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

The device (1) has a control/evaluation unit (5) comprising a sensor element (4) for determining a process measured variable of a medium (3) and outputting a measured value of the process measured variable. An energy production unit (14) partially supplies energy required for an operation of the control/evaluation unit and an operation of the sensor element. The energy production unit is formed as an integral part of a transmitter housing (7) and/or a sensor housing (18). The energy production unit is integrated in a housing wall of the transmitter and/or sensor housings. The transmitter housing is designed as a synthetic transmitter housing (7a). The sensor housing is designed as a synthetic sensor housing (18a). The energy production unit is designed as a solar cell (2) i.e. transparent solar cell (2a), a thermoelectric converter element, a piezoelectric element and/or an inductive converter element. The sensor element is designed as an analyzer.

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.
A field device is in particular selected from a group consisting of flowmeters, level gauges, pressure gauges, temperature measuring device, point level measuring devices and / or analysis measuring devices.
  • • 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 DE 102 22 822 A1 , DE 102 27 032 A1 und DE 10 2009 029 305 A1 Online-Analysatoren zum Analysieren von Messproben.Automatic analyzers are already known from the prior art. For example, show DE 102 22 822 A1 . DE 102 27 032 A1 and DE 10 2009 029 305 A1 Online analyzers for analyzing samples.

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 US 63 66 436 B2 , der DE 101 26 654 A1 , der DE 10 2008 042 972 A1 , der US 65 56 447 B2 oder der WO 98/14763 A1 zu entnehmen. Demnach umfassen solche Elektronik-Gehäuse jeweils einen eine oder mehrere Kavitäten aufweisenden, zumeist topfförmigen Gehäuse-Grundkörper mit einer dessen Kavität seitlich begrenzenden, zumeist abschnittsweise kreiszylindrischen Seitenwand, mit einem offenen Ende und mit einem die Kavität auf einer dem offenen Ende gegenüberliegenden und davon entfernten Seite begrenzenden, beispielsweise flachen oder nach außen gewölbten, ggf. auch wieder lösbaren, Rückwand sowie einen mit dem Gehäuse-Grundkörper an dessen offenem Ende, beispielsweise mittels Schraubverbindung, wieder lösbar verbundenen und diesen verschließenden Gehäuse-Deckel. Der zumeist auch ein darin integriertes – beispielsweise das Betrachten eines dahinter innerhalb des Gehäuse-Grundkörpers platzierten Anzeigeelements ermöglichendes – Sichtfenster aufweisende Gehäuse-Deckel ist üblicherweise mit dem Gehäuse-Grundkörper verschraubt, beispielsweise nach Art eines Schraubverschlusses. Nämliches Sichtfenster, Schauglas bzw. Sichtglas ist hierbei zumeist mittels einer aus transluzentem bzw. transparentem Material, wie etwa Glas, Glaskeramik oder Kunststoff, bestehenden, zumeist Fensterscheibe gebildet, das eine in einem zumeist metallischen oder zumindest metallisierten Deckelgrundkörper vorgesehene Fensteröffnung abdeckt.In field devices of industrial process automation technology, the respective device electronics is usually housed in a relatively robust, such as impact, pressure, explosion and / or weatherproof, electronics housing. This can be located away from the device and connected to this only via a flexible line; but it can also be arranged directly on the sensor or a measuring transducer housing einhausenden separate sensor housing. Examples of such, suitable for field devices electronics housing are among others the US 63 66 436 B2 , of the DE 101 26 654 A1 , of the DE 10 2008 042 972 A1 , of the US 65 56 447 B2 or the WO 98/14763 A1 refer to. Accordingly, such electronics housing each comprise one or more cavities having, usually cup-shaped housing body with a side limiting its cavity, usually partially circular cylindrical side wall, with an open end and with a cavity on the open end opposite and away from it delimiting, for example, flat or curved outwards, possibly also detachable, rear wall and a housing with the housing body at its open end, for example by means of screw, releasably connected and this closing housing cover. The usually also an integrated therein - for example, the viewing of a placed behind the housing base body display element enabling - viewing window having housing cover is usually bolted to the housing body, for example in the manner of a screw cap. Namely viewing window, sight glass or sight glass is usually formed by means of a translucent or transparent material, such as glass, glass ceramic or plastic, existing, usually window pane which covers a provided in a mostly metallic or at least metallized cover body opening window opening.

