DE102005044973A1

DE102005044973A1 - Steckmodul für einen Flüssigkeits- oder Gassensor

Info

Publication number: DE102005044973A1
Application number: DE102005044973A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Babel; Detlev Dr. Wittmer
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US20090302856A1; WO2007033972A1; US8847602B2; EP1926987A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensormodulkopf (SMK) für einen Flüssigkeits- oder Gassensor, der ein Sensormodul (SM) und einen Sensormodulkopf (SMK) umfasst, die lösbar miteinander verbindbar sind und die im zusammengesetzten Zustand einen Daten- und Energieaustausch über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke ermöglichen, wobei der Sensormodulkopf (SMK) eine Energieversorgungseinheit (EVE) zum Betreiben des Sensormodulkopfs (SMK) und des Sensormoduls (SM) sowie einen Datenspeicher (MEM) aufweist, um vom Sensormodul (SM) empfangene Sensordaten abzuspeichern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steckmodul für einen Flüssigkeits- oder Gassensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Flüssigkeits- oder Gassensoren werden eingesetzt um pH-Werte oder Redox-Potentiale, Temperaturen, Leitfähigkeiten oder Trübungen bei Flüssigkeiten zu messen.
Im Folgenden wird im wesentlichen von potentiometrischen Sensoren, als Beispiel für einen Flüssigkeits- bzw. Gassensor die Rede sein. Potentiometrische Sensoren werden vor allem eingesetzt, um Potentiale bei großen Widerständen wie dies bei pH-Messungen und Redox-Messungen der Fall ist, zu bestimmen. Mit Hilfe von pH-Elektroden bzw. Redox-Elektroden werden die Potentiale der Lösungen erfasst.
Diese Elektroden sind in vielen Anwendungsfällen starkem Verschleiß ausgesetzt, so dass sie häufig nach kurzer Betriebszeit ausgetauscht werden müssen.
Es gibt sehr einfach aufgebaute pH-Sensoren die nur aus einer pH-Elektrode ohne jegliche Elektronikbauteile bestehen. Diese pH-Elektroden liefern einen pH-abhängiges Potential, welches an geeigneten elektrischen Anschlüssen abgreifbar ist. Optional weisen diese pH-Elektroden zur Temperaturkompensation einen integrierten Temperatursensor, z. B. PT100, auf, dessen Potential an geeigneten Temperaturausgängen abgreifbar ist. Zum Messen werden diese pH-Sensoren gewöhnlich über ein Kabel an einem Transmitter angeschlossen, der aus dem pH-abhängigen Potential und gegebenenfalls dem Temperatursignal des Temperatursensors ein Messsignal generiert.
Neben den beschriebenen einfachen pH-Elektroden bzw. Sensoren gibt es auch welche mit integriertem Vorverstärker zur Impedanz-Wandlung. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers ist das Potential des pH-Sensors, wobei jedoch anstelle des Innenwiderstands des pH-Sensors, der in der Größenordnung von 100 MΩ liegt, nunmehr der Innenwiderstand des Vorverstärkers mit einigen Ω ausschlaggebend. Daher ist die weitere Übertragung und Verarbeitung des Ausgangspotentials zu einem Transmitter erheblich vereinfacht. Der Vorverstärker wird entweder über eine Batterie gespeist oder über ein Kabel mit Spannung versorgt.
Weiterhin sind unter dem Namen Direct Line der Firma Honeywell einfache Transmitter erhältlich, welche direkt auf die pH-Sensoren montiert werden. Damit ist es möglich, in unmittelbarer Nähe des Sensors z. B. ein 4-20 mA Messsignal zu generieren, welches dann ohne weiteres zur Warte übertragen werden kann.
Bei allen bekannten pH-Elektroden bzw. pH-Sensoren ist es erforderlich die Elektroden nach dem Anschluss an den Transmitter zu kalibrieren, um die ermittelten Kalibrierungsparameter im Transmitter abspeichern zu können. Sensorspezifische Informationen wie Messstellenbezeichnung etc. sind in der Regel vor Ort also in unmittelbarer Nähe des Sensors nicht erhältlich.

