DE102017209734A1

DE102017209734A1 - Batteriebetriebenes elektronisches Schaltgerät mit einem leistungslosen Stand-by-Modus

Info

Publication number: DE102017209734A1
Application number: DE102017209734.5A
Authority: DE
Inventors: Rolf Fensterle
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2037-06-10
Also published as: US20190386659A1; DE102017209734B4; WO2018224352A1; US10931279B2

Abstract

Batteriebetriebenes elektronisches Schaltgerät 1 mit einem leistungslosen Stand-by-Modus, das einen Sensor 2, eine Steuerung 3, eine Batterie 4 und eine drahtloses Kommunikationsmodul 5 aufweist, wobei die Steuerung 3 über einen mit der Batterie 4 verbundenen Schalttransistor 6 aktivierbar ist, wobei der Schalttransistor 6 bei Lichteinfall auf einen Fotoempfänger 7 zur Aktivierung in einen leitenden Zustand versetzt werden kann, wobei der Steueranschluss des Schalttransistors 6 derart mit der Steuerung 3 verbunden ist, dass er dauerhaft leitend bleiben kann, wobei der Fotoempfänger 7 eine Abdeckung 8 aufweist, die zur Beeinflussung des Lichteinfalls geeignet ist, und die Steuerung 3 Mittel zur Abschaltung des Schaltransistors 6 aufweist, um das das elektronische Schaltgerät 1 nach einem erfolgreichen Test, einem Steuerbefehl oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne in den leistungslosen Stand-by-Modus zu versetzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein batteriebetriebenes elektronisches Schaltgerät, insbesondere einen kapazitiven Grenzstandschalter mit einem leistungslosen Stand-by-Modus.
Kapazitive Füllstandsmessgeräte dienen zur Bestimmung eines Füllstandes elektrisch nicht leitender Schüttgüter oder Flüssigkeiten mit einem kapazitiven Messwertaufnehmer.
Neben eintauchenden Messgeräten, die natürlich eine höhere Messgenauigkeit bieten, sind auch Geräte bekannt, die durch eine nicht leitende Behälterwand hindurch messen können. Derartige Geräte werden von der Anmelderin hergestellt und in verschiedenen Bauformen auf den Markt gebracht.
Bei größeren Behältern und in weiträumigen Anlagen ist die Verkabelung der Schaltgeräte mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
Die DE 198 39 000 A1 offenbart einen batteriebetriebenen Füllstandsensor, der den Füllstand durch eine Behälterwand hindurch erfasst, und über eine Funkstrecke an eine Anzeige- und Auswerteeinheit weiterleitet. Als Energiequelle wird eine 9V-Blockbatterie genannt.
Es wird vorgeschlagen, die Auswerteelektronik gemeinsam mit der Batterieversorgung in einem eigenen Gehäuse an oder neben dem Tank anzuordnen und den Sensor über eine zweiadrige Verbindungsleitung anzuschließen. Als nachteilig wird der damit verbundene Montage- und Verkabelungsaufwand angesehen.
Die DE 10 2010 004 099 A1 offenbart ein elektronisches Schaltgerät mit einem energiefreien Bereitschaftsmodus, wobei die Aktivierung durch ein Funksignal erfolgt, bei dem gleichzeitig ein Steuersignal und Energie übertragen wird. Als nachteilig werden der damit verbundene gerätetechnische Aufwand, der Volumenbedarf und die Kosten angesehen.