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 Deutschen Normen DIN EN 60529 bzw. DIN 40 050 definierten Schutzarten, z. B. ”staubgeschützt bzw. allseitiges Spritzwasser (IP54)” oder ”staubdicht bzw. dauerndes Untertauchen (IP68)”, bzw. klassen oder gemäß Industriestandard NEMA 250 bestimmbar.Industrial-grade electronic devices, thus also their respective electronics housing and their respective housed electronics, must be known to meet very high protection requirements, esp. With regard to the foreclosure of the electrical components placed therein against external environmental influences, in terms of protection against any contact with live components and / or with regard to the prevention of electrical sparks in the event of a fault. This includes, for example, the requirement that an electric current that could flow, for example in the case of a physical connection, via electronics housing to ground or earth, must not exceed a maximum permissible maximum value. For example, if the electrical device is connected to 250 V, this maximum permissible value is 10 mA. If these requirements are met, the device meets at least the requirements of protection class 11, ie it is an electrical device with protective insulation. To realize these requirements, it is therefore necessary that the housing of the electrical device is sufficiently isolated from all live parts of the device. Such insulation is particularly necessary if it is a housing made of electrically conductive material, such as a metal. In addition, electronics housing, thus the device electronics placed therein, against penetration of moisture or foreign substances / body, esp. Dust, as well as from external contact to a sufficient extent to protect. The on the part of the respective electronics housing, not least also given the application and environmental conditions, to be met protection against ingress, such as by contact, foreign bodies or water, for example, based on in the German standards DIN EN 60529 respectively. DIN 40 050 defined protection types, z. B. "dust-proof or all-round splash water (IP54)" or "dust-proof or permanent immersion (IP68)", or classes or according to Industry standard NEMA 250 determinable.

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 europäischen Normen EN 60079-xx , den US-amerikanischen Normen FM36xx , der kanadischen Norm C22.2 , der internationale Norm IEC 60079-18 oder den Normen DIN EN 50 014 ff .In addition, electronic devices, including field devices that are to be operated in potentially explosive areas, must also meet very high safety requirements with regard to explosion protection. In this context, different types of protection are distinguished in explosion protection, which are also manifested in accordance with relevant standards and standards in relevant electrical equipment for hazardous areas, such. Tie European standards EN 60079-xx , the US standards FM36xx , of the Canadian standard C22.2 , of the International standard IEC 60079-18 or the Standards DIN EN 50 014 ff ,

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 WO 2008/006463 A1 ist darüber hinaus ein Messgerät bekannt, welches ein in das Gehäuse integriertes Solarmodul aufweist. Mit Hilfe des Solarmoduls kann Strom direkt am Ort des Messgeräts erzeugt werden und die autarke Stromversorgung des Messgeräts für viele Jahre sicherstellen.When using the field devices or the measuring devices in extensive outdoor facilities, such as pipelines, the external power supply of the measuring device via cables is difficult, since cables of enormous length would have to be laid over long distances. That's why batteries are used here. The disadvantage here, however, is that they only have a finite life and must be replaced. From the Scriptures WO 2008/006463 A1 In addition, a measuring device is known which has a solar module integrated in the housing. With the help of the solar module, power can be generated directly at the location of the measuring device and ensure the self-sufficient power supply of the measuring device for many years.

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 claim 1.

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
There are several options according to the principle of so-called. Energy Harvesting the energy-harvesting kinetic, chemical or potential energy forms, such. As heat, light radiation, vibration, vibrations, etc. to convert into an electrical energy form. There are, for example, the conversion options:
  • - 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 WO 2009/033214 A1 ist eine Methode zur Herstellung der neuartigen Farbstoffsolarzellen bekannt. Gegenüber herkömmlichen Siliziumsolarzellen sind Farbstoffsolarzellen kostengünstiger herstellbar, da die benötigten Materialien günstiger sind.When using the photoelectric effect in photovoltaics, light energy is made directly usable by the solar cell for electrical consumers. These solar cells may be applied as a coating directly on at least one outer surface of the transmitter housing. The advantages of the direct coating of partial elements of the measuring device compared to a separate attachment of a solar module are that on the one hand, the solar cells are an integral part of the meter and therefore are very stable, and on the other hand, the solar cells forming coating simultaneously provides corrosion protection of the housing. The anyway necessary coating of the housing with a weather-resistant material is replaced by the coating with the solar cells forming materials. The coating of the solar cell is applied as a foil or as a dye solar cell on the transmitter housing. The multilayer coating is essentially composed of electrode, counter electrode, catalyst, electrolyte and dye, which together form a dye solar cell (Grätzel cell). The basis of the dye solar cell forms the dye contained therein, which converts photons from solar radiation into free charge carriers. Such dyes are z. B. marketed by the company Dyesol. Among other things from the writing WO 2009/033214 A1 is a method for producing the novel dye solar cells known. Compared to conventional silicon solar cells dye solar cells are cheaper to produce, since the required materials are cheaper.

