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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Umgebungsbedingungen, insbesondere für Agraranwendungen, mit wenigstens einem Umfeldsensor, insbesondere Temperatursensor, Luftfeuchtigkeitssensor oder Schadstoffsensor, mit einer ansteuerbaren Belüftungseinrichtung, die dem Umfeldsensor zugeordnet ist, um diesen bei Bedarf mit Umgebungsluft zu belüften, und mit einer Auswerteeinrichtung, die zumindest mit dem Umfeldsensor signaltechnisch verbunden ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Sensorvorrichtu ng.
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Stand der Technik
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Sensorvorrichtungen und Verfahren zum Betreiben dieser sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Umgebungsbedingungen in der Luft, wie beispielsweise die Temperatur, die relative oder absolute Luftfeuchtigkeit, der Kohlendioxidgehalt oder auch andere Luftbestandteile oder Schadstoffe können durch verschiedenste Arten von Sensoren nachgewiesen werden. Problematisch bei der Messung ist es jedoch, dass immer nur ein kleiner Bereich der Luft analysiert wird und daher die Gefahr besteht, dass durch eine Änderung der lokalen Gegebenheiten falsche Rückschlüsse auf die Gesamtumgebungsbedingungen getroffen werden. Insbesondere kann dies anschaulich am Beispiel der Temperatur beschrieben werden. Bei einem Temperatursensor für die Umgebungsluft misst der Umfeldsensor in der Regel seine eigene Temperatur (Ausnahme hierzu sind Temperatursensoren, die auf Infrarot-Strahlungsmessungen basieren). Es wird jedoch die Annahme gemacht, dass sich der Temperatursensor im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebungsluft befindet. Es findet somit kein Wärmeaustausch statt. Treffen nun jedoch Sonnenstrahlen auf den Umfeldsensor, wird das Licht absorbiert und heizt den Sensor auf. Aufgrund dessen findet nun wiederum ein Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft statt, bis sich wieder ein Gleichgewicht zwischen Sensor und Luft hergestellt hat. Dabei muss der Umfeldsensor nicht einmal direkt im Sonnenlicht angeordnet sein, es reicht bereits aus, dass sich der Umfeldsensor im Schatten befindet und Strahlungen im Infrarotbereich den Umfeldsensor treffen. Auch diese Wärmeeinstrahlung beeinflusst das Messergebnis. Zudem besitzt die den Umfeldsensor umgebende Luft nicht immer die gleiche Temperatur wie die eigentlich zu messende Luft, insbesondere kann durch baulich bedingte Gegebenheiten ein nur mäßiger Luftaustausch stattfindet. Es bildet sich dann ein sogenanntes Mikroklima an dem Temperatursensor. Dabei wird in dem vorliegenden Zusammenhang unter dem Umfeldsensor die Einheit aus zumindest einem Sensorelement, einem das Sensorelement tragenden Gehäuse sowie einer Schaltung zum Betreiben des Sensorelements, die insbesondere als Leiterkarte beziehungsweise -Platte ausgebildet sein kann, oder eine solche aufweist und optional eines elektrischen Energiespeichers zum Betreiben des Sensorelements beziehungsweise Umfeldsensors verstanden. In der Praxis treten derartige Aufheizeffekte und Kühleffekte mit zeitlichem Versatz zueinander auf. Es ist daher bekannt, den Temperatursensor aktiv zu belüften, sodass das Messergebnis nicht verfälscht wird.
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Wird eine Belüftungseinrichtung mit einem elektrisch betreibbaren Lüfter oder Ventilator vorgesehen, so kann die Belüftung des Temperatursensors verbessert werden. Insbesondere ist es dabei möglich, bei Bedarf Luft mit der tatsächlichen Umgebungstemperatur in Richtung des Umfeldsensors zu transportieren, sodass die am Umfeldsensor befindliche aufgeheizte Luft durch die „Frischluft“ ausgetauscht und der Entstehung eines Mikroklimas entgegengewirkt wird.
