DE102008043336A1 - Modulares Messgerät mit verteilten Daten und Algorithmen - Google Patents
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Abstract
Ein Sensormodul umfasst ein Sensorelement mit einem Wandler zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen elektrischen analogen Primärsignals; und eine Schaltungsbaugruppe zur Aufbereitung des Primärsignals und zur unidirektionalen Datenkommunikation eines von dem Primärsignal abhängigen Digitalsignals an eine übergeordnete Einheit; wobei die Schaltungsbaugruppe die folgenden Komponenten aufweist: einen Signaleingang zum Empfangen des messgrößenabhängigen Primärsignals; ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement zum Anschluss an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement der übergeordneten Einheit zum Empfangen eines Energiesignals und zum Übertragen eines Messsignals; eine Energieversorgungsschaltung, welche das Energiesignal gleichrichtet und mindestens eitungsschaltung zum Aufbereiten des Primärsignals zu einem Sekundärsignal, einen Analog-Digital-Wandler, zum Wandeln des Sekundärsignals in ein digitales Messsignal, einen Modulator zum Modellieren des empfangenen Energiesignals mittels Lastmodulation zum Übertragen des Messsignals an eine übergeordnete Einheit, und einen Mikrokontroller, zum Steuern der Komponenten der Schaltungsgruppe.
Description
- Modulare Messgeräte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Messgeräte mit einem Sensormodul und mindestens einem übergeordneten Modul, beispielsweise einem Messumformermodul, wobei das Sensormodul mit dem übergeordneten Modul 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 mit dem übergeordneten Modul verbunden ist, wobei dem Messumformermodul ein primärseitiges Steckverbinderelement und dem Sensormodul ein sekundärseitiges Steckverbinderelement zugeordnet ist. Das Grundprinzip dieser Schnittstelle ist im
Europäischen Patent 1 206 012 B1 beschrieben. Demnach erfolgen die Energieversorgung des Sensormoduls und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Messumformermodul über die induktive Steckverbinderkupplung. 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 gewöhnlich entsprechende Demodulatoren vorgesehen. Einzelheiten hierzu sind beispielsweise in dem PatentDE 197 19 730 C1 offenbart. Induktiv koppelnde Sensormodule nach dem Stand der Technik weisen die folgende Schaltungsteile auf: Spannungsversorgung, inklusive Sekundärspule, Modulator, Demodulator, Mikrokontroller, Externe Speicherelemente (z. B. EEPROM), Analoge Verstärker, Analog-Digital-Wandler - All diese oben genannten Schaltungsteile werden dafür verwendet, den Messwert zu ermitteln, zu verrechnen und auf Anfrage über die induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung an ein übergeordnetes Modul zu übertragen. Weiterhin werden Abgleichwerte, Kalibrier-werte, Betriebsstunden usw. im Mikrokontroller oder im externen Speicherelement gespei-chert. Ein Sensormodul speichert so im Laufe seines Lebens eine relativ große Datenmenge ab. Diese Daten können dann je nach Bedarf vom übergeordneten Modul, sei es ein Messumformer oder eine Schnittstelle zu einem Prozessleitsystem abgerufen werden.
- Es ist jedoch zu bedenken, dass zur Kommunikation der genannten Daten zwischen Messumformer und Sensormodul ein Kommunikationsprotokoll benötigt wird. Dieses muss vom Sensor komplett in einem Protokollstapel umge-setzt werden. Dies benötigt Speicherplatz und eine entsprechende Hardware im Mikrokontroller. Des Weiteren ist ein Demodulator notwendig, der die Anfragen des Messumformers demoduliert und dem Mikrokontroller zugänglich macht.
- Zur Verwaltung und Durchführung der genannten Aufgaben des Sensormoduls ist ein Mikrokontroller notwendig der die Messwertaufnahme, die Kommunikation und die Datenspeicherung realisiert. Dieser benötigt eine ausreichende Anzahl an I/O-Pins, eine leistungs-starke CPU und eine große Menge an Programmspeicher (Flash) und Arbeitsspeicher RAM.
