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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zur Temperaturüberwachung sowie zur Temperaturkompensation eines Ultraschallsensors. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung enthaltend die Sensoreinheit sowie den Ultraschallsensor.
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Mit einem Ultraschallsensor ist es möglich, einen Füllstand in einem Behälter zu messen. Bei diesem Messverfahren zum Erfassen der Füllhöhe sendet der Ultraschallsensor Signale aus, die von dem Inhalt bzw. von dem Boden des Behälters als Echosignale reflektiert werden. Über die Schalllaufzeit dieser Echosignale wird der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und dem Inhalt bzw. der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und dem Boden des Behälters bestimmt.
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Die Schalllaufzeit innerhalb der Messstrecke ist jedoch von der Temperatur abhängig. Der Messfehler steigt dabei mit 0,17 % pro Kelvin an. Ferner ist die Empfindlichkeit der Messung von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängig, weil mit steigender Luftfeuchtigkeit der Ultraschall gedämpft wird.
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Um diese Messfehler zu kompensieren, kann ein Temperatursensor und ein Luftfeuchtigkeitssensor in der Messstrecke platziert werden, der über eine Leitung mit dem Ultraschallsensor verbunden ist. Über diese Leitung wird der Temperatursensor auch mit Strom versorgt.
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In
DE 19836611 A1 wird ein Verfahren zur Temperaturkompensation bei einer Ultraschall-Abstandsmessung mit einem Ultraschall-Näherungsschalter unter Berücksichtigung des Einflusses der Temperatur im schallübertragenen Medium beschrieben. Mittels eines Temperaturfühlers im Näherungsschalter wird der zeitliche Verlauf der sich durch betriebsbedingte Erwärmung im Näherungsschalter erhöhenden Temperatur erfasst. Zu definierten Zeitpunkten gehörige Temperatur-Einzelwerte des Temperaturverlaufs werden durch im Näherungsschalter abgespeicherte Temperaturwerte eines die Eigenerwärmung im Näherungsschalter wiedergebenden Temperaturverlaufs korrigiert.
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Bei dieser Anordnung kommt es aufgrund der Stromversorgung über die Leitung zu einer Eigenerwärmung des Temperatursensors. Diese Eigenerwärmung führt letztendlich zu einer Verfälschung der vom Temperatursensor gemessenen Temperatur und folglich zu Messfehlern bei der Ermittlung der Schalllaufzeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung bereitzustellen, bei dem die Schalllaufzeit ermittelt werden kann, ohne dass Messfehler aufgrund von einer Eigenerwärmung des Temperatursensors auftreten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft somit eine Sensoreinheit zur Temperaturüberwachung sowie zur Temperaturkompensation eines Ultraschallsensors, wobei der Ultraschallsensor über eine HF-Schnittstelle (Hochfrequenz-Schnittstelle) mit der drahtlosen Sensoreinheit verbunden ist. Mit dieser Sensoreinheit wird somit die Umgebungstemperatur gemessen, also die Temperatur, die in dem Bereich herrscht, in dem die Ultraschallmessungen durchgeführt werden.
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Vorteilhaft bei dieser HF-Schnittstelle ist, dass nicht nur die Energie über diese HF-Schnittstelle übertragen wird, sondern dass auch Daten, zum Beispiel Daten über die von der Sensoreinheit gemessenen Temperaturen, über die HF-Schnittstelle an den Ultraschallsensor übertragen werden. Da die Sensoreinheit die Energie über die HF-Schnittstelle erhält, ist es nicht notwendig, die Sensoreinheit mit einer eigenen Energiequelle, zum Beispiel einer Batterie, zu bestücken. Auch muss kein Kabel zur Energie- sowie zur Datenübertragung vorgesehen werden, das den Ultraschallsensor mit der Sensoreinheit verbindet. Dadurch ist die Sensoreinheit praktisch wartungsfrei. Ein weiterer Vorteil bei dieser Anordnung, aufweisend den Ultraschallsensor und die Sensoreinheit, ist, dass es durch die drahtlose Anbindung der Sensoreinheit an den Ultraschallsensor zu keiner Eigenerwärmung kommt, weil die Sensoreinheit weder eine eigene Energiequelle aufweist noch über ein Stromkabel mit Energie versorgt wird, wodurch die Sensoreinheit aufgeheizt werden könnte. Dadurch misst die Sensoreinheit nur die Temperatur, die tatsächlich herrscht. Es kommt somit zu keiner Verfälschung der gemessenen Temperatur durch Eigenerwärmung der Sensoreinheit.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der HF-Schnittstelle um eine NFC-Schnittstelle (Nahkommunikationsschnittstelle). Dadurch kann die Anordnung sehr kompakt aufgebaut werden, da die Sensoreinheit sehr nah an dem Ultraschallsensor angeordnet werden kann.
