩展槽105中之后通过额外引入来自太阳能电池416的能量来提高有线传感器的测量重复率，或者还可用于提供传感器301的全部电源。在后一种情况下，最初有线地构造的传感器101进一步发展为自给式传感器301。

除显示器417之外，显示操作模块405还具有输入单元418(例如，按钮418)，并且在插入传感器301中之后允许能够直接在测量点进行现场操作，而无需添加诸如智能手机或PC等其它控制元件。

服务模块406可用于对有问题的测量点进行长期诊断。该服务模块406包含长期数据存储器419(例如，SD卡419)，以用于记录传感器301在较长时间段内提供的诊断数据。然后，这些数据可以有助于经过培训的售后服务人员进行诊断和故障排除。

最后，无论在随后要为传感器基本单元301提供额外的有线电源时，还是在要添加更快的有线通信接口时，可以使用电缆模块407或电源连接模块407。为此，电缆模块407提供用于连接电缆420的至少一个接口421，该电缆420可以向传感器基本单元301传输额外能量，且/或从传感器基本单元301读出信息或将来自外部的信息引入其中，例如，读出测量值或引入软件更新。可以通过安装硬件和软件部件而在电缆模块407中实现其它有线现场总线标准，从而使传感器能够更新至未来的标准。

此外(无附图)，可以使扩展模块装配有附加传感器系统，以扩展传感器的应用选项。可以将选自由以下传感器组成的群组中的传感器集成到中间模块和/或最终模块中：加速度传感器、压力传感器、温度传感器、地磁场传感器、气体传感器或其它传感器。此外，例如可以将以下传感器集成到最终模块中：距离传感器(例如，激光雷达、雷达、超声波)、运动传感器、亮度传感器或其它传感器。

图5示出了根据本发明的扩展模块401、402、403、406、407的实施例的改进示例。传感器基本单元301在其扩展槽105的区域中被机械地设计为使得它允许扩展模块的机械固定，例如使用卡扣机构504、505或螺纹安装件或用于固定两个部件的其它已知结构。扩展模块502在其上侧具有与基本传感器301相同的固定轮廓504并且还在其上侧提供在功能上与接触点304相同的接口505。根据本发明，这两个特征的组合允许用其它扩展模块(例如，模块503)来扩展系统，这些扩展模块类似彼此上下堆叠地布置。显然，并非所有模块401至407都适合堆叠体中的所有位置。然而，所有不必在其上侧进行自由访问的模块都可以用作中间模块502，即，特别是电池模块401、无线电模块402、扩展适配器403、服务模块406和电缆模块407。特别地，可以将光伏模块404以及显示操作模块405设计为最终模块503。然而，原则上，可以将每个扩展模块设计为最终模块。

补充有多个模块402、503的传感器基本单元301被具有相应高度配置的盖501封闭，该盖501将整个组件相对于外部封闭，从而保护其免受灰尘和湿气的影响。

图6示出了根据本发明的具有传感器基本单元601、中间模块603、604和最终模块602的传感器装置的另一改进示例。根据本发明，中间模块603、604被构造为通过在其各个侧面上的机械设计和材料选择来直接补充和延续传感器601的壳体。最终模块602在其侧面和其上侧面上通过机械设计和材料选择被构造为补充传感器的壳体，从而将其完全封闭。与图5相比，不需要安装其大小取决于补充模块502、503的数量的盖。作为示例，但不排除，在图6的示例中设置有卡扣机构605、606，以便确保整个组件的机械稳定性。

图7示出了传感器装置的另一实施例。在这种情况下，中间模块702和最终模块703被构造为将触点708、709的区域中的空腔706、707通过周向密封环704、705与周围大气气密地隔离。这种构造能实现尤其在有爆炸风险的区域中整个组件的安全操作。作为示例，但不排除，在图7的示例中设置有周向螺纹710、711，以便确保整个组件的机械稳定性。