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:

1 ein Grenzstands-Messgerät mit einer erfindungsgemäßen im Transmittergehäuse integrierten Solarzelle als Energieversorgungseinheit; 1 a point level measuring device with a solar cell according to the invention integrated in the transmitter housing as an energy supply unit;

2 ein Analyse-Messgerät mit einem erfindungsgemäßen im Transmittergehäuse integrierten thermoelektrischem Wandler als Energieversorgungseinheit; 2 an analysis measuring device with a thermoelectric converter according to the invention integrated in the transmitter housing as a power supply unit;

3 ein Durchfluss-Messgerät mit einem erfindungsgemäßen im Sensorgehäuse integrierten Piezoelektrischem Wandler als Energieversorgungseinheit. 3 a flow meter with an inventive integrated in the sensor housing piezoelectric transducer as an energy supply unit.

In 1 ist ein Messgerät 1 zur Bestimmung des Grenzstands eines Mediums 3 in einem Behälter oder einer Rohrleitung dargestellt. Das hier dargestellte Messgerät 1 zur Grenzstandsmessung umfasst einen Sensorelement 4 welches auf einem vibronischen Messprinzip beruhend den Grenzstand bzw. Füllstand des Mediums 3 im Behälter oder in der Rohrleitung ermittelt. Dass Messgerät 1 weist ein in den Behälter ragendes Sensorelement 4 mit einem Sensorgehäuse 18, 18a und außerhalb des Behälters befindliches Transmittergehäuse 7, 7a, in welchem sich beispielsweise eine Regel-/Auswerteeinheit 5, eine Energieversorgungseinheit 6 und eine Energiespeichereinheit 19 befinden. Das Messgerät 1 ist mittels einem an der Fügestelle des Sensorgehäuses 18, 18a und des Transmittergehäuses 7, 7a vorgesehenen Gewindes an einem Behälter oder einer Rohrleitung befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist in das der Sonnenstrahlung ausgesetztes Transmittergehäuse 7, 7a des Messgeräts 1 eine Solarzelle 2, 2a als Energieerzeugungseinheit 14 integriert, welche die Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelt und der Energieversorgungseinheit 6 zumindest zur teilweise Versorgung des Messgeräts 1 mit der benötigten Energie zur Verfügung stellt. Die Solarzelle 2, 2a kann als eine Beschichtung 11 in mehreren Lagen unterschiedlicher Materialien derart auf dem Transmittergehäuse 7, 7a aufgebracht sein, so dass sich eine oder mehrere Farbstoffsolarzellen 13 bilden. Das Aufbringen der Schichten erfolgt mit dem Fachmann bekannten Methoden der Dünnfilmtechnik bzw. Solarzellenherstellung und wird hier nicht näher beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung von farbstoffhaltigen Solarzellen ist beispielsweise in der Schrift WO 2009/033214 A1 beschrieben. Desweiteren können die Solarzellen 2, 2a das Schauglas über der Anzeige-/Bedieneinheit 10 oder in diese selbst integriert sein, indem teiltransparente bzw. transparente Solarzellen 2a eingesetzt werden, die die Ansicht auf die Anzeige der Anzeige-/Bedieneinheit 10 ermöglichen. Die Solarzelle 2 kann auch als Folie 12 oder Farbstoffsolarzellen 13 bildenden Beschichtung 11 direkt auf die Außenfläche 9 des Sensorgehäuses 18, 18a und des Transmittergehäuses 7, 7a bilden und somit direkt in deren Gehäusewände 8 integriert sein. In dieser Ausgestaltung des Sensorgehäuses 18, 18a und des Transmittergehäuses 7, 7a wird die Energieerzeugungseinheit 14, insbesondere die Solarzelle 2, 2a direkt in das Schichtenverbundwerkstoff bzw. Laminate aus den verschiedenen Schichten integriert. Beim Schichtenverbundwerkstoff werden aus zumindest zwei oder mehreren flächigen Schichten aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien miteinander verklebt. Wird eine Solarzelle 2, 2a in eine Gehäusewand 8 eines Sensorgehäuses 18, 18a und/oder eines Transmittergehäuses 7, 7a in den Verbundwerkstoff eingeklebt, so wird eine zumindest teilweise transparente Schicht zur Abdeckung der aktiven Seite der Solarzelle verwenden, damit das einstrahlende Licht zur Solarzelle 2, 2a gelangen kann.In 1 is a measuring device 1 for determining the limit level of a medium 3 represented in a container or a pipeline. The measuring device shown here 1 for limit level measurement comprises a sensor element 4 which based on a vibronic measuring principle based on the level or level of the medium 3 determined in the container or in the pipeline. That meter 1 has a sensor element projecting into the container 4 with a sensor housing 18 . 18a and outside the container located transmitter housing 7 . 7a in which, for example, a control / evaluation unit 5 , a power supply unit 6 and an energy storage unit 19 are located. The measuring device 1 is by means of a at the joint of the sensor housing 18 . 18a and the transmitter housing 7 . 7a provided thread attached to a container or a pipe. In this embodiment, the transmitter is exposed to the sun radiation 7 . 7a of the meter 1 a solar cell 2 . 2a as an energy production unit 14 integrated, which converts the radiant energy into electrical energy and the power supply unit 6 at least for partial supply of the measuring device 1 with the energy needed. The solar cell 2 . 2a can as a coating 11 in multiple layers of different materials such on the transmitter housing 7 . 7a be applied so that one or more dye solar cells 13 form. The layers are applied using methods of thin-film technology or solar cell production known to those skilled in the art and will not be described in more detail here. A process for the preparation of dye-containing solar cells is for example in the document WO 2009/033214 A1 described. Furthermore, the solar cells 2 . 2a the sight glass above the display / control unit 10 or be integrated into them by partially transparent or transparent solar cells 2a be used, which is the view on the display of the display / control unit 10 enable. The solar cell 2 Can also be used as a foil 12 or dye solar cells 13 forming coating 11 directly on the outer surface 9 of the sensor housing 18 . 18a and the transmitter housing 7 . 7a form and thus directly in the housing walls 8th be integrated. In this embodiment of the sensor housing 18 . 18a and the transmitter housing 7 . 7a becomes the power generation unit 14 , in particular the solar cell 2 . 2a integrated directly into the layer composite material or laminates of the different layers. In the case of the layered composite material, at least two or more laminar layers of the same or different materials are bonded together. Becomes a solar cell 2 . 2a in a housing wall 8th one sensor housing 18 . 18a and / or a transmitter housing 7 . 7a glued into the composite material, so at least partially transparent layer to cover the active side of the solar cell use, so that the incident light to the solar cell 2 . 2a can get.