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Die Sensoreinheit wird vorteilhafterweise über die HF-Schnittstelle mit Energie versorgt, so dass die Sensoreinheit keine eigene Spannungsversorgung aufweisen muss. Dazu ist in dem Ultraschallsensor eine Batterie vorgesehen, die die Energie für die Sensoreinheit liefert.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Sensoreinheit abgekapselt aufgebaut werden kann, weil keine Zuleitungen, zum Beispiel Kabel, erforderlich sind, die den Ultraschallsensor mit der Sensoreinheit verbinden.
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In der Sensoreinheit ist ein EEPROM (englische Abkürzung für: electrically erasable programmable read-only memory = elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher) vorgesehen.
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Mit diesem nichtflüchtigen, elektronischen Speicherbaustein können Temperaturverläufe abgespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder elektrisch gelöscht werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Temperaturdaten, die nicht mehr benötigt werden, gelöscht werden können. Dadurch benötigt die Speichereinheit keine große Speicherkapazität. Bei der Speicherung von Temperaturwerten können maximale Temperaturen erfasst werden, die als Alarmwerte ausgeben werden können. Die erfasste Umgebungstemperatur kann nicht nur für die Kompensation im Ultraschallsensor verwendet werden, sondern kann bei Ultraschallsensoren mit einer Feldbusschnittstelle auch als Information zur Prozessüberwachung an eine externe Steuerung gemeldet werden. Dadurch können Temperaturfühler mit eigener Anbindung zur Steuerung ersetzt werden, damit kann auch ein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand eingespart werden.
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Die erfasste Umgebungstemperatur wird nicht nur für die Kompensation im Ultraschallsensor verwendet sondern wird bei Ultraschallsensoren mit einer Feldbusschnittstelle auch als Information zur Prozessüberwachung an eine externe Steuerung gemeldet.
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Ferner umfasst die Sensoreinheit einen Analog/Digitalwandler (A/D-Wandler), mit dem weitere Sensorsignale eingelesen werden können. Diese Sensorsignale werden von externen Sensoren erhalten. Bei diesen Sensoren kann es sich beispielsweise um einen Lagesensor sowie um einen Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit handeln. Durch den Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit kann eine Temperatur ermittelt werden, die unabhängig von äußeren Einflüssen – wie zum Beispiel der Luftfeuchtigkeit – ist. Durch die Erfassung dieser Umweltsignale, wie zum Beispiel Temperatur und Luftfeuchtigkeit, ist die Genauigkeit des Ultraschallsensors unabhängig vom Einschaltzeitpunkt sowie vom wechselnden Analog- oder Laststrom. Über den Lagesensor können gezielt Ultraschallmessungen durchgeführt werden, die abhängig von der Applikation, eine Reduzierung des Energieverbrauchs über eine bestimmte Zeit ermöglichen.
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Vorteilhafterweise weist die Sensoreinheit eine Echtzeituhr auf, mit der ein Temperaturverlauf online verfolgbar ist. Dadurch kann zu jedem Zeitpunkt die exakte Temperatur bestimmt werden.
