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Die Erfindung betrifft monolithische Mikrosysteme für einen lösbaren Filtereinsatz in einer Filtereinrichtung zur überwachten Reinigung von Medien.
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Durch die Druckschrift
DE 20 2007 013 324 U1 (Sensoranordnung an einem Filter mit autarker Energieversorgung) ist eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drucks des gefilterten Mediums bekannt. Dazu befindet sich diese fest installiert im Abluftkanal in Strömungsrichtung des Mediums nach dem Filterelement. Die Energieversorgung und die Übermittlung der Messdaten erfolgen drahtlos. Eine eindeutige Zuordnung der Messdaten und eine Identifikation des Filterelements ist nicht gegeben.
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Die Druckschrift
DE 101 60 429 B4 (Filter mit einem elektronischen Speicherelement) beinhaltet einen Filter mit einem elektronischen Speicherelement, wobei ein Konstruktionselement für Filtermaterial der Träger für das Speicherelement ist. Das Speicherelement ist vorzugsweise ein Transponder. Das Speicherelement beinhaltet dabei Daten des Herstellers, die unveränderlich eingeschrieben sind.
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Eine ähnliche Lösung ist durch die Druckschrift
DE 10 2006 029 105 A1 (Filterpatrone) bekannt, wobei eine Filterpatrone ein Kommunikationselement besitzt, mittels dem eine patronenspezifische Information für ein entsprechendes Kommunikationselement außerhalb des Innenraums eines Tanks zugänglich ist.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2005 016 393 A1 (Luftfiltersystem) ist ein Luftfiltersystem bekannt, wobei mindestens ein Adsorberelement ein Identifikationsmittel aufweist. Eine Identifikationsvorrichtung kann über Kontakte oder drahtlos mit dem Identifikationsmittel verbunden werden. Dabei wird das Vorhandensein des Adsorberelements nachgewiesen.
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Eine Ermittlung und ein Austausch von Messdaten ist bei diesen Lösungen nicht vorgesehen.
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Durch die Druckschrift
US 2005/0 060 974 A1 ist eine Abpumpeinrichtung für Operationsräume mit einem integrierten Vakuum-Motor und Filter bekannt. Für das Filter kommen Filtereinsätze zum Einsatz, so dass Partikel größer und kleiner 3 μm aus der Raumluft entfernbar sind. Dazu besteht das Filter aus mehreren Schichten. Das Filter besitzt eine Einrichtung zur Bestimmung der Nutzungsdauer mit einem RFID-Chip, einem EPROM oder einen Mikrocontroller. Als weitere Einrichtung kann eine Druckmesseinrichtung mit einer Membran zum Einsatz kommen. Die einzelnen Bestandteile sind nur einzeln benannt. Ein Gesamtsystem in Verbindung mit dem Filter ist aus dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2006 001 836 A1 ist ein Halbleiterdrucksensor bekannt, der dazu gedacht ist, durch Verringern der Anzahl an Anschlüssen und der Anzahl an Anschlussfeldern eine Reduzierung bezüglich Größe und Kosten zu erzielen. Der Halbleiterdrucksensor besteht aus einem Halbleitersensorchip und einem Halbleiterabstimmchip. Diese Chips befinden sich in einem schachtelförmigen Gehäuse. Die Energieversorgung und die Datenübertragung erfolgen über nach außen geführte Anschlüsse.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktion von Filtereinsätzen bei Filtereinrichtungen einfach zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Mikrosysteme für einen lösbaren Filtereinsatz in einer Filtereinrichtung zur überwachten Reinigung von Medien zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Funktion der Filtereinsätze einfach überwachbar ist.