- Die externen oder internen Speicherelemente eines solchen Sensormoduls werden so dimen-sioniert, wie die längste zu erwartende Einsatzdauer des Sensormoduls es erforderlich macht. Werden die Senso-rmodule an Messstellen mit einer hohen Belastung des Sensormoduls eingesetzt, beispielsweise durch aggressive Medien, dann sinkt die Lebensdauer be-trächtlich und das Sensormodul hat mehr Speicher zur Verfügung als er jemals verwenden wird. Somit wird dann vorgehaltene Speicherkapazität mit dem Sensormodul entsorgt.
- Selbstverständlich wird auch der Mikrokontroller mit dem Sensormodul entsorgt.
- All dies führt zu unnötig hohen Kosten, beim Kauf und bei der Entsorgung von kurzlebigen Sensormodulen, z. B. von pH-Sensoren mit einer pH-Glas-Elektrode.
- Korrekturen von Fehlern oder Anpassungen in der Software eines Sensormoduls sind entweder nicht möglich oder erfordern eine aufwendige Neuprogrammierung jedes einzelnen Sensormoduls.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein modulares Messgerät bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Sensormodul gemäß Patentanspruch 1, das modulare Messgerät gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 und das Verfahren zum bestimmen einer Messgröße gemäß Anspruch 11.
- Das erfindungsgemäße Sensormodul umfasst:
ein Sensorelement mit einem Wandler zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen analogen Primärsignals; und
eine Schaltungsbaugruppe zur Aufbereitung des Primärsignals und zur unidirektionalen Datenkommuniation eines von dem Primärsignal abhängigen Digitalsignals an eine an das Sensormodul angeschlossene übergeordnete Einheit,
wobei die Schaltungsbaugruppe die folgenden Komponenten aufweist:
einen Signaleingang zum Empfangen des messgrößenabhängigen Primärsignals;
ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement mit einer Sekundärspule zum Anschluss an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement der übergeordneten Einheit zum Empfangen eines induktiv übertragenen Energiesignals von dem primärseitigen induktiv koppelnden Steckverbinderelement und zum Übertragen eines Messignals an das primärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement;
eine Energieversorgungsschaltung, welche das empfangene Energiesignal gleichrichtet und mindestens eine Gleichspannung zum Versorgen der Schaltungsbaugruppe und ggf. des Sensorelements bereitstellt;
eine analoge Signalaufbereitungsschaltung zum Aufbereiten des empfangenen Primärsignals zu einem analogen Sekundärsignal einen Analog-Digital-Wandler, zum Wandeln des analogen Sekundärsignals in ein digitales Messsignal,
einen Modulator zum Modulieren des empfangenen Energiesignals mittels Lastmodulation zum Übertragen des digitalen Messsignals an eine übergeordnete Einheit, und
einen Mikrokontroller, zum Steuern der Komponenten der Schaltungsbaugruppe. - Mit den o. g. Schaltungsteilen ist das Sensormodul in der Lage, einen Messwert zu ermitteln und die gewonnenen Messdaten an einen übergeordneten Messumformer zu senden.
- Hierbei wird insbesondere auf einen Demodulator und externe Speicherelemente, d. h. Speicherelemente außerhalb des Mikrokontrollers verzichtet. Das Sensormodul ist somit nicht in der Lage, Informationen vom Messumformer entgegen zu nehmen, es kann nur Daten senden.
- Alle wichtigen Daten, die das Sensormodul betreffen, werden zentral oder dezentral in einer übergeordneten Einheit bzw. in einem Netzwerk gespeichert, an welches das Sensormodul angeschlossen ist. Um die dazugehörigen Daten eindeutig zuzuordnen, weist das Sensormodul eine eindeutige Identifizierungsnummer IDN.
- Beispielsweise werden bei jeder Messdatenübertragung die IDN, das digitale Messsignal und ggf. eine Prüfsumme bzw. Statusinformationen vom Sensormodul in Form eines Kommunikationstelegramms übertragen.
- Die Statusinformationen dienen beispielsweise zur Fehlererkennung bzw. zur Fehlersignalisierung.
- Das erfindungsgemäße modulare Messgerät umfasst ein erfindungsgemäßes Sensormodul und eine übergeordnete Einheit, an die dass Sensormodul angeschlossen ist, wobei die übergeordnete Einheit dazu vorgesehen ist, ein digitales Messsignal von dem Sensormodul zu empfangen, und anhand des Messsignals unter Berücksichtigung von dem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten einen Messwert zu berechnen, wobei die Kalibrierdaten ausschließlich außerhalb des Sensormoduls bereitgestellt sind.