Die WO 2010 106 113 A2 offenbart ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät mit einem leistungslosen Stand-by-Betrieb, wobei ein Feldeffekttransistor mittels einer Fernbedienung aktiviert wird, was mit Hilfe von zwischen Gate und Source angeordneten Fotodioden oder eines Fototransistors geschieht. Als nachteilig wird die Verwendung einer Fernbedienung angesehen, die, wenn nicht ohnehin vorhanden, einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aktivierungsmöglichkeit für ein batteriebetriebenes elektronisches Schaltgerät mit leistungslosem Stand-by-Modus anzugeben, das ohne zusätzliche Hilfsmittel wie eine Infrarot-Fernbedienung oder ähnliches aktiviert, und nach einem Funktionstest wieder zurück in den leistungslosem Stand-by-Modus versetzt werden kann. Es soll darüber hinaus einfach zu handhaben und kostengünstig sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Ein erster Erfindungsgedanke besteht darin, das Lichtsignal durch Entfernen einer lichtundurchlässigen Abdeckung über dem Fotoempfängers aus dem Umgebungslicht bei Arbeitsplatzbeleuchtung von typisch 500 Lux oder einer spektral angepassten Lichtquelle ausreichender Helligkeit wie einer Taschenlampe oder einem Smartphone zu generieren.
Ein zweiter Erfindungsgedanke besteht darin, einen in bekannter Weise von einem Fotoempfänger gesteuerten (Feldeffekt-) Transistor zusätzlich mit einem Mikrocontroller zu verbinden, der den Transistor bei fehlenden Lichtsignal steuern, insbesondere sperren kann.
Da das elektronische Schaltgerät hermetisch verschlossen werden soll, was einen Batterietausch praktisch unmöglich macht, ist der leistungslosen Stand-by-Betrieb hier besonders wichtig.
Damit die Entladung der Batterie erst bei der Inbetriebnahme am Einsatzort beginnt, wird eine lichtundurchlässige Abdeckung, beispielsweise ein Klebefolie, über dem Fotoempfänger angebracht, bei deren Entfernung die bistabile Schaltung unwiderruflich in ihren aktiven Betriebszustand übergeht, was auch mit einen herkömmlichen Flip-Flop ohne weiteres möglich wäre. Allerdings soll das Schaltgerät vor der Auslieferung an den Kunden getestet werden, was einen zweiten Steuereingang zur Rücksetzung des Flip-Flops erfordern würde.
Deshalb wird der Steuereingang des Transistors (Gate) erfindungsgemäß zusätzlich mit einem Mikrocontroller oder einer anderen geeigneten Steuereinheit verbunden, wodurch der das Schaltgerät nach einem erfolgreichen Test, einer Tasteneingabe oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne bei erneut abgedecktem Fotoempfänger wieder in den leistungslosen Stand-by-Modus versetzt werden kann.
Der Vorteil besteht zum darin, dass ein werksseitiger Test vor Auslieferung des Schaltgerätes erfolgen kann, ohne den vorteilhaften leistungslose Stand-by-Modus aufzugeben. So wird die Batterie auch bei längerer Lagerung beim Kunden nicht vorzeitig entladen.
Mit einem Baukastensystem, bei dem erfindungsgemäße Grenzstandschalter mit nur einer Messelektrode und einem binären Schaltausgang zum Einsatz kommen, können deren Prozesswerte über das drahtlose Kommunikationsmodul zu einem als Master fungierenden Grenzstandschalter übertragen werden, wo der Füllstand entweder selbst bestimmt, oder die dazu benötigten Messwerte über eine drahtgebundene Schnittstelle zu einer Zentraleinheit übermittelt werden. Durch Interpolation und Differenzbildung kann ein Füllstandsmesswert (Füllstand) erzeugt werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt die wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen kapazitiven Schalters,
2 zeigt drei erfindungsgemäße kapazitive Schaltgeräte an einem Tank.

