DE102008043297B4

DE102008043297B4 - Schnittstellenneutrales Funktionsmodul für ein modulares Messgerät und modulares Messgerät mit einem schnittstellenneutralen Funktionsmodul

Info

Publication number: DE102008043297B4
Application number: DE102008043297.0A
Authority: DE
Inventors: Stephan Buschnakowski; Jörg Uhle
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: DE102008043297A1; WO2010049254A1

Abstract

Funktionsmodul für ein modulares Messgerät, wobei das Messgerät eine übergeordnete Einheit, insbesondere ein Messumformermodul, und ein Sensormodul umfasst, wobei die übergeordnete Einheit ein erstes Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung aufweist und das Sensormodul ein zweites Element einer Steckverbinderkupplung aufweist,wobei das Sensormodul über das zweite Steckverbinderelement mit Energie zu versorgen ist,wobei ein Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und einer mit diesem verbundenen übergeordneten Einheit über das zweite Steckverbinderelement erfolgt,wobei das Funktionsmodul ein drittes Steckverbinderelement aufweist, welches mit dem zweiten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das Funktionsmodul ein viertes Steckverbinderelement aufweist, welches mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das erste, zweite, dritte, und vierte Steckverbinderelement Steckverbinderelemente einer galvanisch getrennt koppelnden Steckverbinderkupplung sind,wobei das Funktionsmodul einen Mikrocontroller zur Steuerung von mindestens einer Funktion des Funktionsmoduls umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein schnittstellenneutrales Funktionsmodul für ein modulares Messgerät und ein modulares Messgerät mit einem schnittstellenneutralen Funktionsmodul.
Modulare Messgeräte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Messgeräte mit einem Sensormodul und einem Messumformermodul, wobei das Sensormodul mit dem Messumformermodul über eine Schnittstelle gekoppelt ist. Ein Beispiel für ein modulares Messgerät ist beispielsweise ein pH-Messgerät, bei dem das Sensormodul eine pH-Elektrode, insbesondere in Form einer Einstabmesskette umfasst, wobei das Sensormodul an ein Messumformermodul angeschlossen ist, welches ein Signal des Sensormoduls aufbereitet und ein dem Messwert entsprechendes Signal an eine übergeordnete Einheit, beispielsweise ein Leitsystem, überträgt. Die Anmelderin fertigt und vertreibt modulare pH-Messgeräte, bei denen das Sensormodul über eine Schnittstelle in Form einer induktiv koppelnden Steckverbinderkupplung verbunden ist, wobei dem Messumformermodul ein primärseitiges Steckverbinderelement und dem Sensormodul ein sekundärseitiges Steckverbinderelement zugeordnet ist. Das Grundprinzip dieser Schnittstelle ist im Europäischen Patent EP 1 206 012 B1 beschrieben. Demnach erfolgen die Energieversorgung des Sensormoduls und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Messumformermodul über die induktive Steckverbinderkupplung.
Ein induktiv koppelndes Verbindungskabel ist in der Offenlegungsschrift DE 102 20 450 A1 offenbart. Das Verbindungskabel weist erstens ein sekundärseitiges Steckverbinderelement zum Anschluss an das primärseitige Steckverbinderelement des Messumformermoduls und zweitens ein primärseitiges Steckverbinderelement zum Anschluss an ein Sensormodul auf. Das Verbindungskabel ist schnittstellenneutral, denn das Sensormodul könnte auch ohne zwischengeschaltetes Verbindungskabel direkt an das Umformermodul angeschlossen werden.
Für Messstellen, an denen keine Energieversorgung aus einem Netz bzw. Leitsystem bereitgestellt werden kann oder soll, kann anstelle des Messumformermoduls ein Funkmodul oder ein Datenloggermodul mit einem primärseitigen Steckverbinderelement eingesetzt werden, welches das Sensormodul über die induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung mit Energie versorgt, und Daten mit dem Sensormodul austauscht. Zur Energieversorgung ist im Funkmodul bzw. Datenloggermodul beispielsweise eine Batterie vorgesehen. Diese Module sind in den Offenlegungsschriften DE 103 44 262 A1 sowie DE 10 2005 044 973 A1 beschrieben.
Im Betrieb eines modularen Messgerätes mit einem Messumformermodul und einem Sensormodul kann es zu Situationen kommen. Bei denen die Energieversorgung des Sensormoduls nicht gewährleistet ist, beispielsweise dann, wenn ein Sensormodul kurzfristig vom Umformermodul zu trennen ist, oder wenn die Energieversorgung des Messumformermoduls im Leitsystem ausfällt. Um hier zumindest eine Notversorgung zu gewährleisten kann das sekundärseitige Steckverbinderelement einen Energiespeicher aufweisen, wie in der Offenlegungsschrift DE 10 2006 062 184 A1 offenbart ist, oder das primärseitige Steckverbinderelement kann einen entsprechenden Energiespeicher aufweisen, wie in DE 10 2007 041 238 A1 beschrieben ist.