- In einer Weiterbildung des Messgerätes, umfasst die übergeordnete Einheit einen Messumformer, welcher über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank kommuniziert, um die dem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten abzurufen.
- In einer Weiterbildung des Messgerätes, umfasst die übergeordnete Einheit ein Leitsystem, welches über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank kommuniziert, um die dem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten abzurufen.
- Das Sensormodul kann das digitale Messsignal beispielsweise mit einer solchen Datenrate übertragen, wie es die Messwertaufnahme erlaubt. Ein von der übergeordneten Einheit vorgegebenes Zeitregime ist somit nicht erforderlich.
- In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine verschlüsselte Übertragung des Kommunikationstelegramms vorgesehen.
- Das erfindungsgemäße Sensormodul bzw. das Messgerät weisen im Ergebnis beispielsweise die folgenden Vorteile auf:
Kurzlebige Sensormodule, z. B. Sensormodule mit pH-Glas-Elektroden, können billiger gefertigt werden, weil weniger elektronische Bauelemente verwendet werden. - Der verwendete Mikrokontroller kann sehr viel kleiner dimensioniert werden, weil dieser nur noch ein sehr einfaches Kommunikationsprotokoll verwalten muss.
- Es treten geringe bzw. keine Anforderungen hinsichtlich Datenspeicherung im Sensormodul auf.
- Alle Sensordaten stehen außerhalb des Sensormoduls in der übergeordneten Einheit oder in einem mit der übergeordneten Einheit verbundenen Netzwerk zur Verfügung. Damit stehen jederzeit Daten von den Sensormodulen zur Verfügung, die gerade in einer Prozessanlage verwendet werden. Auch können die Sensormodule im Labor kalibriert werden, wobei die einem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten nach der Kalibrierung im Netzwerk bereitgestellt werden.
- Solange ein Sensormodul Daten sendet, können diese Daten nach einer Weiterbildung der Erfindung in einer Datenbank gesichert werden.
- Nach dem Entsorgen der verbrauchten oder defekten Sensoren können alle Daten archiviert werden und stehen somit für nachträgliche Untersuchungen zur Verfügung.
- Langlebigen Sensoren steht im Netzwerk quasi unbegrenzter Speicherplatz zur Verfügung. Generell steht für jeden Sensor so viel Speicher zur Verfügung, wie dieser auch tatsächlich benötigt.
- Die Entwicklung der Sensoren wird schneller erfolgen können, weil weniger Tests, speziell Kommunikationstests, durchgeführt werden müssen.
- Die Berechnungsalgorithmen können noch während der Sensorlebenszeit angepasst bzw. optimiert werden. So gelangen sofort die Daten aller zur Zeit einer Aktualisierung verwendeten Sensoren (auch die Daten älterer Sensoren) in den Genuss optimierter Algorithmen.
- In einer Weiterbildung der Erfindung können Teile der Analogschaltung und/oder des Mikrokontrollers in FPGAs oder ASICs o. ä. zusammengefasst werden. Dies reduziert weiter die Kosten und den Platzbedarf.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Messgröße kann den folgenden Ablauf aufweisen:
- i. Das Sensormodul wird an ein primärseitiges induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung angeschlossen und der Mikrokontroller wird initialisiert.
- ii. Unmittelbar nach dem Initialisieren des Mikrokontrollers beginnt die Messwertaufnahme begonnen.
- iii. Sobald die ersten Messdaten ermittelt wurden, werden diese mittels eines einfachen Kommunikationstelegramms, welches ein digitales Messsignal, die IDN und ggf. eine Prüfsumme und/oder Statusinformationen enthält, mittels des Modulators über das primärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement an eine übergeordnete Einheit gesendet.
- iv. Die übergeordnete Einheit erkennt anhand der IDN das Sensormodul und übernimmt das digitale Messsignal des Sensors.
- v. Anhand von für dieses Sensormodul hinterlegten Abgleich- und Kalibrierwerten kann nun mithilfe von Berechnungsalgorithmen der eigentliche Messwert berechnet und ggf. ausgegeben werden.
- Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
- Es zeigt:
-
1 : Eine schematische Darstellung eines modularen Messgerätes in einem Netzwerk. - Das Netzwerk
5 in1 kann beispielsweise ein Feldbus- oder ein Ethernet-Netzwerk umfassen. An das Netzwerk angeschlossen ist ein Sensormodul11 , welches eine Schaltungsbaugruppe21 und ein Sensorelement31 aufweist. Das Sensorelement31 umfasst insbesondere eine pH-Glaselektrode in Form einer Einstabmesskette. - Die Schaltungsbaugruppe
21 umfasst ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement211 mit einer Sekundärspule zum Empfangen eines AC-Energiesignals und einer Energieversorgungseinheit zum Wandeln des AC-Energiesignals in mindestens eine Gleichspannung zum Speisen der Komponenten des Sensormoduls11 . - Die Schaltungsbaugruppe
21 umfasst weiterhin eine Analogschaltung212 zum Konditionieren des pH-abhängigen Potentials der Einstabmesskette, welches als Primärsignal der Analogschaltung212 zugeführt wird. Weiterhin weist die Schaltungsbaugruppe21 einen Analog/Digital-Wandler213 auf, welcher das konditionierte analoge Sekundärsignal digitalisiert und einem Mikrokontroller214 zuführt. Das digitalisierte Messsignal wird zusammen mit einer Identifikationsnummer IDN des Sensormoduls sowie einer Prüfsumme und einer Statusinformation in Form eines Kommunikationstelegramms durch einen Modulator215 mittels Lastmodulation des AC-Energiesignals an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement41 , übertragen. - Das primärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement
41 speist das Sensormodul21 mit dem AC-Energiesignal und ist an das Netzwerk angeschlossen, wobei das sekundärseitige Steckverbinderelement41 eine Verarbeitungseinheit mit einem Demodulator aufweist, um das empfangene Kommunikationstelegramm in das Protokoll des Netzwerks umzusetzen und auszugeben. - Zum Ermitteln des tatsächlichen Messwerts werden anhand der IDN des Sensormoduls die erforderlichen Kalibrierwerte für Nullpunkt und Steilheit der Einstabmesskette
31 aus dem zugeordneten Kalibrierdatensatz61 einer Sensordatenbank6 von dem Prozessleitsystem7 über das Netzwerk5 abgerufen. Das Prozessleitsystem ermittelt anhand des Kalibrierdatensatzes und des digitalen Messsignals den aktuellen Wert der Messgröße. Die Verlaufsdaten der fortlaufend ermittelten Messwerte können an geeigneter Stelle im Netzwerk abgelegt werden, beispielsweise in der Sensordatenbank6 . - Neben dem detailliert beschriebenen Sensormodul
11 können weitere Sensormodule12 ,13 ,14 über induktiv koppelnde primärseitige Steckverbinderelemente42 ,43 ,44 an das Netzwerk angeschlossen sein. - In der Sensordatenbank liegen die Kalibrierdaten sämtlicher Sensormodule bereit, die in dem Netzwerk in Betrieb sind. Selbstverständlich können auch Kalibrierdaten von Sensoren in der Datenbank bereitgestellt werden, deren Inbetriebnahme bevorsteht.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1206012 B1 [0001]
- - DE 19719730 C1 [0001]
Claims (12)
- Sensormodul, umfassend: ein Sensorelement mit einem Wandler zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen elektrischen analogen Primärsignals; und eine Schaltungsbaugruppe zur Aufbereitung des Primärsignals und zur unidirektionalen Datenkommuniation eines von dem Primärsignal abhängigen Digitalsignals an eine übergeordnete Einheit, wenn das Sensormodul im Messbetrieb an die übergeordnete Einheit angeschlossen ist; wobei die Schaltungsbaugruppe die folgenden Komponenten aufweist: einen Signaleingang zum Empfangen des messgrößenabhängigen Primärsignals; ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement mit einer Sekundärspule zum Anschluss an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement der übergeordneten Einheit zum Empfangen eines induktiv übertragenen Energiesignals von dem primärseitigen induktiv koppelnden Steckverbinderelement und zum Übertragen eines Messignals an das primärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement; eine Energieversorgungsschaltung, welche das empfangene Energiesignal gleichrichtet und mindestens eine Gleichspannung zum Versorgen der Schaltungsbaugruppe und ggf. des Sensorelements bereitstellt; eine analoge Signalaufbereitungsschaltung zum Aufbereiten des empfangenen Primärsignals zu einem analogen Sekundärsignal einen Analog-Digital-Wandler, zum Wandeln des analogen Sekundärsignals in ein digitales Messsignal, einen Modulator zum Modulieren des empfangenen Energiesignals mittels Lastmodulation zum Übertragen des digitalen Messsignals an eine übergeordnete Einheit, und einen Mikrokontroller, zum Steuern der Komponenten der Schaltungsbaugruppe.
