DE102019133249A1 - Passive sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen passiven Sensor (1), sowie ein Mess-System (1, 2) zur Ansteuerung des Sensors (1) mittels eines Anregungssignals (SHF) und zur Bestimmung des entsprechenden Messwertes anhand des empfangenen Auswertungssignals (EHF). Dabei basiert der Sensor (1) auf zwei Signalpfaden (11, 13) mit jeweils einer Diode (111, 131) und einer Impedanz (112, 132), an welche die Empfangsantenne (12) und die Sendeantenne (14) entsprechend angeschlossen sind. Erfindungsgemäß ist die Impedanz (111) des einen Signalpfades (11) so ausgelegt, dass ihr Wert von der Messgröße abhängt. Hierdurch wird auf passive Weise ein elektromagnetisches Auswertungssignal (EHF) erzeugt wird, dessen Amplituden-Spektrum einerseits konstante Anteile (A13), aber auch Mess-Impedanz-abhängige Anteile (A11) aufweist. Hierüber kann eine übergeordnete Einheit (2) des Mess-Systems (1, 2) den Messwert als absolute Größe bestimmen. Dadurch, dass es erfindungsgemäß nicht fest vorgeschrieben ist, ob die Mess-Impedanz (112) als resistives, kapazitives oder als induktives Bauelement ausgelegt ist, kann der Sensor (1) potentiell viele verschiedene Messgrößen bestimmen.The invention relates to a passive sensor (1) and a measuring system (1, 2) for controlling the sensor (1) by means of an excitation signal (SHF) and for determining the corresponding measured value based on the received evaluation signal (EHF). The sensor (1) is based on two signal paths (11, 13) each with a diode (111, 131) and an impedance (112, 132) to which the receiving antenna (12) and the transmitting antenna (14) are connected accordingly. According to the invention, the impedance (111) of one signal path (11) is designed in such a way that its value depends on the measured variable. As a result, an electromagnetic evaluation signal (EHF) is generated in a passive manner, the amplitude spectrum of which has constant components (A13) on the one hand, but also components (A11) that are dependent on the measurement impedance. A higher-level unit (2) of the measuring system (1, 2) can use this to determine the measured value as an absolute variable. Since it is not strictly prescribed according to the invention whether the measuring impedance (112) is designed as a resistive, capacitive or inductive component, the sensor (1) can potentially determine many different measured variables.
Description
Die Erfindung betrifft einen passiven Sensor und ein entsprechendes Mess-System zum Betrieb des Sensors, insbesondere zur Anwendung in der Automatisierungstechnik.The invention relates to a passive sensor and a corresponding measuring system for operating the sensor, in particular for use in automation technology.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Mess-Systeme eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung verschiedener Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, die Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Füllgutes handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Mess-Systeme jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener Sensoren und Mess-Systemen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In automation technology, in particular in process automation technology, measurement systems are often used that are used to record and / or influence various measured variables. The measured variable to be determined can be, for example, a fill level, a flow rate, a pressure, the temperature, the pH value, the redox potential, the conductivity or the dielectric value of a product. To acquire the corresponding measured values, the measuring systems each include suitable sensors or are based on suitable measuring principles. A large number of different sensors and measuring systems are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
Oftmals ist die jeweilige Messgröße an einem schwer zugänglichen Ort zu messen, wie beispielsweise im Inneren eines abgeschlossenen Behälters, an beweglichen Einbauten, oder an explosionsgefährdeten Orten. Dies verhindert eine drahtgebundene Anbindung und eine Batterie-basierte Energieversorgung des Sensors. Aus der Veröffentlichungsschrift
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen passiven Sensor für Prozessautomatisierungs-Anwendungen bereitzustellen, der prinzipiell zur Messung verschiedenster Messgrößen eingesetzt werden kann.The invention is therefore based on the object of providing a passive sensor for process automation applications which in principle can be used to measure a wide variety of measured variables.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen passiven Sensor zur Bestimmung einer definierten Messgröße, wie beispielsweise der Temperatur, dem Druck, einer Feuchte oder einem Grenzstand. Dabei umfasst der Sensor folgende Komponenten:
- - Einen ersten Signalpfad, mit zumindest
- ◯ einer ersten Diode,
- ◯ einer von der Messgröße abhängigen Mess-Impedanz, und
- ◯ einem ersten Anschluss für einen ersten Pol
- - einer zweipoligen Empfangsantenne, deren Impedanz auf die Frequenz eines definierten Anregungssignals angepasst ist,
- - einen quasi parallelen, zweiten Signalpfad mit zumindest
- ◯ einer zweiten Diode,
- ◯ einer Referenz-Impedanz, deren Wert vorzugsweise in etwa dem Wertebereich der Mess-Impedanz entspricht, und
- ◯ einem zweiten Anschluss, and dem der zweite Pol der Empfangsantenne angeschlossen ist,
- - einer zweipoligen Sende-Antenne, deren Pole zur Aussendung eines Auswertungssignals jeweils an einem Pfadanfang und an einem Pfadende der zwei Signalpfade kontaktiert sind. Dabei ist die Sende-Antenne vorzugsweise auf die doppelte Frequenz des Anregungssignals abgestimmt.