Die genannten Lösungen mögen jeweils für spezifische Anwendungsfälle Kontexte vorteilhaft sein, sie vergrößern jedoch die Komplexität der Steckverbinderelemente bzw. deren Variantenzahl.
Zudem ist eine Einstabmesskette in vielen Anwendungsfällen de facto Verbrauchsmaterial, welches nach dem Einsatz zu entsorgen ist. Dies spricht dagegen, eine Energieversorgungseinheit, die ggf. umweltbelastende Substanzen enthalten kann, zumindest in solche Sensormodule zu integrieren, welche eine Einstabmesskette umfassen.
Nun besteht aber gerade bei einigen elektrochemischen Sensoren bedarf nach einer Energieversorgung bereits vor der Aufnahme des Messbetriebs, um die Einschwingzeiten des Sensors zu verkürzen, wie in DE 10 2007 041 238 A1 beschrieben ist.
Die DE 103 22 276 A1 beschreibt einen Adapter für modulare Messumformer, welche ein Sensormodul und ein Umformermodul aufweisen. Derartige Sensormodule können beispielsweise Sensoren zur Messung der folgenden Größen umfassen: Druck, Temperatur, Füllstand, pH-Wert, Redoxpotential, Temperatur, Feuchte, Gaskonzentrationen, Sauerstoffgehalt, Trübung, Masse oder Dichte. Der Adapter umfasst eine sensorseitige Adapterschnittstelle mit einer sensorseitigen Adapterkupplung zum Anschluss an die Sensorkupplung und eine umformerseitige Schnittstelle mit einem umformerseitigen Adapterkupplungselement zum Anschluss an das Umformerkupplungselement, und eine Schaltungsanordnung zur Konvertierung der Signale vom Format der Umformerschnittstelle zum Format der Adapterschnittstelle und umgekehrt.
Die DE 10 2006 005 633 A1 beschreibt ein Steckverbindungssystem zur vorzugsweise kontaktlosen Übertragung von Daten- und Energieversorgungssignalen zwischen einer Sensoreinrichtung und einer Basiseinheit in einem Mess- und Übertragungssystem. Das Steckverbindungssystem umfasst eine Diagnose-Anzeigeeinheit in mindestens einem der Verbindungselemente, die definierte Zustandsparameter innerhalb des Mess- und Übertragungssystems visualisiert. Bei solchen Zustandsparametern kann es sich beispielsweise um den Spannungsversorgungszustand, das Datenübertragungsverhalten oder den Sensorzustand des Mess- und Übertragungssystems handeln.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Zusatzfunktionen für ein modulares Messgerät bzw. ein Sensormodul in einer solchen Weise bereitzustellen, dass die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden. Die Zusatzfunktion kann beispielsweise eine Energieversorgung eines Sensormoduls umfassen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Funktionsmodul gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das modulare Messgerät nach Anspruch 13.
Das erfindungsgemäße Funktionsmodul für ein modulares Messgerät, wobei das Messgerät eine übergeordnete Einheit, insbesondere ein Messumformermodul und ein Sensormodul umfasst, wobei die übergeordnete Einheit ein erstes Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung aufweist und das Sensormodul ein zweites Element einer Steckverbinderkupplung aufweist,
wobei das Sensormodul über das zweite Steckverbinderelement mit Energie zu versorgen ist,
wobei ein Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und einer mit diesem verbundenen übergeordneten Einheit über das zweite Steckverbinderelement erfolgt,
wobei das Funktionsmodul ein drittes Steckverbinderelement aufweist, welches mit dem zweiten Steckverbinderelement verbindbar ist,
wobei das Funktionsmodul ein viertes Steckverbinderelement aufweist, welches mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist,
wobei das erste, zweite, dritte und vierte Steckverbinderelement Komponenten einer galvanisch getrennt koppelnden Steckverbinderkupplung sind,
wobei das Funktionsmodul einen Mikrocontroller zur Steuerung von mindestens einer Funktion des Funktionsmoduls umfasst.
Die galvanisch getrennt koppelnde Steckverbinderkupplung kann nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung beispielsweise eine induktiv, kapazitiv, oder optisch koppelnde Steckverbinderkupplung sein. Für die Energieübertragung ist derzeit eine induktive Kopplung bevorzugt.
