DE102012112917A1 - Process automation device e.g. coriolis volumetric flow meter, for analysis or inspection of flow of medium in container, has energy production unit formed as integral part of transmitter housing and/or sensor housing - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung der Prozessautomatisierungstechnik zur Bestimmung oder zur Überwachung zumindest einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessmessgröße eines Mediums, bestehend aus zumindest einem Sensorelement, aus zumindest einer Regel-/Auswerteeinheit, die die mit dem Sensorelement ermittelte Prozessmessgröße ermittelt und zumindest als ein Messwert der Prozessmessgröße ausgibt und zumindest einer Energieerzeugungseinheit die zumindest teilweise die Regel-/Auswerteeinheit und zumindest teilweise das Sensorelement mit der zum Betrieb benötigten Energie versorgt.The present invention relates to an apparatus for process automation technology for determining or monitoring at least one physical, biological or chemical process variable of a medium, comprising at least one sensor element, at least one control / evaluation unit which determines the process variable determined by the sensor element and at least one Output measured value of the process variable and at least one power generation unit which at least partially supplies the control / evaluation unit and at least partially the sensor element with the energy required for operation.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Messgeräte bzw. Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotential-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah in der Prozessanlage eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In automation technology, in particular in process automation technology, measuring devices or field devices are often used which serve to detect and / or influence process variables. Sensors that are used, for example, in level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc., which contain the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity, are used to record process variables to capture. To influence process variables are actuators, such as valves or pumps, via which the flow of a liquid in a pipe section or the level in a container can be changed. In principle, field devices are all devices that are used close to the process in the process plant and that supply or process process-relevant information. In the context of the invention, field devices are thus also understood as remote I / Os, radio adapters or generally electronic components which are arranged on the field level. A variety of such field devices is manufactured and sold by the company Endress + Hauser.
Ein Feldgerät ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Durchflussmessgeräten, Füllstandsmessgeräte, Druckmessgeräte, Temperaturmessgerät, Grenzstandsmessgeräte und/oder Analysemessgeräte.
- • Durchflussmessgeräte sind insbesondere Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermischen und/oder magnetisch induktiven Durchflussmessgeräte.
- • Füllstandsmessgeräte sind insbesondere Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte (TDR), radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, induktive Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte.
- • Druckmessgeräte sind insbesondere Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte.
- • Temperaturmessgeräte sind insbesondere Messgeräte mit Thermoelementen und temperaturabhängigen Widerständen.
- • Grenzstandsmessgeräte sind insbesondere Ultraschall-Grenzstandsmessgeräte und/oder kapazitive Grenzstandsmessgeräte.
- • Analysemessgeräte sind insbesondere pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensoren, (spektro)-photometrische Sensoren, und/oder ionenselektive Elektroden.
- • Flowmeters are especially Coriolis, ultrasonic, vortex, thermal and / or magnetic inductive flowmeters.
- • Level gauges are in particular microwave level gauges, ultrasonic level gauges, time domain reflectometric level gauges (TDR), radiometric level gauges, capacitive level gauges, inductive level gauges and / or temperature sensitive level gauges.
- • Pressure gauges are in particular absolute, relative or differential pressure devices.
- • Temperature measuring devices are in particular measuring devices with thermocouples and temperature-dependent resistors.
- • Point level measuring devices are in particular ultrasonic point level measuring devices and / or capacitive point level measuring devices.
- • Analytical instruments are in particular pH sensors, conductivity sensors, oxygen and active oxygen sensors, (spectro) -photometric sensors, and / or ion-selective electrodes.