Durch eine im Transmittergehäuse 7, 7a integrierte Energiespeichereinheit 19 ist es möglich, dass das Messgerät 1 auch nachts oder bei geringer Sonneneinstrahlung mit der benötigten Energie versorgt werden kann. Die Energieversorgungseinheit 6 regelt die Energieversorgung des Messgeräts 1, indem bei guter Energiezufuhr durch die äußeren Umwelteinflüsse, z. B: Sonneneinstrahlung, auf die Solarzelle 2, 2a als Energieerzeugungseinheit 14 die zum Betrieb des Messgeräts 1 überschüssige Energie in der Energiespeichereinheit 19 zwischen gespeichert wird. Fällt die Energieerzeugung unter eine vorgebestimmte Grenze, welche zur Versorgung des Messgeräts 1 zwingend notwendig ist, so greift die Energieversorgungseinheit 6 auf in dieser Energiespeichereinheit 19 gespeicherte Energie zurück.Through one in the transmitter housing 7 . 7a integrated energy storage unit 19 is it possible for the meter 1 Also at night or in low sunlight with the required energy can be supplied. The power supply unit 6 regulates the power supply of the measuring device 1 by with good energy through the external environmental factors, eg. B: Sunlight, on the solar cell 2 . 2a as an energy production unit 14 the operation of the meter 1 excess energy in the energy storage unit 19 is stored between. If the power generation falls below a predetermined limit, which is to supply the meter 1 is absolutely necessary, so engages the power supply unit 6 on in this energy storage unit 19 stored energy back.