Eine induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung realisiert die Speisung eines Verbrauchers bzw. Sensormoduls mittels eines Energiesignals beispielsweise eines AC-Signals. Die Übertragung von Daten, also Messdaten bzw. Konfigurier- und Parametrierdaten, kann beispielsweise durch Modulation des Energiesignals erfolgen, wobei die Übertragung von Daten vom Energie empfangenden (sekundärseitigen) Steckverbinderelement zum Energie abgebenden (primärseitigen) Steckverbinderelement durch Lastmodulation des Energiesignals erfolgen kann. Zur Trennung von Daten und Energie sind entsprechende Demodulatoren bzw. Filter vorgesehen. Einzelheiten hierzu sind beispielsweise in dem Patent DE 197 19 730 C1 offenbart.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Funktion des Funktionsmoduls beispielsweise die Energieversorgung, des Sensormoduls betreffen.
Hierzu umfasst das Funktionsmodul einen Energiespeicher. Der Energiespeicher kann ein ladbarer Energiespeicher sein, er kann beispielsweise einen Kondensator umfassen, insbesondere oder einen so genannten Gold-Cap, oder einen Akkumulator. Das Laden des Energiespeichers kann beispielsweise während des Betriebs des Funktionsmoduls erfolgen. Das Funktionsmodul bzw. die Energieversorgungseinheit kann zum Laden des Energiespeichers eine geeignete Ladeschaltung umfassen.
Die Energieversorgungseinheit umfasst in einer Ausgestaltung Strombegrenzer bzw. Spannungsbegrenzer für die von dem Energiespeicher abgegebene elektrische Leistung, um die Eigensicherheit im Sinne der Zündschutzart Ex-i des Funktionsmoduls zu gewährleisten.
Der Energiespeicher kann beispielsweise so dimensioniert sein, dass der Betrieb des Funktionsmoduls und der Sensormoduls mindestens 10 Minuten, nach einem anderen Gesichtspunkt mindestens eine Stunde oder für weitere Anwendungsfälle mindestens 4 Stunden aufrechterhalten wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Zeitintervall vorgegeben oder vorgebbar sein, sein für das der Betrieb aufrechterhalten werden soll.
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung ermittelt der Mikrocontroller anhand des Zeitintervalls und ggf. des Ladezustands des Energiespeichers, den Umfang von Funktionen, die über das Zeitintervall aufrechterhalten werden können. Hierzu können die Funktionen der Komponenten des Sensormoduls und/oder des Funktionsmoduls nach Ihrer Bedeutung für den Betrieb des modularen Messgerätes priorisiert sein.
Eine der aufrechtzuerhaltenden Funktionen des Sensormoduls ist beispielsweise die Messwerterfassung, wobei die erfassten Messwerte zunächst gar nicht oder nur mit einer reduzierten Datenübertragungsrate übertragen beispielsweise mit einer Datenübertragungsrate, die nicht mehr als 50%, oder nicht mehr als 25%, insbesondere nicht mehr als 10% einer maximalen Datenübertragungsrate im normalen Messbetrieb beträgt. Der normale Messbetrieb kann in diesem Zusammenhang beispielsweise einen Messbetrieb bedeuten, bei dem das Messumformermodul eine ausreichende Energieversorgung für das Funktionsmodul und das Sensormodul bereitstellt.
Abgesehen von vorgegebenen Messraten bzw. Datenübertragungsraten kann der Mikrocontroller in Abhängigkeit der verfügbaren Energie und der Länge des vorgegebenen Zeitintervalls ermitteln, mit welcher Rate Messwerte ermittelt und gespeichert oder Daten übertragen werden können.
Erst nach Wiederherstellung der Energieversorgung durch das Messumformermodul wird die Übertragung der zwischengespeicherten Messwerte bzw. die Übertragung mit der vollen Datenübertragungsrate wieder aufgenommen.
Gleichermaßen können zunächst nur digitalisierte Rohdaten eines Sensorsignals, die ggf. zeitlich gemittelt sind, ohne weitere Aufbereitung zwischengespeichert werden, um den Energiebedarf zu begrenzen. Erst nach Wiederherstellung der Energieversorgung durch das Messumformermodul können die digitalisieren Rohdaten verarbeitet und anschließend übertragen werden.
Den Messwerten ist jeweils der Zeitpunkt der Messung zugeordnet, wobei der Zeitpunkt explizit gespeichert sein kann, oder sich aus der Position eines Messwerts in der Sequenz der gespeicherten Messwerte ergibt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Energiespeicher dazu dienen, essentielle Sensorfunktionen aufrechtzuerhalten, beispielsweise die Polarisationsspannung eines amperometrischen Sensors oder die Versorgung eines ISFET-Sensorelements.
