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Die Erfindung betrifft die Überwachung eines strömenden Mediums in einem Kanalsystem mit Hilfe von Sonden, insbesondere RFID-Sonden, wobei speziell die magnetische Navigation der Sonden im Medium betrachtet wird.
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Bei bestimmten industriellen Anlagen, die mit flüssigen Medien arbeiten, welche durch ein Kanal- bzw. Rohrleitungssystem strömen, wie bspw. bei Bioreaktoren, Kläranlagen, Fermentationsanlagen etc., müssen zur Prozessüberwachung an verschiedenen Stellen des Kanalsystems unterschiedliche Messungen im Medium erfolgen. Dabei sollten auch Messungen an Stellen im Prozess vorgenommen werden, an denen Messungen mit konventionellen Sensoren gar nicht oder aber nur mit sehr großem Aufwand möglich sind. Je nach Bedarf werden mit entsprechenden Sensoren verschiedene Parameter des Mediums ermittelt, wie bspw. Temperatur, Druck, pH-Wert, Sauerstoffgehalt, CO2-Gehalt etc. sowie ggf. die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung. Die Messwerte werden über eine Kabel- oder Funkverbindung an eine zentrale Stelle übertragen und schließlich in Abhängigkeit vom Ort der jeweiligen Messung ausgewertet.
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Bei derartigen Kanalsystemen handelt es sich überwiegend um geschlossene und/oder schwer zugängliche Systeme. Es gestaltet sich daher als sehr aufwändig oder ggf. sogar unmöglich, die Sensoren von außen an den interessierenden Positionen in das zu untersuchende Medium einzubringen. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, schon bei der Installation des Kanalsystems Sensoren an bekannten, voraussichtlich prozessrelevanten Positionen fest einzubauen, um die interessierenden Parameter an den relevanten Punkten messtechnisch erfassen zu können. Bei einer starken räumlichen Verteilung des Kanalsystems ist dies jedoch ebenfalls mit großem Aufwand verbunden. Auch ist eine nachträgliche Installation zusätzlicher Sensoren sehr aufwändig. Darüber hinaus ist der Wartungs- und Reparaturaufwand aufgrund der schweren Erreichbarkeit der Sensoren unverhältnismäßig hoch.
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Eine Möglichkeit zur Lösung dieser Probleme wird in der
DE 10 2011 003 438 beschrieben. Dort wird die Verwendung von RFID-Sonden vorgeschlagen, die im Medium oder an der Oberfläche des Mediums schwimmen. Die Sonden weisen einen oder mehrere Sensoren, mit denen die interessierenden Messwerte aufnehmbar sind, sowie einen RFID-Sender auf, mit dem die aufgenommenen Messwerte an ein Lesegerät übertragen werden, wenn die RFID-Sonde das Lesegerät passiert. Hierzu sind an bestimmten Stellen entlang des Kanalsystems Lesegeräte angeordnet. Die an das jeweilige Lesegerät übertragenen Messwerte können schließlich zur abschließenden Auswertung an eine zentrale Stelle übertragen werden.
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Die
DE 10 2011 003 777 beschäftigt sich aufbauend auf der
DE 10 2011 003 438 mit der Problematik der Energieversorgung bzw. des Aufladens der RFID-Sonden und beschreibt u. a. eine Ladestation, in die die Sonden zum Zweck des Wiederaufladens entsprechender Energiespeicher positionierbar sind. Typischerweise wird ein induktives Ladeverfahren eingesetzt, dessen Effizienz jedoch von der relativen Lage der Sonde zur Ladestation abhängt.
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Grundsätzlich ergibt sich daraus, dass die RFID-Sonden frei in dem flüssigen Medium schwimmen, das Problem, dass sie evtl. auf vergleichsweise entfernten Wegen an den Lesegeräten vorbeischwimmen und ggf. nicht gelesen werden können. Weiterhin besteht hinsichtlich der Energieversorgung insbesondere bei großen bzw. weit verzweigten Rohrsystemen das Problem, dass die Energievorräte der Sonde ggf. erschöpft sein können, bevor die Sonde aus dem Rohrsystem entfernt und wieder aufgeladen werden kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, die es erlaubt, eine RFID-Sonde im strömenden Medium gezielt an zumindest einen bestimmten Ort zu bringen.
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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In der vorliegenden Erfindung wird von Sonden, insbesondere RFID-Sonden, ausgegangen, wie sie in der
DE 10 2011 003 438 beschrieben werden. Diesbezüglich wird die Offenbarung der
DE 10 2011 003 438 in diese Beschreibung aufgenommen.
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Weiterhin wird speziell in Ausführungsformen, die sich auf das Aufladen der Sonden beziehen, die
DE 10 2011 003 777 als Grundlage vorausgesetzt.