Bei der Auslegung des Messgeräts 1, insbesonderen der Energiespeichereinheit 19 und der Energieversorgungseinheit 14 ist darauf zu achten dass diese den sehr hohen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes genügen. Dabei geht es im Besonderen darum, die Bildung von Funken sicher zu vermeiden oder zumindest sicherzustellen, dass ein im Inneren eines abgeschlossenen Raumes allfällig entstehender Funke keine Auswirkungen auf die Umgebung hat, um so die eine potentiell mögliche Auslösung einer Explosion sicher zu verhindern. Wie beispielsweise auch in der US-B 63 66 436 oder der US-B 65 56 447 hierzu oder zuvor ausgeführt, werden im Zusammenhang mit 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 europäischen Normen EN 60079-xx , den US-amerikanischen Normen FM36xx , der kanadischen Norm C22.2 , der internationale Norm IEC 60079-18 oder den Normen DIN EN 50 014 ff . So ist z. B. gemäß der Europäischen Norm EN 60079-11:2007 Explosionsschutz gegeben, wenn elektronische Messgeräte 1 gemäß der darin definierten Zündschutzart oder auch Schutzklasse mit dem Namen ”Eigensicherheit” (Ex-i) ausgebildet sind. Gemäß dieser Schutzklasse haben die Werte für die elektrischen Größen Strom, Spannung und Leistung in einem elektronischen Messgerät 1 zu jeder Zeit jeweils unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes zu liegen. Die drei Grenzwerte sind so gewählt, dass im Fehlerfall, z. B. durch einen Kurzschluss, die maximal entstehende Wärme nicht ausreicht, um einen Zündfunken zu erzeugen. Der Strom wird z. B. durch Widerstände, die Spannung z. B. durch Zener-Dioden und die Leistung durch entsprechende Kombination von strom- und spannungsbegrenzenden Bauteilen unter den vorgegebenen Grenzwerten gehalten. In der Europäischen Norm EN 60079-7:2007 ist eine weitere Schutzklasse mit dem Namen ”Erhöhte Sicherheit” (Ex-e) angegeben. Bei elektronischen Messgeräten 1, die gemäß dieser Schutzklasse ausgebildet sind, wird der Zünd- bzw. Explosionsschutz dadurch erzielt, dass die räumlichen Abstände zwischen zwei verschiedenen elektrischen Potentialen so groß sind, dass eine Funkenbildung auch im Fehlerfall aufgrund der Distanz nicht auftreten kann. Dies kann jedoch unter Umständen dazu führen, dass Schaltungsanordnungen sehr große Abmessungen aufweisen müssen, um diesen Anforderungen zu genügen. Als eine andere Schutzklasse ist in der Europäischen Norm EN 60079-1:2007 ferner die Zündschutzart ”Druckfeste Kapselung” (Ex-d) aufgeführt. Hierzu müssen Elektronische Messgeräte bzw. Feldgeräte 1 die gemäß dieser Schutzklasse ausgebildet sind, müssen ein druckfestes Transmittergehäuse 7, 7a und/oder Sensorgehäuse 18, 18a aufweisen, durch das sichergestellt ist, dass eine im Inneren dieser Gehäuses 7, 7a, 18, 18a auftretende Explosion nicht in den Außenraum übertragen werden kann. Druckfeste Gehäuse 7, 7a, 18, 18a sind, damit sie eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, vergleichsweise dickwandig ausgebildet. Erfindungsgemäß sind in diese dicken Gehäusewände 8 des Transmittergehäuses 7, 7a oder Sensorgehäuses 18, 18a als statische und/oder verstärkende Konstruktionselemente die Energieversorgungseinheiten 14 integriert. Diese Energieversorgungseinheiten 14 können bei einem Kunststoff-Transmittergehäuses 7a und/oder Kunststoff-Sensorgehäuses 18a beispielsweise mittels einem Spritzgussverfahren direkt von dem Kunststoff-Material des Kunststoff-Transmittergehäuses 7a oder Kunststoff-Sensorgehäuses 18a umschlossen werden und somit abdichtend, druckfest gekapselt werden. Eine entsprechende Norm zur Vergusskapselung (Ex-m) ist beispielsweise in der EN 60079-18:2004 manifestiert. Dabei handelt es sich um eine Zündschutzart, bei der Bauteile und/oder Baugruppen des elektronischen Geräts, die eine explosionsfähige Atmosphäre durch Funken oder durch Erwärmung potentiell zünden könnten, in eine zumeist Elastomere und/oder geschäumte Einbettmasse aus Kunststoff eingekapselt sind, dass ein Kontakt zur explosionsgefährdeten Atmosphäre weitgehend ausgeschlossen und so eine Entzündung unterbunden werden kann. In den USA, in Kanada, in Japan und anderen Ländern gibt es