DE102009034937B4

DE102009034937B4 - Elektronisches Modul, insbesondere digitaler Messfühler

Info

Publication number: DE102009034937B4
Application number: DE102009034937.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Koschke
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: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: DE202009018890U1; DE102009034937A1

Abstract

Messfühler, der mit einem Datenträger und einem Microcontroller (uC1) kombiniert ist, wobei der Datenträger eine Beschreibung der spezifischen Funktionen des Messfühlers enthält, wobei der Microcontroller (uC1) ausgebildet ist, um auf Anforderung eine Funktionsbeschreibung in einem definierten Protokoll mit einer Fühlermenükonfiguration an ein nachfolgendes Auswertegerät zu übertragen, um dort basierend auf wenigen normierten Datenformaten in definierten Grenzen oder Varianten programmiert zu werden, so dass Betriebsparameter der spezifischen Funktionen des Messfühlers mittels des Auswertegeräts unter Nutzung der Fühlermenükonfiguration der jeweiligen Anwendung entsprechend konfiguriert werden können, ohne die Firmware des Auswertegerätes zu ändern, so dass die Firmware des Auswertegerätes nicht an die Eigenschaften des Moduls angepasst werden muss, und wobei der Microcontroller (uC1) dazu ausgebildet ist, um die Funktionen mit den modifizierten Betriebsparametern zu verarbeiten und über eine digitale Schnittstelle die gewünschten Signale an das Auswertegerät abzuliefern.

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.
Methoden zur Übermittlung von Firmware von einem Rechner zu einem Sensor oder einem Auswertegerät werden in der DE 20 2008 015 405 U1 und in der DE 20 2008 015 406 U1 beschrieben. Dabei wird jeweils ein transportabler Datenträger verwendet, über den diese Übermittlung der Konfigurationsdaten erfolgt.
Eine Alternative wird in der DE 20 2008 014 764 U1 beschrieben. Dort wird vorgeschlagen, ein Sensorelement mithilfe eines externen Rechners zu programmieren, der lediglich zur Programmierung des Sensors herangezogen wird, nicht aber als Auswertegerät dient. Der Sensor muss hierzu eine Einrichtung aufweisen, die feststellt, ob sich der Sensor in der Betriebsverbindung mit dem Anschlussgerät, d.h. einem Auswertegerät, befindet oder mit einem externen Rechner verbunden ist, über den eine Programmierung erfolgen kann.
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 sind 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:

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

Claims

Messfühler, der mit einem Datenträger und einem Microcontroller (uC1) kombiniert ist, wobei der Datenträger eine Beschreibung der spezifischen Funktionen des Messfühlers enthält, wobei der Microcontroller (uC1) ausgebildet ist, um auf Anforderung eine Funktionsbeschreibung in einem definierten Protokoll mit einer Fühlermenükonfiguration an ein nachfolgendes Auswertegerät zu übertragen, um dort basierend auf wenigen normierten Datenformaten in definierten Grenzen oder Varianten programmiert zu werden, so dass Betriebsparameter der spezifischen Funktionen des Messfühlers mittels des Auswertegeräts unter Nutzung der Fühlermenükonfiguration der jeweiligen Anwendung entsprechend konfiguriert werden können, ohne die Firmware des Auswertegerätes zu ändern, so dass die Firmware des Auswertegerätes nicht an die Eigenschaften des Moduls angepasst werden muss, und wobei der Microcontroller (uC1) dazu ausgebildet ist, um die Funktionen mit den modifizierten Betriebsparametern zu verarbeiten und über eine digitale Schnittstelle die gewünschten Signale an das Auswertegerät abzuliefern.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsbeschreibung an einen Microcontroller (uC2) des Auswertegeräts übertragen wird.
Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das definierte Protokoll ein neutrales Protokoll, vorzugsweise ASCII-Protokoll, ist.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsbeschreibung des Messfühlers in dem definierten Protokoll in einem EEPROM des Moduls gespeichert ist.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler einen digitalen Sensor aufweist oder einen analogen Sensor und einen AD-Wandler aufweist, wobei der Microcontroller (uC1) des Messfühlers die Signale des Messfühlers mit den modifizierten Betriebsparametern des Messfühlers verarbeitet und über eine digitale Schnittstelle ein endgültiges Messsignal an das Auswertegerät abliefert.
Messfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler mit einer Firmware ausgestattet ist, die die individuellen Messwertverarbeitungsfunktionen des Sensors realisiert.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Steuereinrichtung mit spezifischer Funktion, die die Signale des Messfühlers auswertet.
Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Schnittstelle drahtgebunden oder drahtlos ausgeführt sein kann.