Beispielsweise kann der Grenzstand bzw. Füllstand eines Mediums in einem Behälter mit vibronischen Messgeräten, welche den Unterschied der Schwingungen eines Schwingsystems bei bedecktem und frei schwingendem Schwingsystem detektieren, oder mit kapazitiven Sonden, welche die Änderung der Kapazität eines aus einer Metallsonde und der Behälterwand gebildeten Kondensators bei unterschiedlichem Bedeckungsgrad mit Medium detektieren, bestimmt werden. Die Auswertung der Schwingungen oder der Kapazität erfolgt elektronisch in einer Regel-/Auswerteeinheit, welche meist zusammen mit weiterer Elektronik angeordnet ist. Die Elektronik muss mit Strom versorgt werden, was üblicherweise über Zweileiter- oder Vierleitertechnik geschieht. Bei einer hohen Anzahl an Messgeräten ist die direkte Verkabelung dieser Messgeräte sehr aufwendig und kostenintensiv.For example, the level or level of a medium in a container with vibronic measuring devices, which detect the difference of the vibrations of a vibration system with covered and freely oscillating vibration system, or with capacitive probes, the change in capacitance of a metal probe and the container wall formed capacitor at different degrees of coverage with medium detect, be determined. The evaluation of the vibrations or the capacity is carried out electronically in a control / evaluation unit, which is usually arranged together with other electronics. The electronics must be supplied with power, which is usually done via two-wire or four-wire technology. With a large number of measuring devices, the direct wiring of these measuring devices is very complicated and cost-intensive.
Desweiteren kommen beispielsweise in chemischen, biotechnologischen, pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Prozessen, und in der Umweltmesstechnik auch automatischer Analysegeräte, sogenannte Analysatoren zur Bestimmung einer Messgröße einer flüssigen Probe zum Einsatz. Gewissermaßen können Analysegeräte zur Überwachung und Optimierung der Reinigungsleistung einer Kläranlage, zur Überwachung von Trinkwasser oder zur Qualitätsüberwachung von Lebensmitteln eingesetzt werden. Gemessen und überwacht wird beispielsweise der Gehalt der Flüssigkeitsprobe an einer bestimmten Substanz, die auch als Analyt bezeichnet wird. Analyte können zum Beispiel Ionen wie Ammonium, Phosphat, Silikat oder Nitrat, biologische oder biochemischen Verbindungen, z. B. Hormone, oder auch Mikroorganismen sein. Andere Messgrößen, die durch Analysegeräte in der Prozessmesstechnik, insbesondere im Bereich der Überwachung von Wasser, bestimmt werden, sind der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) oder der chemische Sauerstoffbedarf (CSB). Analysegeräte können beispielsweise als Schrankgeräte oder als Bojen ausgestaltet sein.Furthermore, for example, in chemical, biotechnological, pharmaceutical and food processing processes, and in environmental metrology and automatic analyzers, so-called analyzers for determining a measurement of a liquid sample are used. To a certain extent, analyzers can be used to monitor and optimize the purification performance of a wastewater treatment plant, to monitor drinking water or to monitor the quality of food. For example, the content of the liquid sample in a specific substance, which is also referred to as analyte, is measured and monitored. For example, analytes may include ions such as ammonium, phosphate, silicate or nitrate, biological or biochemical compounds, e.g. As hormones, or microorganisms. Other parameters that are determined by analytical instruments in process measurement, especially in the field of monitoring of water, are the total content of organic carbon (TOC) or the chemical oxygen demand (COD). Analysis devices can be configured, for example, as cabinet devices or as buoys.
Häufig wird in Analysegeräten die zu analysierende Probe behandelt, indem sie mit einem oder mehreren Reagenzien versetzt wird, so dass eine chemische Reaktion in der Flüssigkeitsprobe auftritt. Vorzugsweise werden die Reagenzien so gewählt, dass die chemische Reaktion mittels physikalischer Methoden, beispielsweise durch optische Messungen, mittels potentiometrischer oder amperometrischer Sensoren oder durch eine Leitfähigkeitsmessung nachweisbar ist. Beispielsweise kann die chemische Reaktion eine Färbung oder einen Farbumschlag bewirken, der mit optischen Mitteln detektierbar ist. Die Farbintensität ist in diesem Fall ein Maß für die zu bestimmende Messgröße. Die Messgröße kann beispielsweise fotometrisch ermittelt werden, indem elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht, von einer Strahlungsquelle in die Flüssigkeitsprobe eingestrahlt wird und nach Transmission durch die Flüssigkeitsprobe von einem geeigneten Empfänger empfangen wird. Der Empfänger erzeugt ein von der Intensität der empfangenen Strahlung abhängiges Messsignal, aus dem die Messgröße abgeleitet werden kann.Often, in analyzers, the sample to be analyzed is treated by adding one or more reagents so that a chemical reaction occurs in the liquid sample. Preferably, the reagents are so chosen that the chemical reaction by means of physical methods, for example by optical measurements, by means of potentiometric or amperometric sensors or by a conductivity measurement is detectable. For example, the chemical reaction may cause a coloration or a color change that is detectable by optical means. The color intensity in this case is a measure of the measured variable to be determined. The measured variable can be determined, for example, photometrically by irradiating electromagnetic radiation, for example visible light, from a radiation source into the liquid sample and, after transmission through the liquid sample, being received by a suitable receiver. The receiver generates a measurement signal which is dependent on the intensity of the received radiation and from which the measured quantity can be derived.