Das von der Fa. Endress+Hauser unter dem Namen Memosens angebotene Sensorsystem umfasst ein Sensormodul und einem Sensormodulkopf, die zusammensteckbar sind. Der Datenaustausch zwischen Sensormodul und Sensormodulkopf und die Energieversorgung zum Sensormodul erfolgen induktiv über eine Verbindungsstrecke die zur galvanischen Entkopplung dient. Weiterhin ist ein Sensormodul im digitalen Speicher vorgesehen, in dem u. a. Kalibrierungsparameter abgespeichert sind. Diese Technologie ist beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 100 55 090 und DE102 18 606 offenbart.

Als Zubehör zu einem Sensor gemäß der genannten Schriften offenbart die Offenlegungsschrift DE 103 44 262 ein Steckmodul, das insbesondere ermöglicht, sensorspezifische Informationen direkt vor Ort am Sensor darzustellen und dass weiterhin eine Überprüfung des an die Warte gesendeten Messwertes ermöglicht. In einer besonderen Ausgestaltung ist dieses Modul nicht nur dazu geeignet, Daten vom Sensor anzuzeigen, sondern diese auch per Kabel oder per Funk zu einer übergeordneten Einheit zu übertragen.

In bestimmten Anwendungsfällen erfordert die Datenübertragung per Funk einen zu großen Energieaufwand um einen nachhaltigen Betrieb des Sensors mittels des Steckmoduls zu ermöglichen. Gleichermaßen ist der Betrieb des Sensors über ein Kabel, welches von einem Messumformer zum Sensor verläuft, insbesondere bei entlegen positionierten Sensoren nicht immer praktikabel.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen insbesondere steckbaren Sensormodulkopf zum Betreiben eines Sensors bereitzustellen, welcher die Nachteile des Stands der Technik überwindet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Sensormodulkopf gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Sensormodulkopf für einen Flüssigkeits- oder Gassensor, der ein Sensormodul und einen Sensormodulkopf umfasst, die lösbar miteinander verbindbar sind und die im zusammengesetzten Zustand einen Daten- und Energieaustausch über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke ermöglichen, wobei
der Sensormodulkopf eine Energieversorgungseinheit zum Betreiben des Sensormodulkopfs und des Sensormoduls sowie einen Datenspeicher aufweist, um vom Sensormodul empfangene Sensordaten abzuspeichern.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Sensormodulkopf eine Anzeigeeinheit aufweisen, die zur Anzeige von im Sensormodulkopf gespeicherten Sensordaten dient.

Zur weiteren Verarbeitung bzw. Auswertung der Sensordaten kann der Sensormodulkopf beispielsweise vom Sensormodul abgezogen und zum Auslesen der Sensordaten an ein geeignetes Auslesegerät angeschlossen werden. Die Sensordaten können Messdaten umfassen, deren Verlauf über längere Zeit aufgezeichnet wurde, oder sie können Zustandsdaten des Sensormoduls betreffen.

Die galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke umfasst beispielsweise eine induktive Übertragungsstrecke mit einer primärseitigen induktiven Schnittstelle im Sensorkopfmodul und einer sekundärseitigen induktiven Schnittstelle im Sensormodul, wobei die Energiespeisung über des Sensormoduls über ein AC-Signal erfolgt, und die Datenübertragung vom Sensormodul zum Sensorkopfmodul durch Lastmodulation des AC-Signals realisiert werden kann.