Die 1 zeigt die wesentlichen Baugruppen des erfindungsgemäßen kapazitiven Schalters, bei dem eine als variable Kapazität dargestellte Messelektrode 2 mit der Gehäusewand, der Wand eines in der 2 dargestellten Tanks mit einem Medium und der Gerätemasse einen Wechselstromkreis bildet, dessen Impedanz in bekannter Weise ausgewertet wird.
Die Messelektrode 2 direkt vom Mikrocontroller 3 mit einem Rechtecksignal gespeist. Die nicht erfindungswesentlichen Bauelemente zur Auswertung der Impedanz sind hier nicht dargestellt.
Dier Anordnung wird von einer im Gerät integrierten Batterie 4 versorgt, die weder getauscht noch aufgeladen werden kann, ohne das Gehäuse zu beschädigen. Im Ruhezustand wird die Batterie 4 nur mit den Restströmen der abgedunkelten Fotodiode 7 und des General Purpose Input/Output (GPIO) des Mikro-controllers 3 belastet. Diese Ströme sind derart gering, dass der Einfluss eines im Megaohm-bereich liegenden Widerstandes R praktisch unberücksichtigt bleiben kann.
Der im Ruhezustand gesperrte Schalttransistor 6, ein PMOS des Typs FDZ661PZ wird bei Belichtung der Fotodiode 7 (BPW34) aktiviert, was durch Entfernen einer reversiblen Abdeckung 8, zum Beispiel eines Aufklebers, oder einen die Gehäusewand durchdringenden Lichtblitz geschehen kann.
Als Fotoempfänger kommt auch ein Fototransistor (BPX38) oder einer Anzahl fotovoltaisch betriebener Fotodioden in Frage, wobei die Fotodioden Dioden an Stelle des Widerstandes R anzuordnen wären.
Der Fotostrom der in Sperrrichtung betriebenen Fotodiode 7 öffnet den Schalttransistor 6, der den Mikrocontroller 3 mit Strom versorgt und damit aktiviert. Falls das Umgebungslicht (Arbeitsplatzbeleuchtung) nicht ausreicht, kann auch eine spektral angepasste Lichtquelle ausreichender Helligkeit wie eine Taschenlampe oder ein Smartphone verwendet werden.
Der GPOI des Mikrocontrollers 3 übernimmt nun die Steuerung des Schalttransistors 6, so dass das Geräte nach einem erfolgreichen Test und Abdeckung des Fotoempfängers wieder in den leistungslosen Stand-by-Modus übergehen kann.
Das drahtloses Kommunikationsmodul 5, dargestellt ist ein Bluetooth-Kommunikationsmodul, übernimmt die Kommunikation mit einer Zentraleinheit 9, die übrigens auch einen Befehl zur die Abschaltung des selbsthaltenden Schalttransistors 6 übermitteln kann.
Die 2 zeigt an einem Tank angeordnete erfindungsgemäße elektronische Schaltgeräte 1. Sie sind identisch aufgebaut und über drahtlose Bluetooth-Kommunikationsmodule 5 mit einem Bluetooth-Master in einer Zentraleinheit 9 verbunden.
Deren Messelektroden 2 speisen wie oben beschrieben, einen vom Tank und seinem Inhalt beeinflussten Wechselstromkreis, dessen Impedanz in bekannter Weise auswertbar ist.
Die zunächst in einem leistungslosen Stand-by-Modus (Bereitschaftsmodus) befindlichen kapazitiven Grenzstandschalter 1 werden mit Hilfe eines auf den Fotoempfänger 7 treffenden Lichtsignals aktiviert und gehen anschließend erfindungsgemäß in einen lichtunabhängigen Selbsthaltemodus und damit in ihren Betriebszustand über.
Dieser kann zum Beispiel nach Beendigung eines Funktionstests oder einer zeitweisen Deaktivierung des Messsystems durch einen vom Mikrocontroller 3 erzeugten oder von der Zentraleinheit 9 übermittelten Steuerbefahl wieder beendet werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können auch Prozesswerte der Messelektroden 2 über das Bluetooth-Kommunikationsmodul 5 (Bluetooth-Schnittstelle), beispielsweise einem Bluetooth-Modul RN4020-V/RM120 oder Ähnliches zur Zentraleinheit 9 übertragen werden.
Der Master 9 ist über eine kabelgebundene bidirektionale Kommunikationsschnittstelle mit einem PC verbunden, ohne die Erfindung darauf zu beschränken.
Bei der Auswertung kann eine Interpolation der Prozesswerte, beispielsweise eine Spline-Interpolation, durchgeführt, wobei auch die geometrische Anordnung der Grenzstandschalter 1, d.h. deren gegenseitiger Abstand und die Geometrie ihrer Messelektroden berücksichtigt wird. Der Maximalwert der Ableitung gibt den Ort der größten Prozesswertänderung und somit den tatsächlichen Füllstand an.
In einer weiteren Ausgestaltung können die Prozesswerte normiert und anschließend punktweise voneinander abgezogen werden. Die Differenzen werden miteinander verglichen, und die benachbarten Grenzstandschalter 1 mit dem größten Differenzwert ermittelt. Nach einer abschließenden Interpolation dieser Prozesswerte, kann ein Füllstands-Messwert bestimmt und digital angezeigt werden.
Schließlich kann die Abdeckung 8 ein für Tageslicht undurchlässiger Gehäuseabschnitt sein, der beispielsweise fluoreszierende Inhaltstoffe aufweist, die durch einen Lichtblitz im blauen oder violetten Spektralbereich aktiviert werden können.
Die Erfindung ist auch für kapazitive Sensoren mit mehreren Elektroden, induktive, magnetische, optische oder auch Ultraschallsensoren geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Batteriebetriebenes elektronisches Schaltgerät (kapazitiver Grenzstandschalter)
2: Sensor (Sensorelektrode)
3: Steuerung (Mikrocontroller µC)
4: Batterie (Energieversorgung)
5: Drahtloses Kommunikationsmodul (Funk-Kommunikationsmodul, Bluetooth,)
6: Schalttransistor (MOSFET), selbsthaltend
7: Fotoempfänger (resistiv oder voltaisch)
8: Reversible Abdeckung des Fotoempfängers 7 (undurchsichtig) oder Gehäusewand
9: Zentraleinheit (Bluetooth-Master)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19839000 A1 [0005]
DE 102010004099 A1 [0007]
WO 2010106113 A2 [0008]