Um solche Analyseverfahren automatisiert beispielsweise im industriellen Bereich oder zur Überwachung einer Kläranlage oder eines Gewässers im Freien einzusetzen, ist es wünschenswert, ein Analysegerät bereitzustellen, das die benötigten Analyseverfahren automatisiert durchführt. Die wichtigsten Anforderungen an ein solches Analysegerät, wie auch an die meisten anderen Feldgeräte der industriellen Prozessautomatisierungstechnik, sind, neben einer ausreichenden Messgenauigkeit, Robustheit, unabhängige Energieversorgung, Energie-Autarkie, einfache Bedienbarkeit und die Gewährleistung einer ausreichenden Arbeits- bzw. Umweltsicherheit.In order to use such analysis methods automatically, for example in the industrial sector or for monitoring a sewage treatment plant or a body of water in the open air, it is desirable to provide an analysis device that automatically performs the required analysis methods. The most important requirements for such an analyzer, as with most other field devices of industrial process automation technology, are robustness, independent power supply, energy self-sufficiency, ease of use, and sufficient working or environmental safety, in addition to adequate measurement accuracy.
Aus dem Stand der Technik sind bereits automatische Analysegeräte bekannt. So zeigen beispielsweise
Bei Feldgeräten der industriellen Prozessautomatisierungstechnik, ist die jeweilige Geräteelektronik zumeist in einem vergleichsweise robusten, etwa schlag-, druck-, explosions- und/oder wetterfesten, Elektronik-Gehäuse untergebracht. Dieses kann vom Gerät entfernt angeordnet und mit diesem nur über eine flexible Leitung verbunden sein; es kann aber auch direkt am Messaufnehmer oder einem den Messaufnehmer separat einhausenden Messaufnehmer-Gehäuse angeordnet sein. Beispiele für solche, für Feldgeräte geeignete Elektronik-Gehäuse sind unteranderem der
Industrietaugliche elektronische Geräte, mithin auch deren jeweiliges Elektronik-Gehäuse und deren darin jeweils untergebrachte Geräteelektronik, müssen bekanntlich sehr hohen Schutzanforderungen genügen, insb. hinsichtlich der Abschottung der darin platzierten elektrischen Bauteile gegen äußere Umwelteinflüsse, hinsichtlich des Schutzes gegen allfälliges Berühren spannungsführender Bauteile und/oder hinsichtlich des Unterbindens von elektrischen Zündfunken im Fehlerfall. Hierzu gehört beispielsweise auch die Anforderung, dass ein elektrischer Strom, der, beispielsweise bei Körperschluss, via Elektronik-Gehäuse gegen Masse oder Erde fließen könnte, einen maximal zulässigen Höchstwert nicht überschreiten darf. Bei einem Anschluss des elektrischen Geräts an 250 V beträgt dieser zulässige Höchstwert beispielsweise 10 mA. Werden diese Anforderungen erfüllt, so entspricht das Gerät zumindest den Anforderungen der Schutzklasse 11, d. h. es handelt sich um ein elektrisches Gerät mit Schutzisolierung. Zur Realisierung dieser Anforderungen ist es demnach erforderlich, dass das Gehäuse des elektrischen Geräts gegenüber allen spannungsführenden Teilen des Geräts ausreichend isoliert ist. Eine solche Isolierung ist insbesondere dann notwendig, wenn es sich um ein Gehäuse aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise einem Metall, handelt. Darüber hinaus sind Elektronik-Gehäuse, mithin die darin platzierte Geräteelektronik, gegen Eindringen von Nässe oder Fremdstoffen/-körper, insb. Staub, sowie vor Berührung von außen in ausreichendem Maße zu schützen. Der seitens des jeweiligen Elektronik-Gehäuse, nicht zuletzt auch den gegeben Anwendungs- und Umgebungsbedingungen entsprechend, zu erfüllende Schutzgrad gegen Eindringen, etwa durch Berührung, Fremdkörper bzw. Wasser, ist beispielsweise anhand der in den
Elektronische Geräte, mithin auch Feldgeräte, die auch in explosionsgefährdeten Bereichen betrieben werden sollen, müssen darüber hinaus auch sehr hohen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes genügen. In diesem Zusammenhang werden beim Explosionsschutz verschiedene Zündschutzarten unterschieden, die jeweils auch in einschlägigen, elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche betreffenden Standards und Normen entsprechend manifestiert sind, wie z. B. in den