mit vorgenannten Europäischen Normen vergleichbare Standards, etwa FM3600, FM3610 bzw. C22.2 No. 157 etc..When designing the meter 1 , in particular the energy storage unit 19 and the power supply unit 14 make sure that they meet the very high safety requirements with regard to explosion protection. In particular, it is important to avoid the formation of sparks, or at least to ensure that any spark generated inside a confined space has no effect on the environment, so as to reliably prevent the potentially possible triggering of an explosion. As for example in the US-B 63 66 436 or the US-B 65 56 447 this or previously stated, different types of protection are distinguished in connection with explosion protection, which are also manifested in accordance with relevant standards and standards in relevant electrical equipment for hazardous areas, such. Tie European standards EN 60079-xx , the US standards FM36xx , of the Canadian standard C22.2 , of the International standard IEC 60079-18 or the Standards DIN EN 50 014 ff , So z. B. according to the European standard EN 60079-11: 2007 Explosion protection given when electronic gauges 1 are formed according to the type of protection defined therein or protection class with the name "intrinsic safety" (Ex-i). According to this protection class, the values for the electrical quantities have current, voltage and power in an electronic measuring device 1 each time below a given limit to lie. The three limits are chosen so that in case of error, z. B. by a short circuit, the maximum amount of heat is insufficient to generate a spark. The current is z. B. by resistors, the voltage z. B. by zener diodes and the power by appropriate combination of current and voltage-limiting components below the specified limits. In the European standard EN 60079-7: 2007 Another class of protection is named "Increased Safety" (Ex-e). For electronic measuring devices 1 , which are designed according to this class of protection, the ignition or explosion protection is achieved in that the spatial distances between two different electrical potentials are so large that a spark can not occur even in case of error due to the distance. However, under certain circumstances, this can mean that circuit arrangements must have very large dimensions in order to meet these requirements. As another protection class is in the European standard EN 60079-1: 2007 Furthermore, the type of protection "Flameproof Enclosure" (Ex-d) is listed. For this purpose, electronic measuring devices or field devices must 1 which are designed according to this class of protection must have a pressure-resistant transmitter housing 7 . 7a and / or sensor housing 18 . 18a by which it is ensured that one inside this housing 7 . 7a . 18 . 18a occurring explosion can not be transferred to the outside space. Pressure-resistant housing 7 . 7a . 18 . 18a are, so they have sufficient mechanical strength, formed comparatively thick-walled. According to the invention are in these thick housing walls 8th of the transmitter housing 7 . 7a or sensor housing 18 . 18a as static and / or reinforcing construction elements, the energy supply units 14 integrated. These power supply units 14 can at a plastic transmitter housing 7a and / or plastic sensor housing 18a for example, by means of an injection molding process directly from the plastic material of the plastic transmitter housing 7a or plastic sensor housing 18a be enclosed and thus sealed, pressure-tight encapsulated. A corresponding standard for Vergusskapselung (Ex-m) is for example in the EN 60079-18: 2004 manifests. This is a type of protection in which components and / or assemblies of the electronic device, which could potentially ignite an explosive atmosphere by sparks or by heating, are encapsulated in a mostly elastomers and / or foamed plastic investment that contact with the explosive atmosphere largely excluded and so inflammation can be prevented. In the USA, in Canada, in Japan and other countries there are with the aforementioned European standards comparable standards, such as FM3600, FM3610 or C22.2 no. 157 Etc..