Claims

Batteriebetriebenes elektronisches Schaltgerät (1) mit einem leistungslosen Stand-by-Modus, das einen Sensor (2), eine Steuerung (3), eine Batterie (4) und eine drahtloses Kommunikationsmodul (5) aufweist, wobei die Steuerung (3) über einen mit der Batterie (4) verbundenen Schalttransistor (6) aktivierbar ist, wobei der Schalttransistor (6) bei Lichteinfall auf einen Fotoempfänger (7) zur Aktivierung in einen leitenden Zustand versetzt wird, wobei der Steueranschluss des Schalttransistors (6) derart mit der Steuerung (3) verbunden ist, dass er dauerhaft leitend bleiben kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger (7) eine Abdeckung (8) aufweist, die zur Beeinflussung des Lichteinfalls geeignet ist, und die Steuerung (3) Mittel zur Abschaltung des Schaltransistors (6) aufweist, um das elektronische Schaltgerät (1) nach einem erfolgreichen Test, einem Steuerbefehl oder Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne wieder in den leistungslosen Stand-by-Modus zu versetzen.
Elektronisches Schaltgerät (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein Gehäuse hermetisch verschlossen und die Batterie (4) nicht ohne Beschädigung des Gehäuses austauschbar ist.
Elektronisches Schaltgerät (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoempfänger (7) durch Entfernung der Abdeckung (8) aktiviert wird.
Elektronisches Schaltgerät (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der Fotoempfänger (7) durch einen die Abdeckung (8) durchdringenden Lichtblitz aktiviert wird.
Elektronisches Schaltgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch einen von der von der Zentraleinheit (9) übermittelten Steuerbefehl in den leistungslosen Stand-by-Modus versetzt werden kann.
Anordnung zur kapazitiven Bestimmung des Füllstandes in einem Tank mit mehr als zwei baugleichen batteriebetriebenen elektronischen Schaltgeräten (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die über eine Funkverbindung mit einer Zentraleinheit (9) verbunden sind und deren Prozesswerte über das Kommunikationsmodul (5) übertragen werden, wobei aus dem Prozesswerten ein binäres oder ein digitales Füllstandsignal erzeugt wird.