Beim Einsatz der Feldgeräte bzw. der Messgeräte in weitläufigen Anlagen im Freien, wie beispielsweise Pipelines, ist die externe Stromversorgung des Messgeräts über Kabel schwierig, da Kabel in enormer Länge über weite Strecken verlegt werden müssten. Deshalb kommen hier Batterien zum Einsatz. Der Nachteil hierbei ist jedoch, dass diese nur eine endliche Lebensdauer besitzen und ausgetauscht werden müssen. Aus der Schrift
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Feldgerät bzw. Messgerät der Prozessautomatisierung zur Bestimmung einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessgröße bereitzustellen, welches autark mit Energie versorgt wird und den Sicherheitsanforderungen genügt.The object of the invention is to provide a field device or measuring device of the process automation for determining a physical, biological or chemical process variable, which is supplied with energy autonomously and meets the safety requirements.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der Prozessautomatisierung zur Bestimmung oder zur Überwachung zumindest einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessmessgröße eines Mediums, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a device of process automation for determining or monitoring at least one physical, biological or chemical process variable of a medium, according to the features of
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung der Prozessautomatisierung zur Bestimmung oder zur Überwachung zumindest einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessmessgröße eines Mediums eingesetzt und besteht zumindest aus einem Sensorelement, einer Regel-/Auswerteeinheit, und einer Energieerzeugungseinheit. Wobei es sich bei der Prozessmessgröße insbesondere um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, den pH-Wert, den Stoffgehalt einer bestimmten Substanz, den Druck, die Feuchte oder den Durchfluss des Mediums handelt. Die Regel-/Auswerteinheit ermittelt die mit dem Sensorelement gemessene Prozessmessgröße und gibt diese Prozessmessgröße als ein Messwert aus. Die Energieerzeugungseinheit versorgt zumindest teilweise die Regel-/Auswerteeinheit und das Sensorelement mit Energie, die zu deren Betrieb notwendig ist. Diese ist vorzugsweise als nach dem Prinzip des sog. Energy Harvesting funktionierende autarke Energieversorgungseinheit ausgestaltet, die beispielsweise die zum Betrieb des Messgerät benötigte Energie beispielsweise aus der Umgebungstemperatur, aus Vibrationen oder aus Luftströmungen gewinnt.According to the invention, the process automation device is used for determining or monitoring at least one physical, biological or chemical process variable of a medium and consists at least of a sensor element, a control / evaluation unit, and a power generation unit. Whereby the process variable is in particular the fill level, the density, the viscosity, the temperature, the pH, the substance content of a particular substance, the pressure, the humidity or the flow of the medium. The control / evaluation unit determines the measured process variable with the sensor element and outputs this process variable as a measured value. The power generation unit supplies at least partially the control / evaluation unit and the sensor element with energy that is necessary for their operation. This is preferably configured as a self-sufficient energy supply unit which operates according to the principle of so-called energy harvesting and which, for example, obtains the energy required for operating the measuring device, for example from the ambient temperature, from vibrations or from air currents.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten nach dem Prinzip des sog. Energy Harvesting der Energie-Ernte-kinetische, chemische oder potentielle Energieformen, wie z. B. Wärme, Lichtstrahlung, Vibration, Schwingungen, usw. in eine elektrische Energieform zu überführen. Es werden beispielsweise die Umwandlungsmöglichkeiten:
- – der Photovoltaik, zur Umsetzung der elektromagnetischen Strahlungsenergie,
- – der Piezoelektrizität, zur Umwandlung der mechanischen, statischen oder dynamischen Spannungen im Material,
- – der Elektromagnetische Generatoren zur Umsetzung der Bewegung, Vibrationen und/oder Luft-/Wasserströmungen,
- – der Pyroelektrische oder Thermoelektrische Generatoren, zur Umsetzung einer Temperaturänderung in eine Ladungstrennung und/oder Elektronenfluss im Material, oder
- – Antennen, zur Umwandlung der elektromagnetischen Strahlungsenergie aus der Umgebung, in elektrische Energie verwendet
- - photovoltaics, for the implementation of electromagnetic radiation energy,
- - the piezoelectricity, to convert the mechanical, static or dynamic stresses in the material,
- - the electromagnetic generators to implement the movement, vibrations and / or air / water flows,
- - The pyroelectric or thermoelectric generators, to implement a change in temperature in a charge separation and / or electron flow in the material, or
- - Antennas, used to convert the electromagnetic radiation energy from the environment, into electrical energy
Die Energieerzeugungseinheit ist als ein integraler Bestandteil eines Transmittergehäuses, welches zumindest die Regel-/Auswerteinheit umgibt und/oder eines Sensorgehäuses, welches zumindest das Sensorelement umgibt, ausgestaltet. Darüber hinaus ist beispielsweise die Energieerzeugungseinheit in die Gehäusewand des Transmittergehäuses und/oder des Sensorgehäuses integriert, indem beispielsweise die Energieerzeugungseinheit mittels eines Spritzgussverfahrens hermetisch dicht und den Schutzvorschriften für Messgeräte in explosionsgefährdeten Bereichen genügend in die Gehäusewand eines Kunststoff-Transmittergehäuses und/oder des Kunststoff-Sensorgehäuses eingespritzt ist. Die Integration der Energieerzeugungseinheit in das Transmitter- bzw. Sensorgehäuse hat den Vorteil, dass beispielsweise durch die Einbringung der Energieerzeugereinheit in die Gehäusewand des Transmitter- bzw. Sensorgehäuses als tragendes Konstruktionsteil, die Anforderungen an die Gehäusestatik, an die Druckfestigkeit des Gehäuses, die Dichtheit, die Durchschlagsfestigkeit und den Explosionsschutz vollständig erfüllt werden. Desweitern hat die Integration der Energieerzeugungseinheit in die Behälterwand des Transmittergehäuses oder des Sensorgehäuses auch den Vorteil, dass die Sicherheitsanforderungen an das Messgerät trotz der kompakteren Bauweise des Messgeräts mittels der Integration erreicht werden können.The energy generating unit is designed as an integral component of a transmitter housing which surrounds at least the control / evaluation unit and / or a sensor housing which surrounds at least the sensor element. In addition, for example, the power generation unit is integrated into the housing wall of the transmitter housing and / or the sensor housing by, for example, the power generation unit by means of an injection molding hermetically sealed and the protection of measuring devices in potentially explosive atmospheres sufficient in the housing wall of a plastic transmitter housing and / or the plastic sensor housing injected. The integration of the power generation unit in the transmitter or sensor housing has the advantage that, for example, by the introduction of the power generator unit in the housing wall of the transmitter or sensor housing as a supporting structural part, the requirements of the housing static, the pressure resistance of the housing, the tightness, the dielectric strength and the explosion protection are completely fulfilled. Furthermore, the integration of the power generation unit in the container wall of the transmitter housing or the sensor housing also has the advantage that the safety requirements for the meter can be achieved despite the more compact design of the meter by means of integration.