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Dazu besteht das monolithische Mikrosystem aus
- – einer Membran zur Druckmessung,
- – einer Messbrücke auf der Membran,
- – einem mit der Messbrücke über einen Verstärker und einen Analog-/Digital-Wandler verbundenen Mikrocontroller,
- – einem mit dem Mikrocontroller zusammengeschalteten elektrisch lösch- und programmierbaren Datenspeicher wenigstens für den Filtereinsatz spezifizierende Daten,
- – einem mit dem Mikrocontroller zusammengeschalteten Demodulator und
- – einem mit dem Mikrocontroller zusammengeschalteten Modulator.
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Dabei sind
- – der Verstärker, der Analog-/Digital-Wandler, der Datenspeicher und der Mikrocontroller Bestandteile eines wenigstens die Druckmessdaten auswertendenden Datenverarbeitungssystems sowie das Datenverarbeitungssystem, der Demodulator und der Modulator Bestandteile eines integrierten Schaltkreises und
- – die Membran mit der Messbrücke und der integrierte Schaltkreis nebeneinander angeordnet.
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Darüber hinaus ist
- – zur Datenübertragung der integrierte Schaltkreis mit einer Antenne mit einem Lese-/Sendegerät der Filtereinrichtung verbunden, wobei die Antenne eine externe Antenne oder ein Bestandteil des integrierten Schaltkreises und damit des monolithischen Mikrosystems ist, und
- – das monolithische Mikrosystem mit der Antenne ein Bestandteil des Filtereinsatzes.
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Mit der Realisierung eines Transponders erfolgt die Energieversorgung über das Lese-/Sendegerät. Dazu besitzt der Transponder eine resonante Struktur in Form einer Antenne. Damit ist der Transponder ein Bestandteil eines RFID-Systems, wobei RFID bekannterweise für Radio Frequency Identification – Identifizierung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen steht. Ein derartiges RFID-System besteht damit im Wesentlichen aus dem Transponder und dem Lese-/Sendegerät. Im Wesentlichen besitzt der Transponder eine analoge Struktur zur Stromversorgung, eine digitale Schaltungsstruktur und die Antenne. Die Antenne kann aus mehreren Komponenten bestehen. Das sind beispielsweise eine resonante und eine impedanzanpassende Struktur.
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Die Druckmessung wird vorteilhafterweise in den Filtereinsatz integriert, so dass Schlauchverbindungen vom Messraum zum Mikrosystem nicht notwendig sind. Die Überwachung erfolgt darüber hinaus drahtlos, so dass keine Verbindungen des Filtereinsatzes nach außen notwendig sind. Der Filtereinsatz kann damit problemlos gewechselt werden, ohne dass Schlauch- und/oder Kabelverbindungen gelöst und wieder zusammengefügt werden müssen. Der Aufwand reduziert sich auf ein Minimum und ist nur auf die vorhandenen konstruktiven Ausgestaltungen beschränkt. Der Wartungsaufwand sinkt.
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Das Mikrosystem ist als in sich hermetisch abgeschlossene Baugruppe realisierbar, so dass diese bei den unterschiedlichsten zu filternden Medien einsetzbar ist. Die Medien können dazu entweder gasförmig oder flüssig sein.
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Die Funktion des Filtereinsatzes wird über eine Druckmessung überwacht.
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Das Mikrosystem ist vorteilhafterweise für den Einsatz in verschiedenst ausgebildeten Filtereinsätzen geeignet. Das können auch Körper aus einem Filtermaterial selbst sein. Bei Filtereinsätzen mit Filtermaterialien in Verbindung mit Konstruktionselementen befindet sich die Baugruppe günstigerweise am oder in Verbindung mit dem Filtermaterial. Bei Letzterem ist das Mikrosystem vorteilhafterweise in das Filtermaterial integriert, so dass dieses ein Bestandteil des Filtereinsatzes selbst ist. Das Filtermaterial kann damit die verschiedensten Geometrien aufweisen und wird durch die Anordnung des Mikrosystems nicht beschränkt. Ausgestaltungen sind dabei beispielsweise Platten oder Rohrstücke.