Die Priorisierung der einzelnen Funktionen der Komponenten des Sensormoduls kann vorgegeben und ggf. vom Benutzer veränderlich sein.
Sofern die Unterbrechung des Energieversorgungssignals durch einen kontrollierten Eingriff in die Messstelle erfolgt, und die Dauer der Unterbrechung abschätzbar ist, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Wartungsmaßnahme an dem Messumformermodul, kann dem Funktionsmodul und/oder dem Sensormodul entweder explizit die geschätzte Zeitdauer für eine bevorstehende Unterbrechung signalisiert werden, oder es kann die Art der Maßnahme beispielsweise über einen Index mitgeteilt werden, woraus sich anhand von gespeicherten Daten, die zu erwartende Dauer der Unterbrechung ergibt.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein Zeitschema einstellbar ist, um Betriebszeit des Sensormoduls ohne Energieversorgung durch das Messumformermodul zu verlängern, wobei das Zeitschema die Energieversorgung des Funktionsmoduls und des Sensormoduls regelt. In Zeiten in denen nach dem Zeitschema keine Messwertaufnahme notwendig ist, wird die Energieversorgung des Sensormoduls reduziert bzw. abgeschaltet, um beispielsweise den Energiespeicher zu laden.
In einer Weiterbildung der Erfindung betreibt das Funktionsmodul mit Energiespeicher das Sensormodul ohne dass ein Messumformer angeschlossen oder in Betrieb ist und zeichnet nach einem vorher festgelegten Zeitschema Daten auf. Diese werden im Funktionsmodul gespeichert und können später zum Messumformer oder zu einer ähnlichen Datenübertragungseinrichtung übertragen werden.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann dies beispielsweise einen Betrieb des Sensormoduls während eines Autoklaviervorganges betreffen. Das Funktionsmodul mit geladener Energiespeichervorrichtung wird vor dem Autoklaviervorgang an das Sensormodul angeschlossen. Damit ist es möglich Daten während des Autoklaviervorganges aufzuzeichnen und somit den Ablauf zu überprüfen/nachzuweisen.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Funktionsmodul neben dem Energiespeicher weiterhin einen Datenspeicher zur Messdatenaufzeichnung. Das Funktionsmodul übernimmt damit eine Pufferfunktion für die Energieversorgung und für die Datenaufzeichnung. Beim Ausfall des übergeordneten Systems, also eines Messumformers oder eines Feldbussystems, wird das Sensormodul weiter mit Energie versorgt und es werden Messdaten aufgezeichnet, die zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden können.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann, die Funktion des Funktionsmoduls beispielsweise Verarbeitung und ggf. von Messdaten des Sensormoduls betreffen. Die Verarbeitung kann beispielsweise im Hinblick auf eine Zustandsüberwachung erfolgen. So können vom Funktionsmodul beispielsweise anhand der Messdaten Belastungsäquivalente bestimmt werden und im Funktionsmodul oder im Sensormodul gespeichert werden. Entsprechendes gilt für Kalibrierdaten. Die Prognose der Reststandzeit bzw. einer Kalibrierintervallzeit anhand von Historiendaten, also Belastungsdaten und/oder Kalibrierdaten, beispielsweise eines potentiometrischen Sensors ist an sich bekannt hier geht es nur darum, die Verteilung der Aufgaben der Auswertung zwischen Sensormodul und Funktionsmodul neu zu organisieren. Eine Speicherung im Sensormodul hat den Vorteil, dass die Daten auch nach einer Trennung von Sensormodul und Funktionsmodul mit dem Sensormodul assoziiert sind. Auf diese Weise kann der Rechenaufwand im Sensormodul vermieden werden, was eine entsprechend einfachere Ausstattung mit Rechenkapazität ermöglicht. Das Speichern von Historiendaten des Sensormoduls im Funktionsmodul In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, messstellenspezifischen Funktionsmodule bereitzustellen, welche der Messstelle entsprechende Auswertungsalgorithmen enthalten, insbesondere Auswertungsalgorithmen zur Zustandsüberwachung bzw. zur Ermittlung der Reststandzeit oder der Zeit bis zur nächsten Kalibrierung eines Sensormoduls.
Gleichermaßen kann das Funktionsmodul andere Überwachungsfunktionen steuern, beispielsweise eine Impedanzmessung, falls das Sensormodul einen Potentiometrischen Sensor umfasst. Ggf. kann das Zusatzmodul mit Hilfssensoren ausgestattet sein, beispielsweise einem Beschleunigungs- oder Vibrationssensor, um diese Belastungen des Sensormoduls erfassen und auswerten zu können. Andere geeignete Hilfssensoren sind beispielsweise Temperatursensoren, Feuchtesensoren, oder Drucksensoren, mit denen ggf. das Auftreten eines Lecks an einem Prozessanschluss eines Sensormoduls nachgewiesen werden kann.
Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung kann die Funktion des Funktionsmoduls, die Steuerung des Sensormoduls betreffen. In dem Maße, wie Steuer- und Auswertungsfunktionen für das Sensormodul von dem Funktionsmodul wahrgenommen werden, kann die Notwendigkeit eliminiert werden, diese Funktionen im Sensormodul bereitzuhalten. Damit kann eine Energieübertragung zu dem Sensormodul für diese Steuer und Auswertefunktionen zu dem Sensormodul teilweise entfallen. Zudem können die elektronischen Komponenten des Sensormoduls, welches in gewisser Hinsicht ein Verbrauchsartikel ist, auf die minimal erforderlichen Komponenten für die Erfüllung der Messaufgabe beschränkt werden.
Nach einem fünften Gesichtspunkt der Erfindung umfasst das Funktionsmodul eine Eingabeeinheit, über welche beispielsweise Eingaben an das Sensormodul gegeben werden können. Die Eingabeeinheit kann beispielsweise Magnetschalter umfassen. Weiterhin kann das Funktionsmodul eine Anzeigeeinheit aufweisen, welches insbesondere die Bedienung des Funktionsmoduls erleichtert.
Das Funktionsmodul weist beispielsweise ein zylindrisches Gehäuse auf, wobei, das dritte Steckverbinderelement an einer ersten Stirnseite des Gehäuses und das zweite Steckverbinderelement an einer zweiten Stirnseite des Gehäuses angeordnet sind.
Das Gehäuse kann beispielsweise hermetisch dicht gestaltet sein, d.h. es weist kein Öffnungen oder Durchbrüche auf.
Das erfindungsgemäße modulare Messgerät umfasst eine übergeordnete Einheit und ein Sensormodul, wobei die übergeordnete Einheit ein erstes Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung aufweist und das Sensormodul ein zweites Element einer Steckverbinderkupplung aufweist, wobei das Sensormodul über das zweite Steckverbinderelement mit Energie zu versorgen ist, wobei ein Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und einem mit der übergeordneten Einheit über das zweite Steckverbinderelement erfolgt, wobei das Messgerät weiterhin ein Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist welches zwischen dem Sensormodul und der übergeordneten Einheit angeordnet ist, wobei das dritte Steckverbinderelement mit dem zweiten Steckverbinderelement verbunden ist, und wobei das vierte Steckverbinderelement mit dem ersten Steckverbinderelement verbunden.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:

1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gehäuses eines erfindungsgemäßen Funktionsmoduls;
2: ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Funktionsmoduls;
3a: ein erstes Diagramm zu einem zeitlichen Verlauf der Strombilanz;
3b: ein zweites Diagramm zu einem zeitlichen Verlauf der Strombilanz; und
4: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Funktionsmoduls.

Das in 1 gezeigte Gehäuse 10 weist einen im wesentlichen zylindrischen Aufbau auf, wobei an einer ersten Stirnseite des Gehäuses 11 eine erste induktiv koppelnde Steckverbindung mit einer Primärspule 15 und an einer zweiten Stirnseite eine 12 eine zweite induktiv koppelnde Steckverbindung 12 mit einer Sekundärspule vorgesehen 16 ist. Im Innern des Gehäuses ist eine Kammer 18 vorgesehen, in denen eine weiter unten genauer erläuterte Schaltung 20 angeordnet ist. Der Energiespeicher 30 kann in der Kammer 18 angeordnet sein oder in einer separaten Kammer 19.
Das Gehäuse 10 ist dicht gestaltet, d.h., es weist keine Durchbrüche oder Öffnungen auf. Das Gehäuse kann einen Kunststoff aufweisen, beispielsweise PEEK.
Die in der Kammer 18 des Gehäuses angeordnete Schaltung 20 umfasst, wie in 2 dargestellt, eine erste Komponentengruppe mit einer Primärspule 15, einer Energieübertragungsschaltung 25, und einer zweiten Modulations-/Demodulationsschaltung 26. Diese erste Komponentengruppe betreibt die erste induktive Steckverbindung zu einem ggf. angeschlossenen Sensormodul hin, d.h. sie treibt die Primärspule 15 zur Aussendung eines Energiesignals und moduliert bzw. demoduliert Datensignale zum Datenaustausch zwischen Funktionsmodul und einem angeschlossenen Sensormodul.