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Erfindungsgemäß wird eine aktive Steuerung vorgeschlagen, mit deren Hilfe eine RFID-Sonde gezielt in eine Position navigiert werden kann, in der sie – je nach Anwendungsfall – ausgelesen und/oder aufgeladen werden kann. So kann sichergestellt werden, dass die Sonde geladen werden kann, ohne dass sie aus dem Kanalsystem entfernt werden muss, oder dass sie nach einer bestimmten Zeit auf jeden Fall ausgelesen wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die schwimmende RFID-Sonde per Magnetfeld steuerbar ist. Hierzu ist außerhalb des Mediums bzw. des Kanalsystems ein Magnetsystem installiert, mit der eine ggf. in Stärke und Feldrichtung einstellbare Kraft F auf die Sonde ausgeübt werden kann. Die Sonde weist zu diesem Zweck ein magnetisches Element mit einem magnetischen Moment m auf, welches bspw. von einem in die RFID-Sonde integrierten Permanentmagneten hervorgerufen wird. Das magnetische Element ist fest mit der Sonde verbunden, so dass Kräfte, die auf das magnetische Element wirken, auch auf die Sonde wirken.
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Zur Navigation der Sonde wird ausgenutzt, dass in einem inhomogenen Magnetfeld B auf ein magnetisches Element mit einem magnetischen Dipolmoment m eine Kraft wirkt. Da das magnetische Element fest mit der Sonde verbunden ist, kann durch die Erzeugung eines solchen Magnetfeldes B eine Kraftwirkung auf die Sonde erreicht werden.
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Das Magnetsystem zur Erzeugung des inhomogenen Magnetfeldes besteht bspw. aus einer oder mehreren Magnetspulen, die einzeln oder gemeinsam bestromt werden.
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Je nach Art der Anordnung des Magnetsystems kann eine genaue Steuerung der RFID-Sonde an eine bestimmte Position oder aber auch nur ein Drift in eine bestimmte Richtung ermöglicht werden.
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Der erste Fall der vergleichsweise genauen Navigation ist dann relevant, wenn an einer oder mehreren Stellen des Kanalsystems bspw. eine Ladestation angeordnet ist, wie sie bspw. in
DE 10 2011 003 777 beschrieben wird. Eine solche Ladestation weist eine Mulde auf, in der die RFID-Sonde platziert werden kann, um sie aufzuladen. Die Ladestation ist demnach derart angeordnet, dass die Sonde ohne weiteres in der Mulde platziert werden kann, d. h. die Mulde selbst bildet bspw. einen Teil der Innenwand des Kanalsystems bzw. ist in die Innenwand eingelassen. Das Magnetsystem ist in diesem Fall derart ausgebildet und erzeugt dementsprechend große Magnetkräfte, dass die Sonde, sobald sie in den Einflussbereich des Magnetfeldes des Magnetsystems gelangt, in Richtung der Mulde abgelenkt wird. Um zu erreichen, dass das Aufladen mit hoher Effizienz erfolgt, müssen im Falle des induktiven Ladens die Spule der Sonde und die Spule der Ladestation korrekt zueinander ausgerichtet sein. Die Ausrichtung der Sonde und damit die Ausrichtung der Spule der Sonde erfolgt ebenfalls mit Hilfe des Magnetfelds.
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Der zweite Fall ist insbesondere dann relevant, wenn sichergestellt werden soll, dass die Sonde in einen Lesebereich eines Lesegerätes gelangen soll. Dabei ist es nicht notwendig, dass eine punktgenaue Navigation ermöglicht wird. Wie in
DE 10 2011 003 438 beschrieben, ist an zumindest einer bestimmten Stelle entlang des Kanalsystems ein Lesegerät angeordnet, mit dem eine RFID-Sonde ausgelesen werden kann, sobald sich diese innerhalb der Reichweite bzw. des Empfangsbereiches des Lesegerätes befindet. Das Kanalsystem kann am Ort des Lesegerätes eine derartige Ausdehnung aufweisen, dass nicht auszuschließen ist, dass die Sonde beim Passieren des Lesegerätes nicht ausgelesen wird. Ein solcher Fall kann bspw. eintreten, wenn die Reichweite des Lesegerätes geringer ist als die Ausdehnung des Kanalsystems. Mithilfe des hier vorgeschlagenen Magnetsystems kann erreicht werden, dass die RFID-Sonde in den Empfangsbereich des Lesegerätes abgelenkt wird.
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Das Magnetsystem kann als steuerbare Magnetspulenanordnung ausgebildet sein, mit dem einstellbare Magnetfelder erzeugt werden können. Alternativ kann das Magnetsystem in einer einfacheren Ausführungsform auch bspw. als Permanentmagnet ausgebildet sein.