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Mit dem Mikrocontroller ist ein elektrisch lösch- und programmierbarer Datenspeicher zusammengeschaltet, der als weiterer Bestandteil des Datenverarbeitungssystems ein Datenspeicher wenigstens für den Filtereinsatz spezifizierende Daten ist. Derartige Daten sind beispielsweise Identifikationsdaten beispielsweise in Form eines Codes für den Filtereinsatz. Dadurch ist eine eindeutige Identifizierung des Filtereinsatzes gegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist der Modulator mit einer Kapazität, einem Gleichrichter und einer Stabilisierungsbaugruppe zur Bereitstellung einer Betriebsspannung aus dem elektromagnetischen Wechselfeld des Lese-/Sendegeräts verbunden. Weiterhin sind wenigstens der Gleichrichter und die Stabilisierungsbaugruppe Bestandteile des integrierten Schaltkreises.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ist ein Temperatursensor über einen weiteren Verstärker und dem Analog-/Digital-Wandler mit dem Mikrocontroller verbunden. Der Verstärker ist ein weiterer Bestandteil des Datenverarbeitungssystems und ist vorteilhafterweise ein Teil des monolithisch integrierten Mikrosystems. Neben den vorhandenen Drücken kann die Temperatur des Mediums und/oder des Mikrosystems in die Überwachung mit einbezogen werden.
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Die Membran ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 eine Membran zur Differenzdruckmessung, wobei das zu reinigende und das gereinigte Medium an der Membran mit der Messbrücke als ein Differenzdrucksensor anliegen. Die Funktion des Filtereinsatzes wird dabei vorteilhafterweise über die Messung der Druckdifferenz überwacht. Damit wird eine kostengünstige und vom Verschmutzungsgrad abhängige Lösung für den Wechsel des Filtereinsatzes zur Verfügung gestellt. Der Wechsel kann den tatsächlich notwendigen Reinigungserfordernissen angepasst werden.
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Das Mikrosystem und die mit dem Mikrosystem verbundene Antenne des Transponders sind günstigerweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 in einem Gehäuse als System-in-Package (SiP) integriert. Die Bestandteile sind damit vorteilhafterweise in einem Gehäuse vereint. Dabei lässt sich in einem SiP auch die vertikale Integration von Komponenten realisieren (3D, 2,5D SiP). Die elektrischen Verbindungen werden wahlweise im Substrat des Packageträgermaterials als Die-Distribution-Layer oder über Bonddrähte ausgeführt.
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Der lösbare Filtereinsatz ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 in der Filtereinrichtung so angeordnet, dass das Mikrosystem des Filtereinsatzes und das Lese-/Sendegerät der Filtereinrichtung korrespondierend zueinander angeordnet sind. Damit ist ein minimaler Abstand realisiert, so dass eine optimale Energieübertragung mittels des elektromagnetischen Wechselfeldes des Lese-/Sendegeräts sichergestellt ist.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ist eine Filtereinrichtung mit einem Filtereinsatz einzeln ein Bestandteil oder in Verbindung mit weiteren Filtereinrichtungen mit Filtereinsatzen Bestandteile eines Filters. Das Lese-/Sendegerät der Filtereinrichtung oder die Lese-/Sendegeräte der Filtereinrichtungen ist oder sind weiterhin mit einer Steuereinrichtung verbunden. Damit wird die Arbeitsweise des jeweiligen Filters überwacht. Das kann vorrichtungsgebunden oder gleichzeitig erfolgen. Übertragungsfehler können damit weitestgehend vermieden werden. Gleichzeitig wird bei realisierten Transpondern eine sichere Stromversorgung der Baugruppe zur Filterüberwachung gewährleistet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 einen Filtereinsatz mit einem Transponder,
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2 eine Vorrichtung mit einem Lese-/Sendegerät und einer Steuereinrichtung,
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3 ein Mikrosystem in einer Schnittdarstellung,
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4 ein Blockschaltbild des integrierten Schaltkreises,
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5 ein Blockschaltbild eines Eingangsteils mit einer Bereitstellung der Betriebs spannungen und Bestandteilen der Datenübertragung und
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6 ein Blockschaltbild zur Signalaufbereitung der Messbrücke zur Druck messung.