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Weiterhin sind Umfeldsensoren bekannt, welche die Sonnenstrahlung messen. Hier gibt es verschiedene Sensortypen, die Messwerte generieren, die in meisten Fällen nur einen Teil der von der Sonne emittierten Strahlung messen oder nur recht schmalbandige Spektren aufnehmen. So können zur Detektion von Sonnenstrahlung beispielsweise Energiewandlereinrichtungen, Fotodioden oder auch LEDs verwendet werden. Der Nutzen eines entsprechenden Umfeldsensors kann zum Beispiel darin liegen, dass die Sonnenstunden bestimmt werden können, dass Werte für das Pflanzenwachstum bestimmt werden können, dass Strahlungswerte im UV-Bereich gemessen werden oder auch eine unabhängige Bestimmung von potentiell erreichbarer Energie aus Solarmodulen durchgeführt werden kann.
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Mittels einer Auswerteeinrichtung werden die von dem jeweiligen Umfeldsensor oder Sensorelement beziehungsweise Fühlerelement erzeugten Ausgangssignale ausgewertet, um die tatsächliche Temperatur zu erfassen oder bei Bedarf die Belüftungseinrichtung anzusteuern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass wenigstens eine Energiewandlereinrichtung, die Strahlungsenergie, insbesondere von Sonnenlicht, in elektrische Energie wandelt, wie insbesondere eine oder mehrere Solarzelle, mit der elektrisch betreibbaren Belüftungseinrichtung verbunden oder verbindbar ist. Die Sensorvorrichtung weist somit zusätzlich zu dem Umgebungssensor die Energiewandlereinrichtung auf, die dazu dient, Strahlungs- beziehungsweise Sonnenenergie in elektrische Energie zu wandeln. Die Energie wird dazu genutzt, die elektrisch betreibbare Belüftungseinrichtung mit Energie zu versorgen und zu betreiben. Außerdem kann die Energiewandlereinrichtung dazu genutzt werden, die Sonneneinstrahlung zu erfassen und damit beispielsweise das Ausgangssignal des Umgebungssensors beziehungsweise Umfeldsensors zu korrigieren. Damit wird insgesamt eine Sensorvorrichtung zur Verfügung gestellt, die zum einen ein genaues Messergebnis liefert, und zum anderen nicht auf eine externe Stromquelle angewiesen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Umfeldsensor insbesondere mit seinem zumindest einem Sensorelement in einem Strömungsweg eines von der Belüftungseinrichtung erzeugbaren Luftstroms liegt. Damit ist sichergestellt, dass beim Ansteuern des Belüftungseinrichtung die den Umfeldsensor umgebenden und gegebenenfalls aufgeheizte Luft von der Belüftungseinrichtung durch frische Luft ausgetauscht werden kann.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung wenigstens einen wideraufladbaren elektrischen Energiespeicher aufweist, der mit der Energiewandlereinrichtung und/oder mit der Belüftungseinrichtung verbunden oder verbindbar ist. Mittels des Energiespeichers kann insbesondere die von der Energiewandlereinrichtung erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert und dann, wenn sie benötigt wird, der Belüftungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Weil der Messzeitraum zum Bestimmen der Temperatur verhältnismäßig klein ist, kann die Zeit zwischen den Messzeitpunkten dazu genutzt werden, den Energiespeicher aufzuladen, wodurch sich insgesamt eine optimale Energieausnutzung ergibt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Energiewandlereinrichtung durch wenigstens einen ersten ansteuerbaren Schalter elektrisch mit der Belüftungseinrichtung oder mit dem Energiespeicher verbindbar ist. Damit ist die elektrische Verbindung zwischen der Energiewandlereinrichtung und der Belüftungseinrichtung oder dem Energiespeicher auf einfache Art und Weise herstellbar oder trennbar. Insbesondere ist der Schalter mit der Auswerteeinrichtung verbunden, um von dieser angesteuert zu werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Belüftungseinrichtung durch wenigstens einen zweiten ansteuerbaren Schalter elektrisch mit dem Energiespeicher verbindbar ist. Dadurch ist ein einfaches Ansteuern der Belüftungseinrichtung, insbesondere eines Elektromotors der Belüftungseinrichtung, gewährleistet. Auch hier ist der zweite Schalter bevorzugt elektrisch oder signaltechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden, um ein einfaches Ansteuern zu gewährleisten. Der erste und der zweite Schalter können dabei jeweils als mechanische Schalter oder auch als elektrische Schalter, insbesondere als Halbleiterschalter, ausgebildet sein.