Erfindungsgemäß versorgt die Energieerzeugungseinheit die gesamte Vorrichtung zumindest teilweise mit der zum Betrieb benötigten Energie und ist hierzu beispielsweise über eine elektrische Leitung oder auch eine kabellose, z. B. induktive, Energieübertragungstrecke mit einer im Transmittergehäuse befindlichen Energieversorgungseinheit verbunden. Diese Energieversorgungseinheit steuert den Energieverbrauch und die Energieversorgung der Vorrichtung und speichert gegebenenfalls die von der Energieerzeugungseinheit erzeugte, jedoch aktuell nicht benötigte Energie, in einer Energiespeichereinheit zwischen. Die Energiespeichereinheit ist so ausgebildet, dass nur so viel Energie zwischengespeichert werden kann, dass diese noch den zuvor beschriebenen, hohen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes genügt. Bei der Energiespeichereinheit handelt es sich um einen Akkumulator, Kondensator, Brennstoffzelle oder reversible Reduktion-Oxidation Flussbatterie, welche elektrische Energie in eine chemischen Verbindungen der in einem Lösungsmittel befindlichen Reaktionselemente umwandelt. Durch die Energiespeichereinheit ist gewährleistet, dass das Messgerät auch nachts oder bei unzureichender Energieversorgung durch die Energieerzeugungseinheit ausreichend mit Energie versorgt wird.According to the invention, the power generation unit supplies the entire device at least partially with the energy required for operation and is for this purpose, for example via an electrical line or a wireless, z. B. inductive, energy transmission path connected to a power supply unit located in the transmitter housing. This power supply unit controls the energy consumption and the power supply of the device and optionally stores the energy generated by the power generation unit, but which is not currently required, in an energy storage unit. The energy storage unit is designed so that only so much energy can be cached that it still meets the previously described, high safety requirements in terms of explosion protection. The energy storage unit is an accumulator, condenser, fuel cell or reversible reduction-oxidation flux battery, which converts electrical energy into a chemical compound of the reaction elements contained in a solvent. The energy storage unit ensures that the meter is sufficiently supplied with energy even at night or in the event of insufficient energy supply by the power generation unit.
Zur Erzeugung der zur Versorgung der Vorrichtung bzw. des Feldgeräts notwendigen Energie ist die integrale Energieerzeugungseinheit beispielswiese als zumindest eine Solarzelle, zumindest ein thermoelektrisches Wandler-Element, zumindest ein piezoelektrisches Element und/oder zumindest ein induktives Wandler-Element ausgestaltet. Die in das Transmittergehäuse bzw. Sensorgehäuse integrierte Energieerzeugungseinheit ermöglicht die Erzeugung einer bestimmten Menge an elektrischer Energie aus den Umgebungsgrößen, wie die Umgebungstemperatur, die mechanische Schwingungen bzw. die Vibrationen am Messgerät, Mediums-Strömungen durchs Messgerät oder Lichteinstrahlung auf das Messgerät. Zur Gewinnung der Energie aus der Umgebung des Messgeräts werden beispielsweise Piezoelektrische Kristalle, die aufgrund von Krafteinwirkung eine elektrische Spannungen erzeugen, Solarzellen, die elektrische Energie aus der Umgebungslicht erzeugen, Thermoelektrische Generatoren oder pyroelektrische Kristalle, welche aus vorhandenen Temperaturunterschieden zwischen zwei getrennten Bereichen die benötigte, elektrische Energie gewinnen, und Antennen, welche die elektromagnetischer Strahlung aus der Umgebung aufnehmen, verwendet.In order to generate the energy necessary for supplying the device or the field device, the integral energy generating unit is designed, for example, as at least one solar cell, at least one thermoelectric transducer element, at least one piezoelectric element and / or at least one inductive transducer element. The energy generating unit integrated in the transmitter housing or sensor housing enables the generation of a certain amount of electrical energy from the ambient variables, such as the ambient temperature, the mechanical vibrations or the vibrations on the measuring instrument, medium flows through the measuring instrument or light irradiation onto the measuring instrument. To obtain the energy from the surroundings of the measuring device, for example, piezoelectric crystals which generate electrical voltages due to the action of force, solar cells which generate electrical energy from the ambient light, thermoelectric generators or pyroelectric crystals, which required from existing temperature differences between two separate areas, gain electrical energy, and antennas that absorb the electromagnetic radiation from the environment used.