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Vorzugsweise ist in der Sensoreinheit ein interner Temperatursensor enthalten ist, mit dem die Temperatur der Sensoreinheit, d.h. die Gerätetemperatur, ermittelbar ist. Diese gemessene Gerätetemperatur fließt mit in die von der Sensoreinheit gemessenen Temperatur ein, wodurch noch genauere Temperaturdaten erhalten werden.
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Die Anordnung, aufweisend den Ultraschallsensor sowie die Sensoreinheit, kann dabei in einem Inneren eines Behälters angebracht werden, wodurch eine Füllhöhe, d. h. ein Füllstand, des Behälters mittels des Ultraschallsensors gemessen werden kann. Dabei können sehr exakte Werte für den Füllstand erhalten werden, weil äußere Faktoren, beispielsweise die Temperatur oder die Luftfeuchtigkeit bei der Messung mit berücksichtigt sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung enthaltend eine Sensoreinheit zur Temperaturüberwachung sowie zur Temperaturkompensation eines Ultraschallsensors sowie den Ultraschallsensor, wobei der Ultraschallsensor über eine HF-Schnittstelle mit der drahtlosen Sensoreinheit verbunden ist. Vorteilhaft ist, wenn der Ultraschallsensor sowie die Sensoreinheit aufeinander abgestimmt sind. Der Ultraschallsensor liefert dazu beispielsweise ein eindeutiges Identifikationssignal, welches vorzugsweise von seiner Seriennummer abhängig (d.h. Typ-abhängig) ist. Durch das Identifikationssignal wird ein Manipulationsschutz erzielt. Dies trägt zu einer Datenkonsistenz bei, weil diese Sensoreinheit Daten nur an diesen bestimmten Ultraschallsensor liefert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau einer Anordnung enthaltend eine Sensoreinheit zur Temperaturüberwachung sowie zur Temperaturkompensation eines Ultraschallsensors und
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2 die Anordnung gemäß 1 im Inneren eines Behälters.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Anordnung 1 enthaltend einen Ultraschallsensor 2 sowie eine Sensoreinheit 3. Die Sensoreinheit 3 dient zur Temperaturüberwachung sowie zur Temperaturkompensation des Ultraschallsensors 2. Mit dieser Sensoreinheit 3 wird also die Umgebungstemperatur gemessen, also die Temperatur, die in dem Bereich herrscht, in dem die Ultraschallmessungen durchgeführt werden. Es handelt sich somit bei der Sensoreinheit um einen Temperatursensor zur Messung der Umgebungstemperatur. Diese Anordnung 1 kann in einem Inneren eines Behälters (nicht dargestellt) angebracht werden, so dass eine Füllhöhe, d. h. ein Füllstand, in dem Behälter mittels des Ultraschallsensors 2 ermittelt werden kann. Der Ultraschallsensor 2 ist über eine HF-Schnittstelle 4 (Hochfrequenz-Schnittstelle) mit der Sensoreinheit 3 verbunden, wobei die Sensoreinheit 3 einen internen Temperatursensor 5 enthält. Mit diesem internen Temperatursensor 5 kann die Innentemperatur der Sensoreinheit 3, d.h. die Gerätetemperatur der Sensoreinheit 3, überwacht werden. Diese gemessene Gerätetemperatur fließt dabei mit in die von der Sensoreinheit 3 gemessenen Temperatur ein, wodurch noch genauere Temperaturdaten erhalten werden, die dann über die HF-Schnittstelle 4 an den Ultraschallsensor 2 übermittelt werden. Diese Temperaturdaten werden von dem Ultraschallsensor 2 bei den Ultraschallmessungen berücksichtigt, so dass die Füllhöhe sehr exakt bestimmt werden kann.
