DE102009034937A1

DE102009034937A1 - Elektronisches Modul, insbesondere digitaler Messfühler

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Publication number: DE102009034937A1
Application number: DE102009034937A
Authority: DE
Original assignee: AHLBORN MESS und REGELUNGSTECHNIK GmbH; AHLBORN MESS- und REGELUNGSTECHNIK GmbH
Current assignee: AHLBORN MESS und REGELUNGSTECHNIK GmbH; AHLBORN MESS- und REGELUNGSTECHNIK GmbH
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: DE102009034937B4; DE202009018890U1

Abstract

Das elektronische Modul ist mit einem Datenträger und einem Mikrocontroller versehen, wobei der Datenträger eine Beschreibung der spezifischen Funktionen und Kenndaten des Moduls enthält, die es einem nachfolgenden Auswertegerät erlauben, das Modul der jeweiligen Anwendung entsprechend zu konfigurieren und zu bedienen; der Mikrocontroller verarbeitet die Funktionen mit den modifizierten Betriebsparametern und liefert über eine digitale Schnittstelle die gewünschten Signale ab. Das Modul ist insbesondere ein Messfühler mit einem digitalen Sensor oder ein Messfühler mit einem analogen Sensor und einem AD-Wandler, wobei der Mikrocontroller die Signale des Messfühlers mit den modifizierten Betriebsparametern des Messfühlers verarbeitet und über die digitale Schnittstelle ein endgültiges Messsignal abliefert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Modul zum Aufnehmen und Auswerten von Messgrößen, wie Temperatur, Druck, Feuchte, etc.. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen digitalen Messfühler.
Solche Module, zum Beispiel in Form eines Messfühlers, können mit einem Datenträger kombiniert sein, in dem spezifische Kenndaten des Moduls gespeichert sind, sodass die Auswertung der von dem Modul gelieferten Parameter oder Signale erleichtert wird.
Es sind analoge und digitale Messfühler bekannt, deren Eigenschaften durch ein EEPROM im Stecker des Messfühlers beschrieben werden und auch programmierbar sind (Patent DE 4114921 C2 ). Die Verarbeitung der Parameter muss aber immer in der Firmware des Auswertegerätes vorgesehen sein. Dies betrifft etwa die Einstellung der Messschaltung, die Messwertkorrektur bzw. Skalierung, die Linearisierung der Kennlinien usw..
Es sind auch digitale Messfühler bekannt, die mit Microcontroller-Modulen verschiedene Schnittstellen bereitstellen und deren Signale nur von einem PC ausgewertet werden können. Die Funktionsweise ist aber immer auf einen spezifischen Messfühler bzw. Sensor zugeschnitten, und mit der gleichen Software können nicht in Zukunft neue Sensoren betrieben werden.
Weiterhin sind Messmodule bekannt, die eine Ethernet-Schnittstelle aufweisen und sich über einen Browser konfigurieren und abfragen lassen. Diese Module sind jedoch auf Grund ihrer Größe, der Ethernet-Schnittstelle und des Stromverbrauches nicht als Fühler an einem Messgerät, sondern nur „stand alone” an einem Rechner zu verwenden.
Bei Universalauswertegeräten mit ständig neuen Fühlern reicht es nicht aus, nur die Standardparameter wie Abgleich, Messwertkorrektur oder Skalierung bis zu Stützpunkten oder Koeffizienten einer individuellen Kennlinie aus dem oben genannten EEPROM des Steckers auszulesen. Neue Fühler benötigen zur bedarfsgerechten Verarbeitung neue fühlerspezifische Funktionen mit neuen, dem Auswertegerät unbekannten Parametern, wie z. B. individuelle Temperatur- und Luftdruckkompensation, bei IR-Sensoren die Berücksichtigung des Emissionsfaktors, bei Materialfeuchte die Eingabe der Materialkonstanten oder die Wahl von Betriebsmodi usw.. Bisher muss in all diesen Fällen die Firmware der Auswertegeräte angepasst werden. So ergeben sich viele unterschiedliche und inkompatible Ausführungen, sodass viele Kombinationen aus Fühler und Auswertegerät zum Ärger des Kunden und des Services nicht mehr funktionieren.
Ähnlich ist die Situation bei den Ausgabeinterfaces. Ständig werden neue Schnittstellen, Protokolle oder Bussysteme auf den Markt gebracht. Auch die Anforderungen an Analogausgaben und Relaissteuerungen ändern sich, d. h. auch hier sind Konfigurationen nötig, die bisher immer Firmwareänderungen des Auswertegerätes erfordert haben und durch eine intelligente Abfrage der neuen Parameter gelöst werden könnte.