- - A first signal path, with at least
- ◯ a first diode,
- ◯ a measurement impedance dependent on the measured variable, and
- ◯ a first connection for a first pole
- - a two-pole receiving antenna, the impedance of which is adapted to the frequency of a defined excitation signal,
- - A quasi-parallel, second signal path with at least
- ◯ a second diode,
- Referenz a reference impedance, the value of which preferably corresponds approximately to the value range of the measurement impedance, and
- ◯ a second connection to which the second pole of the receiving antenna is connected,
- - A two-pole transmitting antenna, the poles of which are contacted for sending an evaluation signal at the beginning of the path and at the end of the two signal paths. The transmitting antenna is preferably tuned to twice the frequency of the excitation signal.
Dieser erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht, dass auf passive Weise ein elektromagnetisches Auswertungssignal erzeugt wird, dessen Amplituden-Spektrum einerseits konstante Anteile, aber auch Mess-Impedanz-abhängige Anteile aufweist. Somit lässt sich aus dem Mess-Impedanz-abhängigen Anteil die Messgröße bestimmen, wobei der konstante Anteil des Amplituden-Spektrums von der Referenz-Impedanz abhängt. Hierdurch lässt sich der Messwert als absolute Größe bestimmen. Dadurch, dass es erfindungsgemäß nicht fest vorgeschrieben ist, ob die Mess-Impedanz des Sensors als resistives, kapazitives und/oder auch als induktives Bauelement ausgelegt ist, kann der Sensor potentiell zur Bestimmung einer Vielzahl an Messgrößen herangezogen werden. Bei resistiver Auslegung kann die Mess-Impedanz beispielsweise als temperaturabhängiger Widerstand, insbesondere als Pt100-Element, oder als Dehnungsmessstreifen ausgelegt werden. Im Falle kapazitiver Auslegung kann die Mess-Impedanz zum Beispiel als Feuchte- oder Druck-abhängiger Kondensator ausgelegt sein.This structure according to the invention enables an electromagnetic evaluation signal to be generated in a passive manner, the amplitude spectrum of which has constant components on the one hand, but also components that are dependent on the measurement impedance. The measured variable can thus be determined from the component that is dependent on the measurement impedance, the constant component of the amplitude spectrum being dependent on the reference impedance. This allows the measured value to be determined as an absolute variable. Because it is not strictly prescribed according to the invention whether the measurement impedance of the sensor is designed as a resistive, capacitive and / or also as an inductive component, the sensor can potentially be used to determine a large number of measured variables. With a resistive design, the measurement impedance can be designed, for example, as a temperature-dependent resistor, in particular as a Pt100 element, or as a strain gauge. In the case of a capacitive design, the measurement impedance can be designed, for example, as a humidity- or pressure-dependent capacitor.