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An der Sensoreinheit 3 ist eine Antenne 6 angebracht, wobei diese Antenne 6 sowohl als Sender als auch als Empfänger fungiert. So wird zum einen von dem Ultraschallsensors 2 Energie über die HF-Schnittstelle 4 an die Sensoreinheit 3 übertragen. Zum anderen werden über die von der Sensoreinheit 3 gemessenen Temperaturen über die HF-Schnittstelle 4 an den Ultraschallsensor 2 übermittelt. Zu diesem Zweck kann auch der Ultraschallsensor 2 eine Antenne aufweisen, die in der 1 jedoch nicht gezeigt ist. Die Energie liefert dabei eine Batterie (nicht gezeigt), die in dem Ultraschallsensor vorgesehen ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der HF-Schnittstelle 4 um eine NFC-Schnittstelle (Nahkommunikationsschnittstelle). Dadurch kann die Anordnung 1 sehr kompakt aufgebaut werden, weil die Sensoreinheit 3 sehr nah am Ultraschallsensor 2 angeordnet werden kann.
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Da die Sensoreinheit 3 die Energie über die HF-Schnittstelle 4 erhält, ist es nicht erforderlich, die Sensoreinheit 3 mit einer eigenen Energiequelle, zum Beispiel einer Batterie, auszurüsten. Bei der Sensoreinheit 3 handelt es sich daher um einen passiven Sensor Tag. Dadurch ist die Sensoreinheit 3 praktisch wartungsfrei. Ein weiterer Vorteil bei dieser Anordnung 1 besteht darin, dass es durch die kabellose Anbindung der Sensoreinheit 3 an den Ultraschallsensor 2 zu keiner Eigenerwärmung kommt. So weist die Sensoreinheit 3 keine eigene Energiequelle auf und wird auch nicht über ein Stromkabel mit Energie versorgt, wodurch die die Sensoreinheit 3 aufgeheizt werden könnte. Dadurch misst die Sensoreinheit 3 nur die Temperatur, die tatsächlich herrscht. Es kommt somit zu keiner Verfälschung der gemessenen Temperaturen durch Eigenerwärmung der Sensoreinheit 3.
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Da die Energiezufuhr bzw. der Datenaustausch über die HF-Schnittstelle 4 erfolgt, kann die Sensoreinheit 3 abgekapselt aufgebaut werden, weil diese nicht über Zuleitungen, wie zum Beispiel über Kabel, mit dem Ultraschallsensor 2 verbunden ist.
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Die HF-Schnittstelle 4 ist dabei konfigurierbar, so dass die HF-Schnittstelle 4 abhängig von dem Bedarf, d.h. bei einer bestimmten Applikation, aktiviert werden kann. Der Ultraschallsensor 2 liefert dazu ein eindeutiges Identifikationssignal, welches vorzugsweise von seiner Seriennummer abhängig, d.h. Typ-abhängig, ist. Durch das Identifikationssignal wird ein Manipulationsschutz erzielt. Dies trägt zu einer Datenkonsistenz bei, weil diese Sensoreinheit 3 Daten nur an diesen bestimmten Ultraschallsensor 2 liefert.
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In der Sensoreinheit 3 ist zudem ein EEPROM 7 (englische Abkürzung für electrically erasable programmable read-only memory = elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher) vorgesehen.
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Mit diesem nichtflüchtigen, elektronischen Speicherbaustein können Temperaturverläufe abgespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder elektrisch gelöscht werden. Der EEPROM 7 hat den Vorteil, dass die Temperaturdaten, die nicht mehr benötigt werden, gelöscht werden können. Dadurch benötigt die Speichereinheit keine große Speicherkapazität.
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Damit jedoch solche Temperaturverläufe aufgezeichnet werden können, weist die Sensoreinheit 3 eine Echtzeituhr 8 auf, mit der Temperaturverläufe auch online verfolgbar und aufzeichenbar sind. Mit der Echtzeituhr 8 kann somit zu jedem Zeitpunkt die exakte Temperatur bestimmt werden.