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Im Fall der Ausbildung des Magnetsystems als Magnetspulenanordnung, die eine oder mehrere geeignet angeordnete Magnetspulen aufweist, werden diese mit einer entsprechenden Elektronik und Leistungsverstärkern angesteuert. Die Bestromung der Spulen erfolgt mit Hilfe der Leistungsverstärker, so dass das Magnetfeld gezielt eingestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Überwachung eines Mediums in einem Kanalsystem vorgeschlagen, mit
- – zumindest einer Sonde, welche ausgebildet ist, um in dem Medium oder auf einer Oberfläche des Mediums zu schwimmen und bei Vorliegen einer Strömung des Mediums von dem strömenden Medium mitgenommen zu werden, wobei die Sonde eine Sensorkomponente zur Aufnahme eines Messwertes im Medium und ein magnetisches Element mit einem magnetischen Dipolmoment aufweist, und
- – einem Magnetsystem zur Erzeugung eines homogenen oder inhomogenen Magnetfeldes, wobei das Magnetsystem derart am oder im Kanalsystem angeordnet ist, dass sich das Magnetfeld im Betriebszustand des Magnetsystems zumindest zum Teil in das Kanalsystem und in das Medium erstreckt, so dass es mit dem magnetischen Element der Sonde wechselwirkt, wenn sich die Sonde im Einflussbereich des Magnetsystems befindet, und so in einer bestimmten Richtung eine Kraftwirkung auf die Sonde erzeugbar ist.
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Dabei ist der Einflussbereich des Magnetsystems ein Raumbereich, in dem das Magnetfeld eine Starke aufweist, die ausreicht, um die Sonde zu bewegen. Bspw. für den Fall, dass das Magnetsystem zwei sich gegenüberliegende Spulen aufweist, befindet sich der Einflussbereich im Wesentlichen zwischen diesen Spulen.
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Unter einem Kanalsystem wird ein System aus einem oder mehreren miteinander verbundenen Kanälen verstanden, wobei ein Kanal eine geschlossene Rohrleitung, ein ”oben” offener Kanal, ein Becken etc. sein kann.
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Das Magnetsystem weist zumindest eine Magnetspule und eine Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Bestromung der Magnetspule zur gezielten Erzeugung des Magnetfeldes zu steuern. Somit kann das Magnetfeld und damit die auf die Sonde wirkende Kraft den Umständen entsprechend eingestellt werden.
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Alternativ kann das Magnetsystem auch zumindest einen Permanentmagneten aufweisen. Auf eine Steuereinrichtung kann dann verzichtet werden, so dass das Gesamtsystem weniger aufwändig wird.
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Das Magnetsystem kann ein inhomogenes und/oder ein homogenes Magnetfeld erzeugen. Mit dem homogenen Magnetfeld lässt sich die Ausrichtung der Sonde beeinflussen, was insbesondere zum Zweck des induktiven Aufladens der Sonde vorteilhaft ist, da die Effizienz des Aufladens von der gegenseitigen Ausrichtung der Ladespulen der Sonde und der Ladestation abhängt. Mit dem inhomogenen Magnetfeld lässt sich vorteilhafterweise eine Kraftwirkung auf die Sonde erzeugen.
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Das Magnetsystem übt in Betrieb eine Kraftwirkung auf die Sonde aus, die zumindest eine Komponente in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums aufweist.
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Zusätzlich weist die Anordnung zumindest ein RFID-Lesegerät auf, welches derart am Kanalsystem anzuordnen ist, dass ein Empfangsbereich des RFID-Lesegerätes in das Medium gerichtet ist und dabei der Empfangsbereich einen begrenzten Raumbereich des Mediums abdeckt. Die Sonde ist in diesem Fall eine RFID-Sonde, wobei die Sonde eine RFID-Komponente zur Kommunikation mit dem RFID-Lesegerät aufweist. Mittels der RFID-Komponente ist ein Datensatz an das RFID-Lesegerät übertragbar, wenn sich die RFID-Sonde im Empfangsbereich des RFID-Lesegerätes befindet, wobei der Datensatz zumindest den aufgenommenen Messwert beinhaltet. In dieser Ausbildung ist eine sichere, regelmäßige und robuste Datenübertragung gewährleistet.
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Das Magnetsystem ist dann ausgebildet und angeordnet, um eine Kraftwirkung auf die Sonde zu erzeugen, die die Sonde in Richtung des Empfangsbereiches des RFID-Lesegerätes bewegt. Somit ist sichergestellt, dass die RFID-Sonde den Empfangsbereich jedes RFID-Lesegerätes passiert, so dass gewährleistet ist, dass sämtliche aufgenommenen Messwerte von der Sonde übertragen werden.