图8总结性地示出了用于确定工业环境中的过程变量的传感器装置(100)的通用框图，该传感器装置具有：

传感器基本单元(101)和扩展模块(120)。

传感器基本单元(101)具有以下部件：

过程变量确定单元(103)，其用于确定过程变量；

第一机械接口(111)，其用于机械地容纳第一扩展模块(120)；以及

用于第一扩展模块(120)的第一通信接口(112)，其用于传输测量数据和/或控制数据。在这种情况下，第一扩展模块(120)具有用于所述传感器基本单元(101)的第二机械接口(121)、用于机械地容纳第二扩展模块的第三机械接口(131)、用于传感器基本单元(101)的用于传输测量数据和/或控制数据的第二通信接口(122)以及用于第二扩展模块的用于传输测量数据和/或控制数据的第三通信接口(132)。

因此，如果需要，可以在现场使用多个扩展模块。此外，可以为传感器基本单元和扩展模块提供来自扩展模块的能量。

Claims

1.一种用于确定工业环境中的过程变量的传感器装置(100)，其包括：

传感器基本单元(301)和第一扩展模块(120)，

其中，所述传感器基本单元(101)包括：

过程变量确定单元(103)，其用于确定所述过程变量；

用于所述第一扩展模块(120)的第一通信接口(112)，其用于传输测量数据和/或控制数据，并且

其中，所述第一扩展模块(120)包括：

用于所述传感器基本单元(101)的第二机械接口(121)；

第三机械接口(131)，其用于机械地容纳第二扩展模块(140)；

用于所述传感器基本单元的第二通信接口(122)，其用于传输测量数据和/或控制数据；以及

用于所述第二扩展模块(140)的第三通信接口(132)，其用于传输测量数据和/或控制数据。

2.根据权利要求1所述的传感器装置(100)，其中，所述第一扩展模块(120)安装在所述传感器基本单元(101)的一侧，并且被配置为容纳作为最终扩展模块的所述第二扩展模块(140)或容纳由更多扩展模块组成的堆叠体。

3.根据权利要求1或2所述的传感器装置(100)，其中，所述第一机械接口(111)包括螺纹或扣卡装置。

4.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，其中，所述第一通信接口(112)是光学的、电气的、电磁的或感应的。

5.根据权利要求1所述的传感器装置(100)，

其中，所述传感器基本单元(101)还包括：

用于所述第一扩展模块(120)的第一电气接口(112)，其用于提供能量，并且

其中，所述第一扩展模块(120)还包括：

用于所述第一扩展模块(120)的第二电气接口(122)，其用于提供能量；以及

用于所述第二扩展模块(140)的第三电气接口(132)，其用于提供能量。

6.根据权利要求5所述的传感器装置(100)，其中，所述第一电气接口(112)是感应的或有线的，并且从所述第一扩展模块(120)获得能量或向所述第一扩展模块输送能量。

7.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，其中，所述第一扩展模块(120)被设置为作为有线电源连接模块(407)或作为电池模块(401)向所述传感器基本单元(101)提供能量。

8.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，其包括扩展模块堆叠体中的作为最终模块的顶部扩展模块，所述最终模块是光伏单元(416)、操作装置(418)和/或显示装置(417)。

9.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，其中，所述第一扩展模块(120)被配置为容纳作为扩展适配器(403)的非接触式传感器模块。

10.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，其中，所述第一扩展模块(120)包括数据存储器(419)和/或用于外部通信链路的通信单元(411)。

11.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，其中，所述第一扩展模块(120)包括加速度传感器、压力传感器、地磁场传感器、气体传感器、距离传感器、亮度传感器和/或温度传感器。

12.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，

其中，扩展模块堆叠体包括盖(501)，或者

其中，扩展模块堆叠体中的扩展模块的机械接口具有密封性。

13.根据前述任一项权利要求所述的传感器装置(100)，其中，所述过程变量确定单元(103)被设置为确定压力、填充物位、极限物位或密度。

14.一种用于根据权利要求1至13中任一项所述的传感器装置(100)的扩展模块(120)。

15.根据权利要求14所述的扩展模块(120)的用于根据权利要求1至13中任一项所述的传感器装置(100)的用途。