- Sensormodul nach Anspruch 1, wobei das Sensormodul eine eindeutige Identifizierungsnummer IDN aufweist, und wobei das Sensormodul dazu vorgesehen ist, bei einer Messdatenübertragung ein Kommunikationstelegramm, welches die IDN und das digitale Messsignal enthält, zu einer übergeordneten Einheit zu übertragen, wenn das Sensormodul an diese angeschlossen ist.
- Sensormodul nach Anspruch 2, wobei das Kommunikations-telegramm weiterhin eine Prüfsumme und/oder Statusinformationen enthält.
- Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltungsbaugruppe ein FPGA oder ASIC aufweist, in welchem Teile der Analogschaltung und/oder des Mikrokontrollers zusammengefasst sind.
- Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensorelement einen potentiometrischen Sensor, insbesondere eine pH-Glas-Elektrode oder einen ionenselektiven Sensor zur bestimmung eines Redox-Potentials umfasst.
- Modulares Messgerät, umfassend ein Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und eine übergeordnete Einheit, an die das Sensormodul angeschlossen ist, wobei die übergeordnete Einheit dazu vorgesehen ist, ein digitales Messsignal von dem Sensormodul zu empfangen, und anhand des Messsignals unter Berücksichtigung von dem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten einen Messwert zu berechnen, wobei die Kalibrierdaten und/oder Abgleichdaten ausschließlich außerhalb des Sensormoduls bereitgestellt sind.
- Messgerät nach Anspruch 6, wobei die übergeordnete Einheit einen Messumformer umfasst, welcher dazu vorgesehen ist, über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank zu kommunizieren, um die dem Sensormodul anhand der IDN zugeordneten Kalibrierdaten und/oder Abgleichdaten abzurufen.
- Messgerät nach Anspruch 6, wobei die übergeordnete Einheit ein Leitsystem umfasst, welches dazu vorgesehen ist, über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank zu kommunizieren, um die dem Sensormodul anhand der IDN zugeordneten Kalibrierdaten und/oder Abgleichdaten abzurufen.
- Messgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Sensor-modul dazu vorgesehen ist, das digitale Messsignal mit einer solchen Datenrate zu übertragen, wie es die Schaltungsbaugruppe ermöglicht, wobei die Datenrate nicht von der übergeordneten Einheit vorgegeben wird.
- Messgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Sensormodul dazu geeignet ist, eine verschlüsselte Übertragung des Digitalsignals bzw. des Kommunikationstelegramms durchzuführen.
- Verfahren zum Bestimmen einer Messgröße, insbesondere mit einem Messgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, umfassend die folgenden Schritte: i. Anschließen eines Sensormoduls an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement und initialisieren des Sensormoduls; ii. Beginn der Messwertaufnahme unmittelbar nach dem Initialisieren des Sensormoduls; iii. Senden der ermittelten Messdaten mittels eines Kommunikationstelegramms an eine übergeordnete Einheit, wobei das Kommunikationstelegramm ein digitales Messsignal und die IDN enthält; iv. Erkennen des Sensormoduls anhand der IDN durch die übergeordnete Einheit; Berechnen des Messwerts aus dem Messsignal mithilfe von Berechnungsalgorithmen anhand der für dieses Sensormodul hinterlegten Abgleich- und Kalibrierwerte.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Kommunikationstelegram weiterhin eine Prüfsumme und/oder Statusinformationen, beispielsweise zur Fehlererkennung, enthält.
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