Das Auslesen des Sensormodulkopfs kann beispielsweise über die induktive Schnittstelle oder eine ggf. vorgesehene zusätzliche Schnittstelle erfolgen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

1 Ein Sensormodul in schematischer Darstellung;

2 Einen Sensormodulkopf in schematischer Darstellung;
In 1 ist ein Sensormodul SM näher dargestellt. Das Sensormodul SM besteht aus einem Messwertaufnehmer (z. B. einer Glaselektrode), die in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht wird. Der Messwertaufnehmer liefert ein analoges Messsignal, das in einer analogen Signalverarbeitungseinheit SV vorverarbeitet wird.
Anschließend wird das aufbereitete analoge Messsignal in einem Analog-Digital-Wandler AD in einem Digitalwert umgewandelt, der in einem Mikrocontroller μC1 weiterverarbeitet wird. Der Mikrocontroller μC1 ist über ein Modem M/D und einem Netzteil NT mit einer Spule L1 verbunden. Über das Netzteil NT wird das gesamte Sensormodul SM mit Spannung versorgt. Passend zum Sensormodul SM ist ein Sensormodulkopf ausgebildet, der in 2 näher dargestellt ist. Der Sensormodulkopf SMK und das Sensormodul SM sind steckbar miteinander verbindbar. Beim Sensormodulkopf SMK ist eine Spule L2 über einen Verstärker V mit einem Modem M2 verbunden.
Über die Spulen L1 und L2 erfolgt ein Daten- und Energieaustausch. Weitere Einzelheiten zum induktiven Datenaustausch über ASK oder FSK zwischen dem sekundärseitigen Sensormodul und dem primärseitigen Sensormodulkopf und der Energieversorgung des Sensormoduls über die induktive Kopplung sind den oben genannten Offenlegungsschriften zu entnehmen.
Der Sensormodulkopf SMK weist weiterhin einen Mikrocontroller μC zur Steuerung der Komponenten des Sensormodulkopfs auf, wobei der Mikrocontroller einen Datenspeicher MEM umfasst, in dem die von dem Sensormodul empfangenen Sensordaten gespeichert werden können. Weiterhin ist eine Energieversorgungseinheit EVE zum Speisen der Komponenten des Sensormodulkopfs vorgesehen. Die Energieversorgungseinheit EVE kann eine Batterie bzw. Solarzellen in Kombination mit einem Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator bestehen.
Am einem optional vorgesehenen Display D können sensorspezifische Informationen, wie z. B. Messstellenbezeichnung dargestellt werden. Hierzu werden die entsprechenden Daten direkt aus dem Sensormodul SM oder dem Datenspeicher MEM im Sensormodulkopf ausgelesen.
Zum Auslesen der in dem Datenspeicher MEM abgelegten Sensordaten und zur Programmierung des Mikrocontrollers ist eine geeignete Schnittstelle I/O vorgesehen.
Das Anlegen einer Versorgungsspannung zum Laden der EVE kann beispielsweise ebenfalls über die Schnittstelle erfolgen, oder es kann ein separater Anschluss vorgesehen sein.

Claims

Sensormodulkopf (SMK) für einen Flüssigkeits- oder Gassensor, der ein Sensormodul (SM) und einen Sensormodulkopf (SMK) umfasst, die lösbar miteinander verbindbar sind und die im zusammengesetzten Zustand einen Daten- und Energieaustausch über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke ermöglichen, wobei der Sensormodulkopf (SMK) eine Energieversorgungseinheit (EVE) zum Betreiben des Sensormodulkopfs (SMK) und des Sensormoduls (SM) sowie einen Datenspeicher (MEM) aufweist, um vom Sensormodul (SM) empfangene Sensordaten abzuspeichern.
Sensormodulkopf nach Anspruch 1, wobei der Sensormodulkopf (SMK) eine Anzeigeeinheit (D) aufweist, die zur Anzeige von gespeicherten Sensordaten dient.
Sensormodulkopf nach Anspruch 1 oder 2 wobei der Sensormodulkopf zur weiteren Verarbeitung bzw. Auswertung der Sensordaten vom Sensormodul abziehbar und mittels einer Schnittstelle (I/O) zum Auslesen der Sensordaten an ein geeignetes Auslesegerät anschließbar ist.
Sensormodulkopf nach Anspruch 3, wobei die Sensordaten Zustandsdaten des Sensormoduls und/oder Messdaten umfassen, deren Verlauf über längere Zeit aufgezeichnet wurde.