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Das Magnetsystem ist in Strömungsrichtung des Mediums gesehen zumindest abschnittsweise vor dem Lesegerät angeordnet. Da mit dem Magnetsystem keine beliebig hohen Kräfte erzeugt werden können, ist es vorteilhaft, wenn die Kraftwirkung schon erzeugt wird, bevor die Sonde in Strömungsrichtung gesehen in den Empfangsbereich des Lesegerätes gelangt. Es kann somit schon frühzeitig dafür gesorgt werden, dass die Sonde in Richtung des Empfangsbereiches driftet. Nichtsdestotrotz können sich, wiederum in Strömungsrichtung gesehen, das Magnetsystem bzw. dessen Einflussbereich und das Lesegerät bzw. dessen Empfangsbereich überlappen.
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Die Sonde kann eine aufladbare Energieversorgung aufweisen. Zum Aufladen der Energieversorgung der Sonde ist am Kanalsystem zumindest eine Ladestaion vorgesehen, wobei
- – die Ladestation eine Ablage aufweist, in oder an der die Sonde zum Aufladen abgelegt werden kann, und
- – die Ablage derart in die Innenwand des Kanalsystems integriert ist, dass die Sonde mit Hilfe des Magnetsystems direkt aus dem Medium in die Ablage manövrierbar ist.
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Dies ist so zu verstehen, dass die Sonde ohne einen manuellen Eingriff allein mit Hilfe des Magnetsystems zur Ablage und in die Ablage hinein verbracht werden kann. Die Ablage kann bspw. eine Vertiefung oder eine Mulde in der Innenwand des Kanalsystems sein, deren Form im Wesentlichen der äußeren Form der Sonde entspricht. Die Sonde wird aufgrund der Magnetkräfte in die Vertiefung manövriert und während des Aufladens von den Magnetkräften an Ort und Stelle gehalten.
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Das Magnetsystem ist dementsprechend ausgebildet und angeordnet, um eine Kraftwirkung auf die Sonde zu erzeugen, die in Richtung der Ladestation orientiert ist. Dies kann zum Einen dadurch erreicht werden, dass die Anzahl und Anordnung der Magnetspulen des Magnetsystems geeignet gewählt wird, um Magnetfelder zu erzeugen, deren Richtung und Inhomogenität in Wechselwirkung mit dem magnetischen Element der Sonde die gewünschte Kraftwirkung entfalten. Zum Anderen können die Ströme durch die verschiedenen Spulen des Magnetsystems mit Hilfe der Steuerungseinrichtung derart eingestellt werden, dass sich die geünschten Magnetfelder ergeben.
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Das Magnetsystem ist in Strömungsrichtung des Mediums gesehen zumindest abschnittsweise vor der Ladestation angeordnet. Da mit dem Magnetsystem keine beliebig hohen Kräfte erzeugt werden können, ist es vorteilhaft bzw. ggf. sogar notwendig, dass die Kraftwirkung schon erzeugt wird, bevor die Sonde in Strömungsrichtung gesehen zur Ladestation gelangt. Es kann somit schon frühzeitig dafür gesorgt werden, dass die Sonde in Richtung der Ablage der Ladestation driftet. Im Fall des der Ladestation zugeordneten Magnetsystems sollten sich, wiederum in Strömungsrichtung gesehen, das Magnetsystem bzw. dessen Einflussbereich und die Ladestation bzw. deren Ablage zur Aufnahme der Sonde überlappen.
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Zusätzlich kann eine Einrichtung vorgesehen sein, mit der die Position der Sonde im Kanalsystem ermittelbar ist. Dies ist speziell im Fall des der Ladestation zugeordneten Magnetsystems vorteilhaft, da hier eine vergleichsweise exakte Positionierung der Sonde vorausgesetzt wird. Hierfür benötigt man zur entsprechend exakten Einstellung der Magnetfelder die momentane Position der Sonde.
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Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um die Bestromung der Magnetspule in Abhängigkeit von der ermittelten Position der Sonde zu steuern.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigt:
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1 ein Kanalsystem mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
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2 eine RFID-Sonde.
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In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Zu den verschiedenen Ausführungsformen der im Folgenden beschriebenen RFID-Sonden, RFID-Lesegeräte und Ladestationen sowie hinsichtlich einer genauen Beschreibung der Arbeitsweise des Gesamtsystems wird auf die bereits erwähnten
DE 10 2011 003 438 und
DE 10 2011 003 777 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit in diese Beschreibung aufgenommen wird.