Als Energieerzeugungseinheit sind beispielsweise Piezoelektrische Kristallelement mit federnden Elementen der Konstruktion des Transmittergehäuses und/oder des Sensorgehäuses schwingungsmechanisch verbunden, d. h. die mechanischen Schwingungen, welche durch Vibrationen und Erschütterungen auf das Transmittergehäuse und/oder das Sensorgehäuse einwirken, werden über diese federnden Elemente direkt oder mechanisch verstärkt auf das Piezoelektrische Element weitergegeben. Die Energieumwandlung der mechanischen Schwingungsenergie in eine elektrische Energie erfolgt durch den piezoelektrischen Effekt. Der direkte Piezoelektrische Effekt wandelt einen mechanischen Druck auf einem piezoelektrischen Kristallelement in eine elektrische Spannung um. Im Bereich der Energie autarker Feldgeräte können solche Piezoelemente die für das Messverfahren und für eine eventuelle Signalübertragung an eine entfernte Leitstelle benötigte Energie erzeugen, in dem sie in der Umgebung vorhandene mechanische Schwingungsenergie in elektrische Energie umwandeln. Diese Piezoelement können auch durch ein Spritzguss-Verfahren direkt in die Gehäusewand des Transmittergehäuses und/oder des Sensorgehäuses integriert sein bzw. von dem Material der Gehäusewand des Transmittergehäuses und/oder des Sensorgehäuses vollständig und abdichten umschlossen sein. Diese Piezoelemente sind mit Ihrer piezoelektrisch aktiven Kristallrichtung in der Gehäusewand so ausgerichtet, dass die durch äußeren Krafteinwirkung bzw. mechanische Schwingungen entstehenden mechanischen Spannungen in der Gehäusewand des Transmittergehäuses und/oder des Sensorgehäuses aufgenommen und in elektrische Energie umgewandelt werden.As an energy generating unit, for example piezoelectric crystal element with resilient elements of the construction of the transmitter housing and / or the sensor housing are connected vibration mechanical, d. H. the mechanical vibrations, which act on the transmitter housing and / or the sensor housing due to vibrations and vibrations, are transmitted directly or mechanically amplified to the piezoelectric element via these resilient elements. The energy conversion of the mechanical vibration energy into electrical energy occurs through the piezoelectric effect. The direct piezoelectric effect converts a mechanical pressure on a piezoelectric crystal element into an electrical voltage. In the field of energy self-sufficient field devices such piezoelectric elements can generate the energy required for the measurement process and for a possible signal transmission to a remote control center, in which they convert existing mechanical vibration energy in the environment into electrical energy. This piezoelectric element can also be integrated directly into the housing wall of the transmitter housing and / or the sensor housing by an injection molding process or enclosed completely and sealed by the material of the housing wall of the transmitter housing and / or the sensor housing. These piezoelectric elements are aligned with their piezoelectrically active crystal direction in the housing wall in such a way that the mechanical stresses resulting from external force or mechanical vibrations are absorbed in the housing wall of the transmitter housing and / or the sensor housing and converted into electrical energy.
Die Energieversorgungseinheit kann auch als Peltier-Element bzw. thermoelektrisches Wandler-Element ausgestaltet sein, welches ein Energieumwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie mittels des thermoelektrischen Effekts ermöglicht. Beim Peltier-Element werden zumindest zwei Leiter mit unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazitäten in Kontakt gebracht und mittels Temperaturunterschiede an den beiden Leitern wird ein elektrischer Elektronen-Strom bewirkt. Dieser Effekt ist auch umkehrbar, so dass durch das Peltier-Element, mittels eines in die Leiter eingespeisten, elektrischen Stroms eine Temperaturdifferenz an den beiden Leitern, beispielsweise zur Kühlung, erzeugt wird.The energy supply unit can also be designed as a Peltier element or thermoelectric converter element, which enables an energy conversion of thermal energy into electrical energy by means of the thermoelectric effect. When Peltier element at least two conductors with different electronic heat capacities are brought into contact and by means of temperature differences on the two conductors, an electric electron current is effected. This effect is also reversible, so that by the Peltier element, by means of an electrical current fed into the conductor, a temperature difference at the two conductors, for example for cooling, is generated.