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Ein monolithisches Mikrosystem als Transponder 1 oder als Bestandteil eines Transponders 1 für einen lösbaren Filtereinsatz 2 in einer Filtereinrichtung 4 zur überwachten Reinigung von Medien 3 über ein mit einer Steuereinrichtung 5 verbundenem Lese-/Sendegeräts 6jeweils mit Antennen 7, 8 besteht im Wesentlichen aus einer Membran 9 mit einer Messbrücke 10 als Drucksensor 11 und einem integrierten Schaltkreis 12.
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Die 1 und 2 zeigen einen Filtereinsatz 2 mit einem Transponder 1 und eine Vorrichtung mit einem Lese-/Sendegerät 6 und einer Steuereinrichtung 5 in prinzipiellen Darstellungen.
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Der Filtereinsatz 2 ist dabei beispielsweise ein Patronenfilter. Der Transponder 1 ist ein Bestandteil des Filtereinsatzes 2 und dabei so angeordnet, dass mittels des Drucksensors 11 in Form eines Differenzdrucksensors der Druck sowohl des zu reinigenden Mediums 3 als auch des gereinigten Mediums 3, beispielsweise in Form eines Gases wie Luft, gemessen wird. Der Aufbau und die Funktion derartiger Differenzdrucksensoren mit einer Membran 9 sind bekannt. Prinzipiell bestehen diese dabei aus zwei Kammern, die durch die Membran 9 voneinander getrennt sind. In die Kammern wird zum Einen zu reinigendes Medium 3 und zum Anderen gereinigtes Medium 3 geleitet, so dass diese Medien 3 an der Membran 9 direkt oder indirekt anliegen. Die Biegung der Membran 9 ist dann ein Maß für den Differenzdruck der Medien 3 in den Kammern. Die Biegung wird bekannterweise mit elektrischen Widerständen erfasst, die ihren elektrischen Widerstand entsprechend der geometrischen Verformung ändern. Diese sind die Bestandteile der Messbrücke 10 zur Bestimmung des Widerstandswertes.
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Die 3 zeigt ein Mikrosystem in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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Der Drucksensor 11 ist über einen Verstärker 13 und einem Analog-/Digital-Wandler 14 mit einem Mikrocontroller 15 verbunden. Der Verstärker 13, der Analog-/Digital-Wandler 14 und der Mikrocontroller 15 sind Bestandteile eines Datenverarbeitungssystems.
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Die 4 zeigt dazu ein Blockschaltbild des integrierten Schaltkreises in einer prinzipiellen Darstellung.
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Weiterhin ist der Mikrocontroller 15 mit einem Eingangsteil 16 als Teil des Datenverarbeitungssystems zusammengeschaltet.
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Die 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Eingangsteils mit einer Bereitstellung der Betriebsspannungen und Bestandteilen der Datenübertragung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Nach der Frequenzanpassung mittels einer Kapazität C wird das Signal in einer Gleichrichterschaltung 17 gleichgerichtet und nachfolgend in einer Stabilisatorbaugruppe 18 stabilisiert. Damit ist die Betriebsspannung VDD und GND vorhanden. Ein Modulator 19 und ein Demodulator 20 dienen der Datenübertragung zum Lese-/Sendegerät 6 sowie dem Datenempfang vom Lese-/Sendegerät 6. Ein Frequenzteiler 21 teilt die 13,56 MHz auf verschiedene Frequenzen, welche für die Datenübertragung mittels Amplitudenmodulation mit Hilfsfrequenzen benötigt werden. Weiterhin wird daraus der Systemtakt für den Mikrocontroller 15 bereitgestellt.