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Die 1 zeigt in einer Draufsicht ein einfaches Kanalsystems 1 mit einem Zufluss 10, über den ein flüssiges Medium 2 in das Kanalsystem 1 gelangt, einer Rohrleitung 20 mit Abschnitten 21, 22, 23, über die das flüssige Medium 2 geführt wird, und einem Abfluss 30, über den das Medium 2 das Kanalsystem 1 wieder verlässt. Weiterhin ist eine Öffnung 40 vorgesehen, über die RFID-Sonden 50 in das Medium 2 eingebracht werden können. Die RFID-Sonden 50 schwimmen im Medium 2 oder an dessen Oberfläche und strömen daher mit dem Medium 2 durch das Kanalsystem 1, d. h. die mittlere Dichte der Sonden 50 ist entsprechend an die Eigenschaften des Mediums 2 angepasst.
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Dabei wird unter dem Begriff RFID-Sonde ein RFID-Transponder oder RFID-Tag verstanden, der bzw. das zusätzlich mit einem Sensorelement ausgestattet ist.
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Die bspw. kugelförmigen RFID-Sonden 50 weisen wie in der 2 dargestellt jeweils zumindest eine Sensorkomponente 51 mit einer Medienanbindung 52 und einer Elektronikbaugruppe 53, eine RFID-Komponente 54 sowie eine Energieversorgung 55 auf.
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Über die Medienanbindung 52 wird eine Verbindung mit dem Medium 2 mit dem Ziel der Aufnahme des interessierenden Messwertes hergestellt. Messwerte können bspw. die Temperatur, der Druck, der pH-Wert, der Sauerstoff- und/oder CO2-Gehalt des Mediums etc. sowie ggf. Strömungsparameter sein. Die Elektronikbaugruppe 53 kann bspw. die Messwertaufnahme steuern, ggf. Messwerte speichern, bei Bedarf eine Vorauswertung der Messwerte vornehmen und/oder die Messwerte an die RFID-Komponente 54 übertragen. Die Ausbildung einer solchen Sensorkomponente 51 ist an sich bekannt.
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Mit Hilfe der RFID-Komponente 54 kann schließlich ein Datensatz an ein entsprechendes RFID-Lesegerät 60/1 bis 60/4 übertragen werden, welcher zumindest die Messwerte und evtl. weitere Daten beinhaltet. Die RFID-Komponente 54 kann nach Bauart eines bekannten, handelsüblichen RFID-Transponders ausgebildet sein, welcher unter Ausnutzung der RFID-Technologie Daten an ein RFID-Lesegerät übermitteln und ggf. Daten von dem RFID-Lesegerät empfangen kann.
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Die Energieversorgung 55 kann ein wieder aufladbarer Akku oder eine Batterie sein, mit dem die zum Betrieb der Sensorkomponente 51 und der RFID-Komponente 54 benötigte Energie zur Verfügung gestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgung 55 derart ausgebildet sein, dass die zum Betrieb der elektrischen Verbraucher der RFID-Sonde 50 benötigte Energie von außen zuführbar ist, bspw. in Form einer Spule 57, in der über ein äußeres, von einer Ladestation generiertes elektromagnetisches Feld eine Spannung induziert wird.
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Weiterhin weist die RFID-Sonde 50 ein magnetisches Element 58, bspw. ein Permanentmagnet, mit einem magnetischen Dipolmoment auf.
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Die RFID-Sonde 50 kann neben der Sensorkomponente 51 und der RFID-Komponente 54 natürlich je nach Bedarf auch weitere, hier nicht dargestellte elektrische Verbraucher aufweisen, die die zum Betrieb benötigte Energie ebenfalls von der Energieversorgung 55 beziehen.
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Die RFID-Sonde 50 kann darüber hinaus mit einem Bewegungssensor 56 ausgestattet werden, mit dem ausgehend von der Startposition, die bspw. der Position der Öffnung 40 entspricht, anhand der Messwerte des Bewegungssensors 56 zu jedem Zeitpunkt die Position der Sonde 50 bestimmt werden.
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Die 2 zeigt lediglich eine schematische Darstellung der RFID-Sonde, d. h. die tatsächliche räumliche Anordnung der verschiedenen Komponenten kann von der Darstellung abweichen.
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Die 1 zeigt eine Anordnung aus mehreren RFID-Lesegeräten 60/1 bis 60/4. Die RFID-Lesegeräte 60/1 bis 60/4 sind an bestimmten, bekannten Stellen entlang des Kanalsystems 1 angeordnet, wobei die Lesegeräte je nach Dimensionierung der Rohrleitung 20 eine mehr oder weniger große Reichweite bzw. einen mehr oder weniger weit ausgedehnten Empfangsbereich 71, 72 aufweisen. Eine Kommunikation zwischen der RFID-Sonde 50 und einem RFID-Lesegerät 60 ist nur möglich, wenn und solange sich die Sonde 50 im Empfangsbereich dieses Lesegerätes 60 befindet. Die von einer Sonde an ein Lesegerät übermittelten Daten werden schließlich bspw. per Funk an eine zentrale Auswerteeinrichtung 80 übertragen. Diese Daten werden in der Auswerteeinrichtung 80 hinsichtlich der interessierenden Parameter ausgewertet.