2 offenbart ein Messgerät 1 zur Analyse der Stoffkonzentration und/oder Stoffeigenschaften in einem Medium 3. Hierzu weist das Sensorelement 4 je nach zu ermittelnder Messgröße als Analysator, pH-Sensor, Leitfähigkeitssensor, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensor, spektrometerischer Sensor, und/oder ionenselektive Elektrode ausgebildet. Auf die einzelnen Messverfahren wird in dieser Anmeldung nicht weiter eingegangen. 2 discloses a measuring device 1 for the analysis of the substance concentration and / or material properties in a medium 3 , For this purpose, the sensor element 4 depending on the measured variable to be determined as Analyzer, pH sensor, conductivity sensor, oxygen and active oxygen sensor, spectrometric sensor, and / or ion-selective electrode formed. The individual measuring methods will not be discussed further in this application.

Die Energieerzeugungseinheit 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel in das Transmittergehäuse 7, 7a als Thermoelektrisches Wandler-Element 15, welches den Temperaturunterschied der Außenfläche 9 der Gehäusewand 8 zum Innenraum zur Energieerzeugung nutzt, integriert. Der Temperaturunterschied erfolgt hierbei beispielsweise durch eine Wärmeeinstrahlung ϑ, die zumindest die Außenfläche 9 des Transmittergehäuses 7, 7a entsprechen erwärmt oder eine Kühlung derselben.The power generation unit 14 is in this embodiment in the transmitter housing 7 . 7a as a thermoelectric transducer element 15 , which determines the temperature difference of the outer surface 9 the housing wall 8th integrated into the interior for generating energy. The temperature difference is in this case for example by a heat radiation θ, at least the outer surface 9 of the transmitter housing 7 . 7a correspond heated or cooling the same.

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 14 auch als piezoelektrisches Wandler-Element 16 oder induktives Wandler-Element 17 ausgestaltet sein, welches die auf das Transmittergehäuse 7, 7a des Messgeräts 1 einwirkende mechanische Schwingungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Hierzu können an dem Transmittergehäuse 7, 7a zusätzlich noch schwingfähige Federelemente ausgestaltet sein, die diese Schwingungsenergie direkt oder verstärkt auf das piezoelektrische Wandler-Element 16 oder das induktive Wandler-Element 17 übertragen.An electrothermal transducer, in particular a Peltier element, uses the movement of charge carriers within a temperature gradient to convert this thermal energy into electrical energy. Additionally or alternatively, the power generation unit 14 also as a piezoelectric transducer element 16 or inductive transducer element 17 be configured, which on the transmitter housing 7 . 7a of the meter 1 acting mechanical vibration energy converts into electrical energy. For this purpose, on the transmitter housing 7 . 7a additionally be designed swingable spring elements that this vibration energy directly or amplified on the piezoelectric transducer element 16 or the inductive transducer element 17 transfer.

In 3 ist ein Coriolis-Durchflussmessgerät der Anmelderin dargestellt. Dieses Messgerät 1 ist ein Beispiel für ein Messgerät 1, bei dem die Energieerzeugungseinheit 14 auch direkt in dem Sensorgehäuse 18, 18a intergiert sein kann. Es ist ebenfalls möglich, nur das für die Messung sensitive Rohrelement 41 mit der Beschichtung 2 zu versehen. Ähnlich dem hier dargestellten Coriolis-Durchflussmessgerät können auch die Sensorgehäuse 18, 18a magnetisch-induktiver Durchflussmessgeräte oder auf dem Vortex-Prinzip basierender Durchflussmessgeräte oder die Hornantennen von Radar-Füllstandsmessgeräten usw. mit der der erfindungsgemäßen ins Gehäusematerial integrierten Energieerzeugungseinheit 14 ausgestaltet sein.In 3 is shown a Coriolis flowmeter of the applicant. This meter 1 is an example of a measuring device 1 in which the power generation unit 14 also directly in the sensor housing 18 . 18a can be integrated. It is also possible, only the pipe element sensitive to the measurement 41 with the coating 2 to provide. Similar to the Coriolis flowmeter shown here, the sensor housing 18 . 18a electromagnetic flowmeters or vortex-based flowmeters or the horn antennas of radar level gauges, etc., with the power unit of the present invention integrated into the housing material 14 be designed.

Diese Ausgestaltung der Energieerzeugungseinheit 14 in dem Sensorgehäuse 18, 18a hat den Vorteil, dass die Vibrationsenergie und Wärmeenergie aus dem Prozess bzw. dem Medium 3 besser ausgenutzt werden können.This embodiment of the power generation unit 14 in the sensor housing 18 . 18a has the advantage that the vibration energy and heat energy from the process or the medium 3 can be better exploited.