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Das Datenverarbeitungssystem beinhaltet weiterhin einen Datenspeicher 22, der mit dem Mikrocontroller 15 zusammengeschaltet ist. Das ist beispielsweise ein bekannter EEPROM wenigstens mit spezifischen Daten (Code) des Filtereinsatzes 2.
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Weiterhin ist ein Temperatursensor 23 für das Medium 3 ein Bestandteil des integrierten Schaltkreises 12. Dieser ist über einen weiteren Verstärker 24 mit dem Analog-/Digital-Wandler 14 als Bestandteile des Datenverarbeitungssystems verbunden.
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Die Membran 9 ist mit der Messbrücke 10 versehen. Die Messbrücke ist als bekannte Wheatstone-Brücke ausgeführt. Die Widerstände dieser Brücke befinden sich auf der Membran 9. Zur Energieversorgung ist die Messbrücke 10 mit dem Eingangsteil 16 verbunden. Das Sensorsignal wird mit dem Verstärker 13 zur Weiterverarbeitung verstärkt. Das analoge Signal des Verstärkers 13 wird mit dem Analog-/Digital-Wandler 14 in ein digitales Signal gewandelt, welches dann im Mikrocontroller 15 ausgewertet und mit einer Fehlerkorrektur bewertet wird.
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Die 6 zeigt ein Blockschaltbild zur Signalaufbereitung der Messbrücke 10 zur Druckmessung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Damit können sowohl die spezifischen Daten als auch Messdaten des Differenzdruckes des Mediums 3 über das Lese-/Sendegerät 6 empfangen werden.
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Das monolithisch integrierte Mikrosystem besteht dazu in einer
- – ersten Variante aus dem Drucksensor 11 und dem integrierten Schaltkreis 12 oder
- – zweiten Variante aus dem Drucksensor 11, dem integrierten Schaltkreis 12 und der Antenne 7.
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Bei der ersten Variante ist der integrierte Schaltkreis 12 mit der extern angeordneten und mit dem integrierten Schaltkreis 12 verbundenen Antenne 7 der Transponder 1. Die Antenne ist dazu beispielsweise auf einem Bauelementeträger aufgebracht. Bei der zweiten Variante ist der Transponder 1 gleichzeitig der integrierte Schaltkreis 12.
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Über die Antenne 7 des Transponders 1 und die Antenne 8 des Lese-/Sendegeräts 6 erfolgt die Datenübertragung und die Energieversorgung des integrierten Schaltkreises 12 und des Drucksensors 11.
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Für die Arbeitsweise der Filtereinrichtung 4 zur überwachten Reinigung von Medien 3 mit wenigstens einem lösbaren Filtereinsatz 2 in Verbindung mit einer Vorrichtung für den Filtereinsatz 2 sind der Transponder 1 und das Lese-/Sendegerät 6 korrespondierend zueinander angeordnet, so dass ein sicherer Empfang der Daten des integrierten Schaltkreises 12 gewährleistet ist. Gleichzeitig ist bei kurzem Abstand eine sichere Stromversorgung des integrierten Schaltkreises 12 und des Drucksensors 11 sichergestellt.
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Zur Auswertung dieser Daten und zur Steuerung des Lese-/Sendegeräts 6 sind diese mit der Steuereinrichtung 5 zusammengeschaltet.
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Ein Filter besteht in einer Ausführungsform aus mehreren Vorrichtungen für jeweils einen Filtereinsatz 2, wobei jede der Vorrichtungen ein Lese-/Sendegerät 6 besitzt. Die Lese-/Sendegeräte 6 sind mit der Steuereinrichtung 5 verbunden.
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Der Transponder 1 besitzt in einer weiteren Ausführungsform wenigstens ein galvanisches Element, wobei wenigstens der integrierte Schaltkreis 12 und das galvanische Element in einem elektrischen Stromkreis zusammengeschaltet sind.