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Zur genauen Arbeitsweise des in der
1 dargestellten Systems wird auf die
DE 10 2011 003 438 verwiesen. Im Folgenden wird lediglich eine mögliche, grundsätzliche Arbeitsweise zusammengefasst: Nach Einbringung einer RFID-Sonde
50 durch die Öffnung
40 in das fließende Medium
2 beginnt die Sonde
50 bzw. deren Sensorkomponente
51 mit der Aufnahme von Messwerten M. D. h. während die RFID-Sonde
50 mit dem Medium
2 durch das Kanalsystem
1 strömt, nimmt die Sensorkomponente
51 bspw. in regelmäßigen Zeitabständen Messwerte M auf und speichert sie in der Elektronikbaugruppe
53 ab. Gleichzeitig mit der Aufnahme eines Messwertes M wird der Zeitpunkt der Messwertaufnahme ebenfalls bspw. mit Hilfe eines Zeitstempels T registriert und dem Messwert M in der Speichereinrichtung zugeordnet.
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Alternativ kann die Messwertaufnahme auch auf Zeiträume beschränkt sein, zu denen sich die Sonde in einem Empfangsbereich eines Lesegerätes befindet, anstatt kontinuierlich oder regelmäßig in bestimmten Zeitabständen zu messen.
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Sobald die RFID-Sonde 50 in den Empfangsbereich 71/1 des ersten RFID-Lesegerätes 60/1 gelangt, wird mit Hilfe der RFID-Komponente 54 der Sonde 50 ein Datensatz D an das RFID-Lesegerät 60/1 übertragen, der zumindest den oder die bis zu diesem Zeitpunkt aufgenommenen Messwerte M beinhaltet. Zusätzlich kann der Datensatz auch die entsprechenden Zeitstempel T, eine Identifikationsnummer ID der Sonde und/oder die vom Bewegungssensor 56 aufgezeichneten Bewegungsdaten enthalten. Letztere können zum Einen Positionsinformationen beinhalten und zum Anderen die den Positionsinformationen zugeordneten Zeitpunkte. Anhand der Bewegungsdaten kann also ohne weiteres für jeden Zeitpunkt nachvollzogen werden, an welcher Position sich die RFID-Sonde 50 jeweils befand.
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Während und nach der Übermittlung des Datensatzes D an das entsprechende RFID-Lesegerät 60/1 wird die Aufnahme von Messwerten und deren Abspeicherung wie oben beschrieben fortgesetzt. Sobald die RFID-Sonde 50 in den Empfangsbereich 72/2 bzw. 72/3 des nächsten RFID-Lesegerätes 60/2 bzw. 60/3 gelangt, wird der entsprechende neue Datensatz D an dieses Lesegerät übertragen. Der neue Datensatz kann dabei nur die nach der Übertragung an das erste Lesegerät 60/1 aufgenommenen Messwerte umfassen oder aber sämtliche Messwerte, die nach dem Einbringen der Sonde 50 in das Medium 3 aufgenommen wurden. Entsprechendes geschieht, wenn die Sonde 50 die übrigen RFID-Lesegeräte 60/4, 60/5 passiert.
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Die Rohrleitung 20 weist in den Abschnitten 21, 23 einen vergleichsweise geringen Durchmesser auf, weswegen die dort angeordneten RFID-Lesegeräte 60/1, 60/3, 60/4 lediglich über eine kurze Reichweite 71/1, 71/3, 71/4 verfügen müssen. Diese reicht aus, um sicherzustellen, dass alle RFID-Sonden 50, die diese Lesegeräte passieren, in den jeweiligen Empfangsbereich geraten und ausgelesen werden können.
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Der Abschnitt 22 weist dagegen einen wesentlich größeren Durchmesser auf. Trotz des für das hier angeordnete RFID-Lesegerät 60/2 deutlich größer gewählten Empfangsbereichs 71/2 ist nicht gewährleistet, dass sämtliche Sonden diesen Empfangsbereich passieren. Dies gilt bspw. zumindest für die Sonde 50'. Es werden demzufolge nicht sämtliche Sonden ausgelesen.
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Um zu gewährleisten, dass sämtliche Sonden 50 den Empfangsbereich 71/2 des Lesegerätes 60/2 passieren, ist in Strömungsrichtung des Mediums 2 gesehen vor dem betroffenen Lesegerät 60/2 ein Magnetsystem 90 mit zwei Magnetspulen 91, 92 sowie einer Steuerungseinrichtung 93 vorgesehen.