Die genannten Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Wesentlich ist somit eine „intelligente” Kombination des elektronischen Moduls mit einem Datenträger und einem Microcontroller, wobei der Datenträger eine Beschreibung der spezifischen Funktionen und Kenndaten des Moduls enthält, die es einem nachfolgenden Auswertegerät erlauben, das Modul, der jeweiligen Anwendung entsprechend, zu konfigurieren und zu bedienen. Der Microcontroller verarbeitet die Funktionen mit den modifizierten Betriebsparametern und gibt über eine Schnittstelle die für das Auswertegerät gewünschten Signale ab. Die Firmware des Auswertegerätes muss somit nicht an die Eigenschaften des Moduls angepasst zu werden.
Bei einem Modul in Form eines digitalen Messfühlers bedeutet dieses: In dem Datenträger ist eine Beschreibung der spezifischen Funktionen und Kenndaten des Messfühlers enthalten. Das Auswertegerät kann dann den Messfühler, der jeweiligen Anwendung entsprechend, konfigurieren. Der Microcontroller verarbeitet die Signale mit den modifizierten Betriebsparametern des Messfühlers und liefert über eine digitale Schnittstelle ein endgültiges Messsignal ab Modifikationen der Firmware des Auswertegerätes ist nicht notwendig. Bei dieser Konfiguration können auch Messfühler benutzt werden, die es zur Zeit nicht gibt und die erst in der Entwicklung sind. Dieses ist u. a. ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Figur beschrieben, die ein Blockschaltbild eines elektronischen Moduls mit einem Messfühler zeigt.
Es wurden digitale Messfühler mit einem Microcontroller uC1 entwickelt, die entweder bereits rein digitale Sensoren verwenden oder einen entsprechenden AD-Wandler ADC aufweisen. Die Elektronik kann entweder im Fühlerstecker oder im Fühler selbst untergebracht werden. Jeder Fühler stellt also ein völlig autarkes Messsystem mit seinen individuellen Eigenschaften dar, das über die digitale Schnittstelle immer einen endgültigen Messwert abliefert und das Auswertegerät von der Verarbeitung völlig entlastet. Durch die Firmware des Fühlers im Speicher FLASH1 können beliebige neue Messwertverarbeitungsfunktionen realisiert werden, ohne die Firmware des Auswertegerätes im Speicher FLASH2 zu ändern. Wenn es aber nötig ist, bestimmte Betriebsparameter der neuen Funktionen zu konfigurieren, können diese vom Microcontroller uC1 auf Anforderung über eine Funktionsbeschreibung in einem definierten neutralen ASCII-Protokoll, die im EEPROM gespeichert ist, an den Microcontroller uC2 des Auswertegerätes übertragen werden, um dort in definierten Grenzen oder Varianten programmiert zu werden. So lassen sich spezifische Eigenschaften des Sensors ändern, obwohl das Auswertegerät sie gar nicht kennt. Der Anwender sieht jedoch die Parameter im Klartext auf einem Display, die Eingabe basiert auf nur wenigen normierten Datenformaten, sodass auch zukünftige, heute noch unbekannte Größen mit dem gleichen Auswertegerät bestimmungsgemäß verarbeitet werden können. Dabei ist es möglich, einen solchen Fühler mit dem gleichen Verfahren auch ohne Auswertegerät direkt am PC zu betreiben, d. h. zu konfigurieren und die Messwerte abzuholen.
Das Protokoll besteht also zeilenweise meist aus einem Beschreibungstext und einer Eingabe. Bei der Eingabe werden Zahlen, Zeiten, Texte, Logische Zustände und Auswahlboxen etc. angeboten, jeweils in einem definierten Format mit definierten Ober- und Untergrenzen. Außerdem ist die Beschriftung und Bedienung der Softkeys, bzw. entsprechender Schaltflächen im PC vorgesehen, die eine konkrete Funktion (z. B. Abgleich) im Fühler auslösen können.
Bei Ausgangsmodulen, wie Schnittstellenkabel, Funkmodulen, Analogausgängen oder Relais-Trigger-Adaptern u. ä. kann der Microcontroller uC3 zunächst die Messwerte in das gewünschte neue Protokoll wandeln oder in ein neues Analogausgabeformat skalieren. Auch die Überwachung von Grenzwerten, das entsprechende Setzen von Relais oder das Ansteuern von bestimmten Funktionen des Auswertegerätes kann der Microcontroller uC3 völlig autark durchführen, wenn die erforderlichen Parameter im Auswertegerät dargestellt und programmiert werden. Funkmodule benötigen z. B. die Eingabe der Partneradressen und liefern dann den Verbindungszustand, Power und Qualität. Alle diese Funktionen und Konfigurationen sollen ausschließlich durch die im angeschlossenen Modul im EEPROM gespeicherte Beschreibung mit einheitlichem neutralen Protokoll erfolgen ohne einen zusätzlichen Treiber, wie er bei PC's üblich ist.
Beispiel zur Messung der Temperatur von Kältemitteln auf Grund des Druckes in Kältemaschinen:

In der Kältetechnik werden aus Umweltschutz- und Wettbewerbsgründen ständig neue Kältemittel auf den Markt gebracht, die sogar je nach Firma verschiedene Kennlinien zwischen Druck und Temperatur aufweisen. Auch der physikalische Zustand spielt eine große Rolle. Zur genauen Erfassung des Druckes sind zusätzlich die Koeffizienten der Temperaturkompensation erforderlich. Je nach Anwendung sind generell ganz unterschiedliche Kältemittel im Einsatz. Es ist also sehr von Vorteil, wenn alle nötigen Parameter in einem leicht änderbaren EEPROM gespeichert werden. Abfrage der Fühlermenükonfiguration:

?K	Abfrage der Konfiguration
!M(0)	Ausgabe Messwert M0
!$Temperaturkoeffizient:;_?a[N5.4]	Eingabe a Numerisch 5 Stellen, 4 Dez. stellen
!$Kältemittel:;_?b[A$R134;$R227;$R507;$R677]	Auswahl b (R134, R227, R507, R677)
!$von Firma:;_?c[A$Merck;$Solkane;$Linde]	Auswahl c (Merck, Solkane, Linde)
!$Zustand:;_?d[A$Naßdampf;$überhitzt;$unterkühlt]	Auswahl d (Naßdampf, überhitzt, unterkühlt)
!M(1)	Ausgabe Messwert M1

1.0 Druck:	2.345 bar	Standardmesskanal mit Bezeichnung
Temperaturkoeffizient:	1.2345	Temperaturkompensation des Drucksensors
Kältemittel:	R507	Immer neue Kältemittel
von Firma:	Solkane	Kennlinien je nach Firma unterschiedlich
Zustand:	Naßdampf	verschiedene Einsatzgebiete
1.1 Temperatur:	45.67°C	Standardmesskanal mit Bezeichnung

Rückgabe der Variablen:

a = 1.2345
b = 3
c = 2
d = 1

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

- DE 4114921 C2 [0003]

Claims

Elektronisches Modul, das mit einem Datenträger und einem Microcontroller kombiniert ist, wobei der Datenträger eine Beschreibung der spezifischen Funktionen und Kenndaten des Moduls enthält, die es einem nachfolgenden Auswertegerät erlauben, das Modul der jeweiligen Anwendung entsprechend zu konfigurieren und zu bedienen und der Microcontroller die Funktionen mit den modifizierten Betriebsparametern verarbeitet und über eine digitale Schnittstelle die gewünschten Signale abliefert.
Elektronisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul ein Messfühler mit einem digitalen Sensor oder ein Messfühler mit einem analogen Sensor und einem AD-Wandler ist, wobei der Microcontroller die Signale des Messfühlers mit den modifizierten Betriebsparametern des Messfühlers verarbeitet und über die digitale Schnittstelle ein endgültiges Messsignal abliefert.
Elektronisches Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler mit einer Firmware ausgestattet ist, die die individuellen Messwertverarbeitungsfunktionen des Sensors realisiert.
Elektronisches Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler mit einem Datenträger ausgerüstet ist, der die spezifischen Funktionen und Kenndaten des Messfühlers mit einem neutralen Protokoll so beschreibt, dass ein unspezifisches Auswertegerät die Betriebsparameter des Messfühlers anwendungsgerecht konfigurieren kann.
Elektronisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul eine Datenübertragungseinrichtung mit spezifischer Datenverarbeitung für die Messignale eines Messfühlers nach Anspruch 2 ist.
Elektronisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul eine Steuereinrichtung mit spezifischer Funktion ist, die die Messignale des Messfühlers nach Anspruch 2 auswertet.
Elektronisches Modul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mit einem Datenträger ausgerüstet ist, der die spezifischen Funktionen und Kenndaten des Moduls mit einem neutralen Protokoll so beschreibt, dass ein unspezifisches Auswertegerät die Funktionen und Betriebsparameter des Moduls anwendungsgerecht konfigurieren kann.
Elektronisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Schnittstelle drahtgebunden oder drahtlos ausgeführt sein kann.
Elektronisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul auch direkt durch einen PC als Auswertegerät bedient werden kann.