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das zumindest eine Sensorelement des Umfeldsensors auf einer Leiterplatte angeordnet und mit der Auswerteelektronik verbunden ist, die insbesondere auf derselben Leiterplatte angeordnet ist. Die Auswerteelektronik kann somit auf der gleichen Leiterplatte wie das zumindest eine Sensorelement oder auch auf einer separaten Leiterplatte angeordnet sein. Wichtig ist, dass Umfeldsensor beziehungsweise Sensorelement und Auswerteelektronik miteinander verschaltet beziehungsweise verbunden sind, um die Auswertung der Ausgangssignale des Umfeldsensors durchführen zu können. Der erste oder der zweite Schalter sind bevorzugt ebenfalls auf der Leiterplatte des Umfeldsensors und/oder der Auswerteelektronik angeordnet. Insbesondere sind die Schalter in die Auswerteelektronik integriert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiewandlereinrichtung durch den ersten Schalter mit der Auswerteelektronik verbindbar ist. Hierdurch ist insbesondere eine signaltechnische Verbindung herstellbar, mittels welcher die Auswerteelektronik die von der Energiewandlereinrichtung erfasste Sonneneinstrahlung erfassen und auswerten kann. Hierdurch ist beispielsweise eine Kompensation des von dem Umfeldsensors gemessenen Temperaturwerts möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass die Energiewandlereinrichtung zum Erfassen einer Sonnenstrahlung mit der Auswerteelektronik und zum Belüften des Umfeldsensors mit der Belüftungseinrichtung verbunden wird. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass das Erfassen der Sonneneinstrahlung und das Ansteuern der Belüftungseinrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten und damit nicht gleichzeitig erfolgt. Ist der Energiespeicher ausreichend geladen, kann die Energiewandlereinrichtung direkt mit der Belüftungseinrichtung beziehungsweise dem Elektromotor der Belüftungseinrichtung verbunden werden, um eine Dauerkühlung des Umfeldsensors zu ermöglichen. Fällt der Ladestand des Energiespeichers unter einen vorgebbaren Grenzwert, so wird bevorzugt die Energiewandlereinrichtung mit dem Energiespeicher verbunden, um diesen wieder aufzuladen. Bevorzugt werden je nach Bedarf einer von drei unterschiedlichen Zuständen eingestellt: Im ersten Zustand wird der Elektromotor direkt durch die Energiewandlereinrichtung, insbesondere die mindestens eine Solarzelle, betrieben. In einem zweiten Zustand wird der Energiespeicher durch die Energiewandlereinrichtung aufgeladen. Im dritten Zustand wird der Lichtwert beziehungsweise die Sonneneinstrahlung gemessen/erfasst.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in einem ersten Zeitintervall eines Messdurchgangs der Energiespeicher mittels der Energiewandlereinrichtung aufgeladen wird, das in einem darauffolgenden zweiten Zeitintervall des Messdurchgangs die Belüftungseinrichtung angesteuert wird, um den Umfeldsensor mit frischer Luft zu belüften, und dass am Ende des zweiten Zeitintervalls ein Ausgangssignal des Umfeldsensors und optional der Energiewandlereinrichtung erfasst und ausgewertet wird beziehungsweise werden. Somit ist vorgesehen, dass zunächst der Energiespeicher aufgeladen wird. Nähert sich der Messdurchgang dem Erfassen beziehungsweise Auswerten des Ausgangssignals des Umfeldsensors, so wird die Belüftungseinrichtung angesteuert und aktiviert, sodass der Umfeldsensor gekühlt oder mit frischer Luft umgeben wird, die eine Temperatur aufweist, die der tatsächlichen Außentemperatur entspricht. Bevorzugt wird dabei der gemessene Temperaturverlauf überwacht und angenommen, dass dann, wenn keine Änderung der Temperatur mehr beobachtet wird, die gemessene Temperatur der Umgebungstemperatur entspricht. Dies kann beispielsweise als Auslöser dafür verwendet werden, die Belüftung zu beenden beziehungsweise zu deaktivieren, oder um den nunmehr gemessenen Temperaturwert als den Umgebungstemperaturwert zu verwenden. Dadurch wird erreicht, dass die Betriebsdauer der Kühleinrichtung minimiert und der Energieverbrauch optimiert wird. So fällt die Belüftungsdauer beispielsweise nachts kürzer aus als tagsüber unter starker Sonneneinstrahlung. Bevorzugt erst nach Feststellen, dass die gemessene Temperatur der Umgebungstemperatur entspricht, wird das Ausgangssignal des Umfeldsensors erfasst und ausgewertet. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Umfeldsensor durch die tatsächlich bestehende Lufttemperatur und/oder Feuchtigkeit oder dergleichen erfasst, sodass das Messergebnis verbessert wird.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Messdurchgang mehrfach, insbesondere regelmäßig durchgeführt wird, beispielsweise alle 10 Minuten. Dadurch ist eine sichere und vorteilhafte Messung ohne durch die Sonneneinstrahlung beeinträchtigtes Messergebnis durchführbar.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
- Figur eine Sensorvorrichtung zum Erfassen von Umgebungsbedingungen in einer vereinfachten Darstellung.