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Die Steuerungseinrichtung 93 weist u. a. Leistungsverstärker (nicht dargestellt) zur Bestromung der Magnetspulen 91, 92 zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf. Je nach Bestromung der Magnetspulen 91, 92, können inhomogen oder homogene Magnetfelder erzeugt werden. Speziell im Fall des inhomogenen Magnetfeldes ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem magnetischen Element 58 der Sonde 50 eine Kraftwirkung auf die Sonde 50 erzielt wird, solange sich die Sonde 50 im Einflussbereich 94 des Magnetsystems 90 befindet. Durch geeignete Wahl der Bestromungen kann die Kraft derart eingestellt werden, dass die Sonde 50 in Richtung des Empfangsbereiches 71/2 bewegt wird, d. h. in der 1 in negative x-Richtung.
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Je nachdem, wie weit die Trajektorie einer Sonde 50 von dem Empfangsbereich 71/2 des RFID-Lesegerätes 60/2 entfernt ist, kann die Steuerungseinrichtung 93 die Bestromung der Magnetspulen 91, 92 einstellen, so dass sich eine mehr oder weniger starke Kraft auf die Sonde ergibt. Zur genauen Einstellung der Kraft muss jedoch in der Regel die Position der Sonde zumindest in x-Richtung bekannt sein. Lediglich für den Fall, dass die Inhomogenität unabhängig von der betrachteten Raumrichtung ist, muss die Position der Sonde in dieser Richtung nicht bekannt sein, um eine bestimmte Kraft auf die Sonde zu erzeugen. Zur Positionsbestimmung kann bspw. der oben erwähnte Bewegungssensor 56 verwendet werden, wobei die anhand der Daten des Sensors 56 ermittelte Position der Sonde 50 an die Steuerungseinrichtung 93 übermittelt werden müssen. Anhand der Position der Sonde berechnet die Steuerungseinrichtung 93 das benötigte Magnetfeld sowie die entsprechenden Bestromungen.
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Generell ist das Magnetsystem 90 derart angeordnet und dimensioniert, dass sich eine Kraftwirkung ergibt, deren Richtung weitestgehend senkrecht zur Strömungsrichtung y des Mediums orientiert ist. Grundsätzlich würde es ausreichen, lediglich eine Spule 91 vorzusehen, mit der ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt werden kann.
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Die Energieversorgung der Sonde 50 kann bspw. mit Hilfe einer Batterie oder eines Akkus gewährleistet sein. Die Sonde 50 bzw. deren RFID-Komponente 54 und ggf. auch die Sensorkomponente 51 kann alternativ auch als bspw. passives System ausgebildet sein, das die zum Betrieb benötigte Energie aus dem RFID-Feld des Lesegerätes bezieht. Sobald also die RFID-Sonde 50 in den Empfangsbereich eines RFID-Lesegerätes eintritt, beginnt die Messwertaufnahme. Die Übertragung der aufgenommenen Messwerte an das RFID-Lesegerät kann bspw. kontinuierlich erfolgen, solange sich die Sonde 50 im Empfangsbereich befindet. Sobald sie den Empfangsbereich verlasst, endet sowohl die Messwertaufnahme als auch die Datenübertragung an das Lesegerät.
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In einer weiteren Alternative bezüglich der Energieversorgung der RFID-Sonde
50 können entlang des Kanalsystems
1 an einer oder mehreren Positionen Ladestationen
100 vorgesehen sein, wie sie in
DE 10 2011 003 777 im Detail beschrieben werden. Die Ladestation
100 enthält eine Ablage
101 bspw. in Form einer Mulde
101, die in die Innenwand
3 des Kanalsystems
1 integriert oder eingelassen ist. Die Mulde
101 bzw. deren Wandung bildet bspw. selbst einen Teil der Innenwand
3. Die Form der Mulde
101 ist so gewählt, dass die RFID-Sonde
50 darin aufgenommen werden kann.
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Um die RFID-Sonde 50 zum Aufladen der Energieversorgung 55 in die Mulde 101 zu bringen, wird die Sonde 50 mit Hilfe eines Magnetsystems 110 navigiert. Das Magnetsystem 110 weist zwei Magnetspulen 111, 112 sowie eine Steuerungseinrichtung 113 auf und arbeitet nach demselben Prinzip wie das oben beschriebene Magnetsystem 90.
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Um sicherzustellen, dass das Magnetsystem 110 die aufzuladende RFID-Sonde 50 in die Mulde 101 navigiert kann, muss die Position der Sonde 50 bekannt sein, so dass die Steuerungseinrichtung 113 die Bestromungen der Magnetspulen 111, 112 entsprechend variieren und an die aktuelle Position der Sonde anpassen kann. Zur Positionsbestimmung der Sonde 50 ist ein Ortungssystem 120 vorgesehen, bspw. ein Radar, das den in Strömungsrichtung des Mediums vor der Ladestation 100 gelegenen Bereich überwacht und die Positionsdaten an die Steuerungseinrichtung 113 übermittelt.