Weiterhin umfasst die Schaltung 20 eine zweite Komponentengruppe mit einer Sekundärspule 16, einer Energieversorgungsschaltung 22, und einer ersten Modulations-/Demodulationsschaltung 24, diese zweite Komponentengruppe stellt die Energie für die Komponenten der Schaltung bereit und moduliert bzw. demoduliert Datensignale zum Datenaustausch zwischen dem Funktionsmodul und einer angeschlossenen übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Messumformermodul.
Weiterhin umfasst die Schaltung 20 einen Mikrocontroller (µC) 28, welcher dazu vorgesehen ist, den Datenfluss zu steuern und den Betriebszustand des Funktionsmoduls und ggf. angeschlossener Komponenten zu überwachen. Am Mikrocontroller 28 angebunden bzw. im Mikrocontroller enthalten, kann auch eine Echtzeituhr sein. Damit ist bei der Ablage/Speicherung der Daten auch eine Uhrzeit mit abzuspeichern/zuzuordnen.
Der Datenfluss zwischen einem Sensormodul und einem Messumformermodul kann mittels des Funktionsmoduls in den folgenden Moden realisiert werden:

A. „Transparentmodus“: Der µC 28 ist nicht an den Datenfluss gekoppelt.
B. „Mithörmodus“: Der µC 28 ist an den Datenfluss gekoppelt, kann diesen aber nicht beeinflussen, sondern nur den Datenfluss aufzeichnen/auswerten.
C. „Auffrischungsmodus“: Der µC 28 ist in den Datenfluss eingebunden, verändert die Daten aber inhaltlich nicht. Es kann nur eine zeitliche Verzögerung der Daten geben. Die Daten werden vom µC empfangen und ohne inhaltliche Veränderung weitergegeben. Dabei können Störungen herausgefiltert werden bzw. die Datensignale „aufgefrischt“ werden.
D. „Anonymer Beeinflussungsmodus“: Der µC 28 ist in den Datenfluss eingebunden und kann den Datenfluss verändern bzw. selbst Datenpakete/Anfragen/Antworten absetzen/empfangen. Das Funktionsmodul tritt in diesem Modus aber nicht selbst als identifizierbares Gerät am Bus auf.
E. „Sichtbarer Beeinflussungsmodus“: Der µC 28 ist in den Datenfluss eingebunden und kann den Datenfluss verändern bzw. selbst Datenpakete/Anfragen/Antworten absetzen/empfangen. Das Funktionsmodul ist dabei auch selbst adressierbar, kann direkt angesprochen werden und sich auch selbst identifizieren. Es ist ebenso möglich Informationen im Funktionsmodul zu hinterlegen.

Sofern der µC 28 in den Datenfluss eingebunden ist oder diesen „mithört“, so ist eine Anzeige der Daten an einem ggf. vorgesehenen, in 2 nicht dargestellten, Anzeigeelement möglich. Ist eine Datenbeeinflussung möglich, so können Daten weitergegeben, gespeichert, ausgelesen, ausgeblendet oder in anderer Weise verarbeitet werden.
Das Funktionsmodul kann zur Integration eines Energiespeichers eine Energiespeicherbaugruppe 30 umfassen, welche beispielsweise, wie ebenfalls in 2 dargestellt, einen Energieverteiler 32, eine Lade-/Entladeschaltung 34 und den Energiespeicher 36 aufweist.
Der Energieverteiler 32 regelt die Energieversorgung des Funktionsmoduls, sowie insbesondere die Energiezufuhr/-entnahme aus dem Energiespeicher. Es wird sichergestellt, dass das Funktionsmodul immer ausreichend Energie, insbesondere genau so viel Energie, zur Verfügung hat, wie für einen aktuellen Betriebsmodus einschließlich der Versorgung eines angeschlossenen Sensormoduls erforderlich ist. Überschüssige Energie wird dem Energiespeicher zugeführt.
Reicht die Energieversorgung auf Basis der über die Sekundärspule empfangen Energie aufgrund eines gestiegenen Energiebedarfs des Funktionsmoduls bzw. des daran angeschlossenen Sensormoduls oder einer geringeren empfangenen Leistung zeitweilig nicht aus, so wird diese Energie dem Energiespeicher entnommen. Außerdem kann der Energieverteiler vor einer Überlastung des übergeordneten Systems schützen. Die Lade-Entlade-Kontrollschaltung 34 regelt das elektrisch korrekte Laden oder Entladen des Energiespeichers 36. Der Energiespeicher 36 kann einen Akkumulator, eine Batterie oder einen Kondensator aufweisen.