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
1818
Sensorgehäusesensor housing
18a18a
Kunststoff-SensorgehäusePlastic sensor housing
1919
EnergiespeichereinheitEnergy storage unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Vorrichtung (1) der Prozessautomatisierung zur Bestimmung oder zur Überwachung zumindest einer physikalischen, biologischen oder chemischen Prozessmessgröße eines Mediums (3), bestehend aus zumindest einem Sensorelement (4), aus zumindest einer Regel-/Auswerteeinheit (5), die die mit dem Sensorelement (4) gemessene Prozessmessgröße ermittelt und zumindest als ein Messwert der Prozessmessgröße ausgibt und zumindest einer Energieerzeugungseinheit (14) die zumindest teilweise die Regel-/Auswerteeinheit (5) und zumindest teilweise das Sensorelement (4) mit der zum Betrieb benötigten Energie versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Energieerzeugungseinheit (14) integraler Bestandteil eines Transmittergehäuses (7, 7a) und/oder eines Sensorgehäuses (18, 18a) ist.Contraption ( 1 ) of process automation for determining or monitoring at least one physical, biological or chemical process variable of a medium ( 3 ), consisting of at least one sensor element ( 4 ), at least one control / evaluation unit ( 5 ) connected to the sensor element ( 4 ) measured process value and outputs at least as a measured value of the process variable and at least one power generation unit ( 14 ) which, at least in part, the control / evaluation unit ( 5 ) and at least partially the sensor element ( 4 ) supplied with the energy required for operation, characterized in that at least the power generation unit ( 14 ) integral part of a transmitter housing ( 7 . 7a ) and / or a sensor housing ( 18 . 18a ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinheit (14) in zumindest einer Gehäusewand (8) des Transmittergehäuses (7, 7a) und/oder des Sensorgehäuses (18, 18a) als ein tragendes Konstruktionselement integriert ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the power generation unit ( 14 ) in at least one housing wall ( 8th ) of the transmitter housing ( 7 . 7a ) and / or the sensor housing ( 18 . 18a ) is integrated as a supporting structural element. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinheit (14) in die mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellte Gehäusewand (8) des Kunststoff-Transmittergehäuses (7a) und/oder des Kunststoff-Sensorgehäuses (18a) integriert ist.Device according to claim 2, characterized in that the power generation unit ( 14 ) in the housing wall produced by an injection molding process ( 8th ) of the plastic transmitter housing ( 7a ) and / or the plastic sensor housing ( 18a ) is integrated. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinheit (14) mit einer im Transmittergehäuse (7, 7a) befindlichen Energieversorgungseinheit (6) elektrisch verbunden ist und dass die Energieerzeugungseinheit (14) die Vorrichtung (1) zumindest teilweise mit der zum Betrieb benötigten Energie versorgt.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the power generation unit ( 14 ) with a in the transmitter housing ( 7 . 7a ) power supply unit ( 6 ) and that the power generation unit ( 14 ) the device ( 1 ) at least partially supplied with the energy required for operation. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiespeichereinheit (19) im Transmittergehäuse (7, 7a) vorgesehen ist, die die von der Energieerzeugungseinheit (14) erzeugte Energie zwischenspeichert.Apparatus according to claim 4, characterized in that an energy storage unit ( 19 ) in the transmitter housing ( 7 . 7a ) provided by the power generation unit ( 14 ) cached energy. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinheit (14) als zumindest eine Solarzelle (2, 2a), zumindest ein thermoelektrisches Wandler-Element (15), zumindest ein piezoelektrische Elemente (16) und/oder zumindest ein induktives Wandler-Element (17) ausgestaltet ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the power generation unit ( 14 ) as at least one solar cell ( 2 . 2a ), at least one thermoelectric transducer element ( 15 ), at least one piezoelectric element ( 16 ) and / or at least one inductive transducer element ( 17 ) is configured. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (2, 2a) als eine Beschichtung (11) auf zumindest einer Außenfläche des Transmittergehäuses (7, 7a) aufgebracht ist.Apparatus according to claim 6, characterized in that the solar cell ( 2 . 2a ) as a coating ( 11 ) on at least one outer surface of the transmitter housing ( 7 . 7a ) is applied. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) der Solarzelle (2, 2a) als Folie (12) oder als Farbstoffsolarzelle (13) auf dem Transmittergehäuse (7, 7a) ausgestaltet ist.Device according to claim 7, characterized in that the coating ( 11 ) of the solar cell ( 2 . 2a ) as a foil ( 12 ) or as dye solar cell ( 13 ) on the transmitter housing ( 7 . 7a ) is configured. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeige-/Bedieneinheit (10) in dem Transmittergehäuse (7, 7a) angeordnet ist und dass die Solarzelle (2a) aus dem teilweise transparenten Material als Schauglas über der Anzeige-/Bedieneinheit (10) angeordnet ist.Apparatus according to claim 8, characterized in that a display / operating unit ( 10 ) in the transmitter housing ( 7 . 7a ) and that the solar cell ( 2a ) made of the partially transparent material as a sight glass above the display / control unit ( 10 ) is arranged. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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 (3) handelt.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that it is in the process variable in particular the 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 ( 3 ).
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