In einer möglichen Erweiterung des erfindungsgemäßen Sensors kann im ersten Signalpfad in gleicher Ausrichtung zur ersten Diode (also in Bezug zum Pfadanfang in entgegengesetzter Ausrichtung zur zweiten Diode) außerdem eine dritte Diode angeordnet sein, wobei der erste Anschluss zum ersten Pol der Empfangsantenne in diesem Fall zwischen der ersten Diode und der dritten Diode angeordnet ist. Analog hierzu kann im zweiten Signalpfad in gleicher Ausrichtung zur zweiten Diode (also wiederum in Bezug zum Pfadanfang in entgegengesetzter Ausrichtung zur ersten und gegebenenfalls dritten Diode) wiederum eine vierte Diode angeordnet werden. Der zweite Anschluss zum zweiten Pol der Empfangsantenne ist hierbei wiederum zwischen der zweiten Diode und der vierten Diode angeordnet. Bei dieser Auslegungsvariante wirken die vier Dioden als Brückengleichrichterschaltung, wodurch das Auswertungssignal mit erhöhter Effizienz erzeugt und somit erhöhter Leistung ausgesendet werden kann.In a possible extension of the sensor according to the invention, a third diode can also be arranged in the first signal path in the same orientation as the first diode (i.e. in relation to the beginning of the path in the opposite orientation to the second diode), the first connection to the first pole of the receiving antenna in this case the first diode and the third diode is arranged. Similarly, in the second Signal path in the same orientation to the second diode (again in relation to the beginning of the path in the opposite orientation to the first and possibly third diode) in turn a fourth diode can be arranged. The second connection to the second pole of the receiving antenna is in turn arranged between the second diode and the fourth diode. In this design variant, the four diodes act as a bridge rectifier circuit, whereby the evaluation signal can be generated with increased efficiency and thus increased power can be transmitted.
Erfindungsgemäß wird der passive Sensors im Rahmen eines Mess-Systems betrieben, das neben dem Sensor gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten eine übergeordnete Einheit zur Ansteuerung des Sensors umfasst. Dabei ist die übergeordnete Einheit ausgelegt ist, um
- ◯ das Anregungssignal gen Sensor auszusenden,
- ◯ ein von der Sendeantenne des Sensors ausgesendetes Auswertungssignal zu empfangen,
- ◯ im Auswertungssignal eine erste Amplitude, die dem ersten Signalpfad zuordbar ist, zu erfassen,
- ◯ im Auswertungssignal eine zweite Amplitude, die dem zweiten Signalpfad zuordbar ist, zu erfassen,
- ◯ anhand der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude die Messgröße zu bestimmen.
- ◯ send the excitation signal to the sensor,
- ◯ to receive an evaluation signal sent by the transmitting antenna of the sensor,
- ◯ to detect a first amplitude in the evaluation signal that can be assigned to the first signal path,
- ◯ to detect a second amplitude in the evaluation signal, which can be assigned to the second signal path,
- ◯ to determine the measured variable based on the first amplitude and the second amplitude.
Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Begriff „Einheit‟ prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie einem FPGA oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Füllstandsmessgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.In the context of the invention, the term “unit” is understood to mean in principle any electronic circuit that is designed to be suitable for the intended use. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding process steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit. In this context, different electronic units of the fill level measuring device in the sense of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated by means of the same physical digital circuit.
Damit das Mess-System im Rahmen funktechnischer Zulassungen eingesetzt werden kann, ist die übergeordnete Einheit vorzugsweise so auszulegen, dass das Anregungssignal mit einer Frequenz, die in einem der ISM-Bänder („industrial, Scientific and Medical Band“) liegt, erzeugt.So that the measuring system can be used within the scope of radio approvals, the higher-level unit should preferably be designed in such a way that the excitation signal is generated with a frequency that lies in one of the ISM bands (“industrial, scientific and medical band”).
Zur Bestimmung der Messgröße kann die übergeordnete Einheit beispielsweise so konfiguriert werden, dass die erste Amplitude und die zweite Amplitude mittels einer Fourier-Transformation ermittelt werden, z. B. indem die übergeordnete Einheit die entsprechende Amplitude über eine jeweils vorbekannte Frequenz im Fourier-Spektrum dem jeweiligen Signalpfad zuordnet. Dabei kann die Messgröße bestimmt werden, indem die übergeordnete Einheit ein Verhältnis zwischen der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude berechnet, wobei der Messwert durch die übergeordnete Einheit im Anschluss anhand des berechneten Verhältnisses bestimmt wird.To determine the measured variable, the higher-level unit can be configured, for example, in such a way that the first amplitude and the second amplitude are determined by means of a Fourier transformation, e.g. B. in that the higher-level unit assigns the corresponding amplitude to the respective signal path via a previously known frequency in the Fourier spectrum. The measured variable can be determined by the superordinate unit calculating a ratio between the first amplitude and the second amplitude, the measured value being subsequently determined by the superordinate unit on the basis of the calculated ratio.
Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Mess-System wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, auch durch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Mess-Systems gelöst. Demnach umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- - Aussenden des Anregungssignals gen Sensor,
- - Empfang des von der Sendeantenne ausgesendeten Auswertungssignals,
- - Erfassung einer erste Amplitude des Auswertungssignals, die dem ersten Signalpfad zuordbar ist,
- - Erfassung einer zweiten Amplitude des Auswertungssignals, die dem zweiten Signalpfad zuordbar ist,
- - Bestimmung de Messgröße anhand der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude.
- - Sending the excitation signal to the sensor,
- - Reception of the evaluation signal sent by the transmitting antenna,
- - Detection of a first amplitude of the evaluation signal, which can be assigned to the first signal path,
- - Detection of a second amplitude of the evaluation signal, which can be assigned to the second signal path,
- - Determination of the measured variable on the basis of the first amplitude and the second amplitude.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Ein erfindungsgemäßes Mess-System an einem Behälter, -
2 : Eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Sensors -
3 : Eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Sensors, -
4 : einen zeitlichen Signal-Verlauf des Auswertungssignals, und -
5 : ein Frequenz-Spektrum des Auswertungssignals.
-
1 : A measuring system according to the invention on a container, -
2 : A first variant of the sensor according to the invention -
3rd : A second variant of the sensor according to the invention, -
4th : a signal curve over time of the evaluation signal, and -
5 : a frequency spectrum of the evaluation signal.
Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in
Zur Bestimmung des entsprechenden Messwertes umfasst das Mess-System
Erfindungsgemäß ist der Sensor
Wie in
Die übergeordnete Einheit
Erfindungsgemäß ist die erste Impedanz
Unabhängig von deren Realisierung ist es in Bezug zur ersten Impedanz
Zwischen der jeweiligen Diode
Wie aus
Der zeitliche Verlauf des Auswertungssignals
Da sich das Verhältnis der Amplituden
Eine zweite Variante zur Realisierung des erfindungsgemäßen Sensors
Weiterhin ist bei der in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Sensorsensor
- 22
- Übergeordnete EinheitParent unit
- 33
- Behältercontainer
- 44th
- FüllgutFilling material
- 1111
- Erster SignalpfadFirst signal path
- 1212th
- EmpfangsantenneReceiving antenna
- 1313th
- Zweiter SignalpfadSecond signal path
- 1414th
- SendeantenneTransmitting antenna
- 111111
- Erste DiodeFirst diode
- 112112
- Mess-ImpedanzMeasurement impedance
- 113113
- Erster AnschlussFirst connection
- 114114
- Dritte DiodeThird diode
- 130130
- PfadanfangBeginning of the path
- 131131
- Zweite DiodeSecond diode
- 132132
- Referenz-ImpedanzReference impedance
- 133133
- Zweiter AnschlussSecond connection
- 134134
- Vierte DiodeFourth diode
- 135135
- PfadendeEnd of the path
- A11A11
- Erste AmplitudeFirst amplitude
- A13A13
- Zweite AmplitudeSecond amplitude
- EHFEHF
- AuswertungssignalEvaluation signal
- f11, 13f11, 13
- FrequenzenFrequencies
- SHFSHF
- AnregungssignalExcitation signal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 20090272814 A1 [0003]US 20090272814 A1 [0003]
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---|---|---|---|
DE102019133249.4A DE102019133249A1 (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Passive sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102019133249.4A DE102019133249A1 (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Passive sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102019133249A1 true DE102019133249A1 (en) | 2021-06-10 |
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ID=75962091
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---|---|
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-
2019
- 2019-12-05 DE DE102019133249.4A patent/DE102019133249A1/en active Pending
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