Der Energieverteiler 32 stellt insbesondere sicher, dass an einem Versorgungsausgang des Energieverteilers 32 ein Ausgangsstrom I_OUT mit einer Ausgangsspannung (VCC_OUT=VCC_OUT__NOM) verfügbar ist. Dazu wird zunächst der Strom an einem Versorgungseingang I_IN des Energieverteilers 32 genutzt. Ist I_OUT < I_IN so wird die Differenz zum Laden des Energiespeichers mit eine Ladestrom I_ES genutzt, es sei denn, dass der Energiespeicher 36 voll geladen ist und nur Erhaltungsladung notwendig ist. Unter der letztgenannten Bedingung wird die Belastung des Einganges reduziert. Es gilt dann: I_ES=0, I_OUT=I_IN <= I_{IN_MAX}.
Zusätzlich kann sichergestellt werden, dass ein übergeordnetes System, beispielsweise ein Messumformer nicht überbelastet wird, also I_IN<=I_IN__MAX, wobei I_{IN_MAX} der ohne Überlastung des übergeordneten Systems maximal verfügbare maximal Eingangsstrom ist.
Sollten am Versorgungsausgang aufgrund gestiegenen Bedarfs Stromspitzen I_OUT > I_IN__MAX auftreten, so wird der überschießende Strombedarf durch eine zeitweilige Entladung des Energiespeichers 36 mit einem Entladestrom I_ES ausgeglichen. Der Ausgleich von Stromspitzen verhindert, dass diese an ein übergeordnetes System weitergegeben werden. Damit ist die Stabilisierung der Stromversorgung im übergeordneten System einfacher zu realisieren.
Der Energieverteiler 32 benötigt zur Sicherstellung seiner Funktion auch einen eigenen Versorgungsstrom I_VEV.
Für diesen gilt: I_VEV << I_{IN_MAX}.
Generell gilt die Beziehung: I_IN=I_OUT+I_ES+I_VEV
Die Lade- und Entladevorgänge können dynamisch wechseln.
Soll der Energiespeicher zur Funktionssicherung bei Ausfall des übergeordneten Systems dienen, so sollte im Normalbetrieb immer ein Energieüberschuss vorherrschen (I_OUT + I_VEV = I_MITTEL < I_{IN_MITTEL}; I_ES ≥ 0). Die Größe des Energiespeichers (Q_ES) muss so gewählt sein, dass die Ausfallzeit t_A überbrückt werden kann (Q_ES≈I_{IN_MAX}·t_A). Ein solcher Fall ist in 3a dargestellt Normalbetrieb. Die schraffierte Fläche stellt die Überschussenergie dar, welche zur Ladung/Erhaltung des Energiespeichers genutzt werden kann. Für den Zeitraum des Ausfalls des übergeordneten System gilt folgender Zusammenhang: I_IN = 0; I_ES<0; -I_ES = I_OUT + I_VEV.
Soll der Energiespeicher zum Ausgleich von Stromspitzen, welche das übergeordnete System nicht liefern kann, dienen, so gilt während der Stromspitzen I_OUT > I_{IN_MAX}.
Über einen betrachteten Zeitraum (ti) kann der Ausgangsstrom über den maximal zulässigen Eingangsstrom (I_{IN_MAX}) liegen. Allerdings wird in diesem Fall die Ladung des Energiespeichers stetig abnehmen.
Für einen dauerhaften Betrieb in diesem Modus, sollte die mittlere Stromaufnahme unter dem tatsächlich verfügbaren mittleren Eingangsstrom liegen.
4 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher umfasst das Funktionsmodul 110, neben einer ersten Steckverbinderkupplung 115 mit einer Primärspule und einer zweiten Steckverbinderkupplung 116 mit einer Sekundärspule eine Eingabeeinheit 130 und ggf. eine Anzeigeeinheit 140 umfasst. Die Eingabeeinheit 130 kann ein oder mehrere Bedienelemente 131 enthalten. Die Bedienelemente 131 können beispielsweise Magnetschalter, Reed-Kontakte, oder Hall-Elemente aufweisen, die beispielsweise mittels in Sacklöchern angeordneter Taster bedient werden. Auf Gehäusedurchbrüche im Gehäuse 110 kann dabei verzichtet werden. Ergänzend oder als Alternative dazu kann die Eingabeeinheit eine Infrarotschnittstelle, eine RFID-Schnittstelle, oder eine andere Funk-Schnittstelle, beispielsweise Bluetooth oder Zigbee, umfassen, wobei mit den genannten Schnittstellen nicht nur eine Dateneingabe sondern auch eine Datenausgabe erfolgen kann. Gleichermaßen kann das Funktionsmodul eine USB-Schnittstelle aufweisen, über welche ein Computer an das Funktionsmodul anschließbar ist, wobei die USB-Schnittstelle den Nachteil hat, dass das Gehäuse des Funktionsmoduls zur Durchführung der elektrischen Anschlüsse einen Durchbruch aufweist.