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Andere Methoden zur Ortung der Sonde 50 sind natürlich ebenfalls anwendbar. Bspw. könnte das Lesegerät 60/3 für den Fall, dass es ausreichend nah vor der Ladestation 100 bzw. vor dem Beginn des Einflussbereichs 114 des Magnetsystems 110 platziert ist, genutzt werden, um eine vorbei schwimmende Sonde 50 zu detektieren. Wenn die Sonde 50 erkannt wird, kann das Magnetsystem 110 aktiviert werden, indem bspw. vom Lesegerät 60/3 ein entsprechendes Trigger-Signal an die Steuerungseinrichtung 113 übermittelt wird, woraufhin die Steuerungseinrichtung 113 die Bestromung der Spulen 111, 112 veranlasst. Dabei kann auf eine aufwändige Ortung verzichtet werden, wenn ein derart starkes Magnetfeld erzeugt werden kann, dass die Sonde 50 an die Innenwand 3 des Kanalsystems 1 gedruckt wird. Der Transport der Sonde 50 in die Mulde 101 erfolgt dann automatisch durch die Strömung des Mediums 2.
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Der Einflussbereich 114 des Magnetsystems 110 erstreckt sich in Strömungsrichtung y gesehen sowohl über einen vergleichsweise weiten Bereich vor der Ladestation 100 als auch über die Ladestation 100 selbst. Hiermit wird sichergestellt, dass das Magnetsystem 110 über einen langen Zeitraum Einfluss auf die Sonde 50 nehmen kann, so dass sie tatsächlich in die Aufnahme 101 der Ladestation 100 navigiert wird.
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Das Aufladen der Sonde kann wie in
DE 10 2011 003 777 beschrieben bspw. induktiv erfolgen. Alternativ kann die Ladestation elektrische Kontakte aufweisen, an denen eine elektrische Spannung zum Aufladen der Sonde zur Verfügung gestellt wird. Die Sonde weist in dieser Ausführungsform entsprechende Kontakte auf. Zum Aufladen muss die Sonde derart in oder an der Ablage positioniert werden, dass die jeweiligen Kontakte in Berührung kommen, so dass ein elektrischer Ladestrom von der Ladestation zur Sonde fließen kann. Die tatsächliche Ausbildung der Ladestation und der Sonde bzw. die Realisierung des Aufladens ist jedoch nicht Gegenstand der hier vorliegenden Erfindung. Vielmehr gibt die Erfindung eine Lösung des Problems, die Sonde zur Ladestation hin zu manövrieren.
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Die 1 zeigt nur eine zweidimensionale Anordnung, bei der sich eine Kraftwirkung in x-Richtung ergibt. Natürlich könnte durch ein entsprechend erweitertes Magnetsystem 90, 100 auch eine Kraftwirkung in der nicht dargestellten z-Richtung erreicht werden. Dies würde sich insbesondere bei der zum Positionieren der Sonde in der Ablage der Ladestation benötigten Genauigkeit vorteilhaft auswirken.
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An das Magnetsystem 90 werden keine hohen Anforderungen hinsichtlich einer exakten Navigation bzw. Positionierung der RFID-Sonde gestellt. Es wird lediglich gefordert, dass die Sonde in einer bestimmten Richtung um eine Minimalstrecke verschoben werden kann, so dass sie in den Empfangsbereich des RFID-Lesegerätes gelangt.
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Mit dem Magnetsystem 100 muss jedoch eine vergleichsweise genaue Positionierung der Sonde erreicht werden, um sicherzustellen, dass sie in oder an der Ablage der Ladestation zum Liegen kommt.
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Anstelle des Magnetsystems 90 mit Magnetspulen 91, 92 ist es auch denkbar, lediglich einen oder mehrere Permanentmagneten vorzusehen. Auf die Steuerungseinrichtung einschließlich der Leistungsverstärker könnte dann verzichtet werden. Es ist jedoch nicht möglich, unterschiedliche Kräfte zu erzeugen, da das Magnetfeld nicht einstellbar ist.
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Für die hier vorgestellte Erfindung ist die Verwendung des Magnetsystems nicht auf RFID-Sonden eingeschränkt. Generell ist es natürlich möglich, auch anders geartete Sonden, die nicht auf die RFID-Technologie zurückgreifen, mit Hilfe des Magnetsystems zu navigieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011003438 [0004, 0005, 0009, 0009, 0016, 0040, 0052]
- DE 102011003777 [0005, 0010, 0015, 0040, 0063, 0068]