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Die Figur zeigt eine Sensorvorrichtung 1 zum Erfassen von Umgebungsbedingungen, insbesondere einer Umgebungstemperatur, einer Luftfeuchtigkeit, eines Kohlendioxidgehalt, eines Schadstoffgehalt oder dergleichen. Die Sensorvorrichtung 1 weist dazu einen Umfeldsensor 2 auf, der ein in einem Gehäuse 3 angeordnetes Sensorelement 2' aufweist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Umfeldsensor 2 als Temperatursensor und das Sensorelement 2' damit als Temperaturfühler ausgebildet. Das Gehäuse 3 bildet ein Luftführungskanal 4, in welchem das Umfeldsensorelement 2' liegt.
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Das Sensorelement 2' ist mit einer Auswerteelektronik 5 in Form eines Mikroprozessors signaltechnisch verbunden. Beide sind wiederum mit einem wideraufladbaren Energiespeicher 6 verbunden, der die Sensorvorrichtung 1 mit elektrischer Energie versorgt.
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Weiterhin weist die Sensorvorrichtung 1 eine Energiewandlereinrichtung 7 auf, die vorliegend von einer Solarzelle gebildet ist, die durch zwei Schalter 8, 9 mit der Auswerteelektronik 5 und einer Belüftungseinrichtung 10 elektrisch verbindbar ist.
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Die Belüftungseinrichtung 10 weist einen Elektromotor 11 auf, der mit einem Lüfterrad 12 wirkverbunden ist. Beispielsweise ist das Lüfterrad 12 auf einer Abtriebswelle des Elektromotors 11 angeordnet. Das Lüfterrad 12 liegt dabei in dem Luftkanal 4 und erzeugt einen Luftstrom durch den Luftführungskanal 4, wenn es vom Elektromotor 11 elektrisch angetrieben wird. Die Luft wird dabei durch ein Lufteinlass 13 stromaufwärts des Sensors angesaugt, und durch einen Luftauslass 14 stromabwärts des Sensors 2 ausgeblasen.
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Die Auswerteelektronik 5 ist auf einer Leiterplatte 15 des Umfeldsensors 2 auf, auf welcher der Mikroprozessor und eine optional separate Auswerteelektronik 16 zum Ermitteln einer Sonnenstrahlung angeordnet und miteinander elektrisch verschaltet sind.
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In der gezeigten Stellung der Schalter 8 und 9 wird der Elektromotor 11 durch die von der Solarzelle der Energiewandlereinrichtung 7 erzeugte elektrische Energie betrieben, sodass sich das Lüfterrad 12 dreht und der Luftstrom, wie zuvor beschrieben, erzeugt wird. Damit wird der Umfeldsensor 2 von der Umgebungsluft umflossen und erst anschließend der Elektromotor 11. Hiermit würde der Elektromotor 11 noch zusätzlich belüftet werden, jedoch die Luft erst nach der Messung aufheizen. Dass sich der Elektromotor 11 im Luftstrom befindet, ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Vorteilhaft ist es, wenn sich nur ein Teil der Leiterplatte 15 mit dem Sensorelement 2' innerhalb des Luftstroms befindet. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass sich der oder auch die Sensorelemente 2' auf der gleichen Leiterplatte 15 befinden, wie die übrige Elektronik der Sensorvorrichtung 1. Somit wäre es beispielsweise denkbar, dass der Umfeldsensor 2, insbesondere ein Temperaturfühler des Umfeldsensors 2, durch eine Kabelverbindung mit der Leitterplatte 15 verbunden ist.