Weiterhin umfasst das Funktionsmodul eine Anzeigeeinheit 140, welche ein Klartext-Anzeigefeld umfassen kann, beispielsweise ein LCD-Display.
Anstelle eines Klartext-Anzeigefeldes oder ergänzend dazu können Leuchtdioden vorgesehen Sein, welche einen Status des Funktionsmoduls bzw. eines daran angeschlossenen Sensormoduls in Antwort auf einen Bedienvorgang anzeigen.

Claims

Funktionsmodul für ein modulares Messgerät, wobei das Messgerät eine übergeordnete Einheit, insbesondere ein Messumformermodul, und ein Sensormodul umfasst, wobei die übergeordnete Einheit ein erstes Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung aufweist und das Sensormodul ein zweites Element einer Steckverbinderkupplung aufweist, wobei das Sensormodul über das zweite Steckverbinderelement mit Energie zu versorgen ist, wobei ein Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und einer mit diesem verbundenen übergeordneten Einheit über das zweite Steckverbinderelement erfolgt, wobei das Funktionsmodul ein drittes Steckverbinderelement aufweist, welches mit dem zweiten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das Funktionsmodul ein viertes Steckverbinderelement aufweist, welches mit dem ersten Steckverbinderelement verbindbar ist, wobei das erste, zweite, dritte, und vierte Steckverbinderelement Steckverbinderelemente einer galvanisch getrennt koppelnden Steckverbinderkupplung sind, wobei das Funktionsmodul einen Mikrocontroller zur Steuerung von mindestens einer Funktion des Funktionsmoduls umfasst.
Funktionsmodul nach Anspruch 1, wobei die galvanisch getrennt koppelnde Steckverbinderkupplung eine induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung ist.
Funktionsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Funktion des Funktionsmoduls die Energieversorgung des Sensormoduls betrifft, wobei das Funktionsmodul einen ladbaren Energiespeicher aufweist.
Funktionsmodul nach Anspruch 3, wobei der Energiespeicher einen Kondensator oder einen Akkumulator umfasst.
Funktionsmodul nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Energieversorgungseinheit Strombegrenzer bzw. Spannungsbegrenzer für die von dem Energiespeicher abgegebene elektrische Leistung umfasst.
Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei ein Zeitintervall vorgegeben oder vorgebbar ist, für das der Betrieb mit einer ausschließlichen Energieversorgung aus dem Energiespeicher aufrechterhalten werden soll, und wobei der Mikrocontroller dazu vorgesehen ist, anhand des Zeitintervalls und ggf. des Ladezustands des Energiespeichers, den Umfang von Funktionen, die über das Zeitintervall aufrechterhalten werden können, zu ermitteln.
Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Funktionsmodul dazu vorgesehen ist, das Sensormodul zu veranlassen, im Falle einer ausschließlichen Energieversorgung aus dem Energiespeicher die Messdatenerfassung, -speicherung oder Übertragung mit gegenüber dem Normalbetrieb reduzierter Rate durchzuführen.
Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Funktionsmodul dazu vorgesehen ist, das Sensormodul zu veranlassen, im Falle einer ausschließlichen Energieversorgung aus dem Energiespeicher essentielle Sensorfunktionen aufrecht zu erhalten, beispielsweise die Polarisationsspannung eines amperometrischen Sensors oder die Versorgung eines ISFET-Sensorelements.
Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Funktionsmodul neben dem Energiespeicher weiterhin einen Datenspeicher zur Messdatenaufzeichnung aufweist.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktion des Funktionsmoduls die Verarbeitung von Messdaten des Sensormoduls betrifft, insbesondere im Hinblick auf eine Zustandsüberwachung des Sensormoduls.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Funktionsmodul eine Eingabeeinheit aufweist, über welche Befehle an das Funktionsmodul oder Sensormodul gegeben werden können.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Funktionsmodul eine Anzeigeeinheit aufweist.
Modulares Messgerät, welches eine übergeordnete Einheit und ein Sensormodul umfasst, wobei die übergeordnete Einheit ein erstes Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung aufweist und das Sensormodul ein zweites Element einer Steckverbinderkupplung aufweist, wobei das Sensormodul über das zweite Steckverbinderelement mit Energie zu versorgen ist, wobei ein Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und der übergeordneten Einheit über das zweite Steckverbinderelement erfolgt, wobei das Messgerät weiterhin ein Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, welches zwischen dem Sensormodul und der übergeordneten Einheit angeordnet ist, wobei das dritte Steckverbinderelement mit dem zweiten Steckverbinderelement verbunden ist, und wobei das vierte Steckverbinderelement mit dem ersten Steckverbinderelement verbunden ist.