Ein Nachteil der thermoelektrischen Generatoren ist der sehr geringe Wirkungsgrad von weniger als 10%. Jedoch sind die Vorteile der thermoelektrischen Generatoren, dass diese nahezu wartungsfrei sind, da keine beweglichen Teile vorhanden sind und die natürlich auftretenden Temperaturunterschiede zwischen zwei getrennten Bereichen, beispielsweise Temperaturunterschiede an der Außenwand und der Innenwand des Transmittergehäuses, genutzt werden können.A disadvantage of the thermoelectric generators is the very low efficiency of less than 10%. However, the advantages of thermoelectric generators are that these are almost are maintenance-free, since there are no moving parts and the naturally occurring temperature differences between two separate areas, such as temperature differences on the outer wall and the inner wall of the transmitter housing, can be used.
Bei der Nutzung des photoelektrischen Effekts in der Photovoltaik wird Lichtenergie mittels Solarzelle direkt für elektrische Verbraucher nutzbar gemacht. Diese Solarzellen können als eine Beschichtung direkt auf zumindest einer Außenfläche des Transmittergehäuses aufgebracht sein. Die Vorteile der direkten Beschichtung von Teilelementen des Messgeräts gegenüber einer separaten Anbringung eines Solarmoduls sind, dass zum einen die Solarzellen fester Bestandteil des Messgeräts sind und daher sehr stabil angebracht sind, und zum anderen die die Solarzellen bildende Beschichtung gleichzeitig einen Korrosionsschutz des Gehäuses darstellt. Die ohnehin notwendige Beschichtung des Gehäuses mit einem witterungsbeständigen Material wird durch die Beschichtung mit den die Solarzellen bildenden Materialien ersetzt. Wobei die Beschichtung der Solarzelle als Folie oder als Farbstoffsolarzelle auf dem Transmittergehäuse aufgebracht ist. Die mehrlagige Beschichtung ist im Wesentlichen aus Elektrode, Gegenelektrode, Katalysator, Elektrolyt und Farbstoff aufgebaut, die zusammen eine Farbstoffsolarzelle (Grätzelzelle) bilden. Die Basis der Farbstoffsolarzelle bildet der darin enthaltene Farbstoff, welcher Photonen aus der Sonnenstrahlung in freie Ladungsträger umwandelt. Solche Farbstoffe werden z. B. von der Firma Dyesol vertrieben. Unter anderem aus der Schrift
Weiterhin kann die Energieerzeugungseinheit, z. B. als Solarzelle aus einem zumindest teilweise transparenten Material ausgebildet, direkt als Schauglas über einer im Messgerät integrierten Anzeige-/Bedieneinheit ausgebildet sein.Furthermore, the power generation unit, for. B. formed as a solar cell made of an at least partially transparent material, directly as a sight glass on a display integrated in the meter display / control unit.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
In
Durch eine im Transmittergehäuse
Bei der Auslegung des Messgeräts
Die Energieerzeugungseinheit
Ein elektrothermischer Wandler, insbesondere ein Peltier-Element, nutzt die Bewegung von Ladungsträgern innerhalb eines Temperaturgefälles aus diese Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Ergänzend oder alternativ kann die Energieerzeugungseinheit
In
Diese Ausgestaltung der Energieerzeugungseinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung, Messgerät, FeldgerätDevice, measuring device, field device
- 22
- Solarzellesolar cell
- 2a2a
- teiltransparente Solarzellesemi-transparent solar cell
- 33
- Mediummedium
- 44
- Sensorelementsensor element
- 55
- Regel-/AuswerteinheitControl / evaluation
- 66
- EnergieversorgungseinheitPower supply unit
- 77
- Transmittergehäusetransmitter housing
- 7a7a
- Kunststoff-TransmittergehäusePlastic transmitter housing
- 88th
- Gehäusewandhousing wall
- 99
- Außenflächeouter surface
- 1010
- Anzeige-/BedieneinheitDisplay / operating unit
- 1111
- Beschichtungcoating
- 1212
- Foliefoil
- 1313
- FarbstoffsolarzelleDye solar cell
- 1414
- EnergieerzeugungseinheitPower generation unit
- 1515
- Thermoelektrisches Wandler-Element, Peltier-ElementThermoelectric transducer element, Peltier element
- 1616
- piezoelektrisches Wandler-Elementpiezoelectric transducer element
- 1717
- induktives Wandler-Elementinductive transducer element
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- Sensorgehäusesensor housing
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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