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Vorzugsweise weist die Sensoreinheit 3 einen Analog/Digitalwandler 9 (A/D-Wandler) auf, mit dem weitere Sensorsignale eingelesen werden können. Diese Sensorsignale werden von externen Sensoren 10, 11 erhalten. Bei diesen Sensoren 10, 11 kann es sich beispielsweise um einen Lagesensor und um einen Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit handeln. Mittels des Lagesensors können Bewegungen registriert werden, beispielsweise wenn ein Behälter, in dem die Anordnung 1 untergebracht ist, bewegt wird. Durch den Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit kann eine Temperatur ermittelt werden, die unabhängig von äußeren Einflüssen – wie zum Beispiel der Luftfeuchtigkeit – ist. Durch die Erfassung dieser Umweltsignale, wie zum Beispiel Temperatur und Luftfeuchtigkeit, ist die Genauigkeit des Ultraschallsensors vom Einschaltzeitpunkt sowie vom wechselnden Analog- oder Laststrom unabhängig. Über den Lagesensor können daher gezielt Ultraschallmessungen durchgeführt werden, die abhängig von der Applikation, eine Reduzierung des Energieverbrauchs über eine bestimmte Zeit ermöglichen. Die Reduzierung des Energieverbrauchs wird erreicht, weil die Stromaufnahme des Lagesensors im Vergleich zur Stromaufnahme des Ultraschallsensors 2 sehr gering ist. So verbraucht ein Lagesensor nur etwa 0,2 mA (Milliampere) der Ultraschallsensor 2 jedoch etwa 20 mA. Damit lassen sich die Batterielaufzeiten bei energieautarken Sensoren deutlich erhöhen. In diesem Fall wird also die Batterielaufzeit der Batterie des Ultraschallsensors 2 erhöht.
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Bei der Speicherung von Temperaturwerten können auch die höchsten Temperaturen (maximale Temperaturwerte) erfasst werden, die als Alarmwerte ausgeben werden können. Die erfasste Umgebungstemperatur kann somit nicht nur für die Kompensation im Ultraschallsensor verwendet werden, sondern kann bei Ultraschallsensoren mit einer Feldbusschnittstelle auch als Information zur Prozessüberwachung (Monitoring) an eine externe Steuerung gemeldet werden. Dadurch können Temperaturfühler mit eigener Anbindung zur Steuerung ersetzt werden, damit kann auch ein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand eingespart werden.
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Die erfasste Umgebungstemperatur wird nicht nur für die Kompensation im Ultraschallsensor verwendet sondern wird bei Ultraschallsensoren mit einer Feldbusschnittstelle auch als Information zur Prozessüberwachung an eine externe Steuerung gemeldet.
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2 zeigt die Anordnung 1 gemäß 1 im Inneren eines Behälters 12, wobei die Anordnung 1 im oberen Bereich des Behälters 12 angeordnet ist. In diesem Behälter 12 befindet sich ein Material 13, zum Beispiel eine Flüssigkeit. Die Füllhöhe H des Materials 13, d. h. der Füllstand, in dem Behälter 12 kann mittels des Ultraschallsensors 2 ermittelt werden. Durch die Sensoreinheit 3 der Anordnung 1 können sehr exakte Werte für den Füllstand erhalten werden, weil äußere Faktoren, beispielsweise die Umgebungstemperatur oder die Luftfeuchtigkeit bei der Ultraschallmessung mit berücksichtigt werden. Über die HF-Schnittstelle 4 lassen sich bidirektionale Daten übertragen, mit denen die Sensoreinheit 3 spezifisch auf die Messung eingestellt werden kann. Es können über die HF-Schnittstelle 4 aber auch die gemessenen Temperaturwerte zum Monitoring ausgelesen werden. Der Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit sowie der Lagesensor sind dabei ebenfalls in dem Behälter 12 angeordnet, jedoch in 2 nicht dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Ultraschallsensor
- 3
- Sensoreinheit
- 4
- HF-Schnittstelle
- 5
- Temperatursensor
- 6
- Antenne
- 7
- EEPROM
- 8
- Echtzeituhr
- 9
- Analog/Digitalwandler
- 10
- Sensor
- 11
- Sensor
- 12
- Behälter
- 13
- Material
- H
- Füllhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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