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Das Sensorelement 2' ist mit der Auswerteelektronik verbunden, mit welcher auch die Sonnenstrahlung ermittelt wird. Wenn beim dargestellten Schalter 8, 9 in die jeweils andere Stellung geschaltet werden, so ist die Solarzelle mit der Auswerteelektronik zum Bestimmen der Sonneneinstrahlung verbunden und eine entsprechende Messung kann durchgeführt werden. Dabei ist vorteilhaft, dass die Messung der Sonneneinstrahlung und die Belüftung nicht gleichzeitig betrieben werden können.
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Die Schalter 8, 9 können sich natürlich auch auf der Leiterplatte 15 befinden und die Leitungen hin zu dem Elektromotor 11 von dieser abführen. Die Schalter 8, 9 werden insbesondere durch die Auswerteelektronik angesteuert.
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Die elektrische Versorgung der Komponenten der Sensorvorrichtung 1 wird durch den wideraufladbaren Energiespeicher 6 gewährleistet. Insbesondere wird dieser mittels der Solarzelle bei Bedarf aufgeladen. In diesem Fall wäre dann auch ein Schalter 8 und/oder 9 mit drei möglichen Stellungen denkbar beziehungsweise eine Logikschaltung aus mehreren Schaltern. Alternativ ist der Energiespeicher 6 als einfache Batterie ausgebildet.
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Es ist denkbar, den Motor 11 bei nicht ausreichendem Sonnenlicht über die Batterie beziehungsweise den Energiespeicher 6 zu betreiben. Dies kann beispielsweise durch die Auswerteelektronik 5 entsprechend erfolgen.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist folgendermaßen: Es ist ausreichend, wenn sowohl die Sonnenstrahlung als auch der von dem Umfeldsensor 2 erfasste Umfeldwert nur alle 10 Minuten erfasst und beispielsweise gespeichert werden. Zu Beginn eines 10 Minuten-Zeitintervalls, an dessen Ende erst die jeweilige Messung stattfindet, ist vorgesehen, dass zunächst in einem ersten Zeitintervall die Lüftung in Betrieb genommen und der Elektromotor 11 angesteuert wird. In dieser Zeit kann auch die Energie, welche aus der Solarzelle gewonnen wird, in dem Energiespeicher 6 gespeichert werden. Beispielsweise zwei Minuten vor der eigentlichen Messung werden die Schalter 8, 9 für ein zweites Zeitintervall umgestellt, sodass nicht mehr der Energiespeicher aufgeladen, sondern die Belüftungseinrichtung 10 angesteuert und betrieben wird. Innerhalb der verbleibenden zwei Minuten wird der Umfeldsensor 2, insbesondere das Sensorelement 2' damit ausreichend gut heruntergekühlt oder erwärmt, um eine hochgenaue Messung der Umgebungsbedingungen durchzuführen. Zur Messung der Sonnenstrahlungswerte müssen die Schalter 8, 9 am Ende des zweiten Zeitintervalls wiederum umgeschaltet werden, sodass nur die Auswerteelektronik an der Solarzelle 7 angeschlossen ist. Hierfür reichen jedoch in der Regel kurze Zeitabstände, von weniger als einer Sekunde bis hin zu einigen Sekunden.
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Nach der durchgeführten Messung wird die Schalterstellung wieder auf den Ladezustand gestellt und ein neues 10-Minuten-Zeitintervall beginnt.
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Dass die Messwerte der Sonneneinstrahlung und der Umgebungsbedingung/Umfeldbedingung gleichzeitig aufgenommen werden, ist nicht zwingend erforderlich. Auch nicht, dass die Belüftung während der Messung der Umgebungsbedingungen ein- oder ausgeschaltet ist.
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Weil die Belüftungseinrichtung 10 auch unabhängig von der Sonneneinstrahlung betrieben werden kann, bietet die Sensorvorrichtung 1 auch Vorteile bei Frost in der Nacht, weil hier von der Elektronik erzeugte Wärme den Umfeldsensor 2 aufheizt und somit ein zu warmes Mikroklima erzeugen würde. Durch die vorteilhafte aktive Belüftung kann somit rechtzeitig eine Frostwarnung ausgegeben werden.
