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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät zur Erfassung einer Messgröße sowie ein System mit einem solchen Messgerät.
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Hintergrund der Erfindung
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Messgeräte zur Erfassung einer Messgröße sind im Stand der Technik bekannt und werden insbesondere im Rahmen der Automatisierungstechnik für eine Vielzahl von unterschiedlichen Mess- und Überwachungsaufgaben eingesetzt. Beispielsweise können mit derartigen Messgeräten Füllstände, Durchflüsse, Drücke oder Dichten von Medien erfasst und überwacht werden. Die eingesetzten Messgeräte müssen dabei zunächst in Betrieb genommen werden und auf ihre konkreten Einsatzbedingungen und Messaufgaben eingestellt/kalibriert werden. Üblicherweise werden derartige Messgeräte zudem auch während des Betriebs in regelmäßigen Abständen gewartet und auf ihre Funktionalität geprüft. Moderne Messgeräte bieten in diesem Zusammenhang eine Vielzahl von Einstellungs- und Diagnosemöglichkeiten an, wobei diesbezüglich vermehrt mobile Bediengeräte, wie beispielsweise Smartphones, Tablets oder Laptops, eingesetzt werden, die mittels einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle einen Zugriff und Datenaustausch mit dem Messgerät erlauben. Beispielsweise ist aus der
US 8,179,266 B2 ein Messgerät bekannt, das eine drahtlose Kommunikation einem Bediengerät mittels einer RFID-Schnittstelle erlaubt. Das Messgerät umfasst dabei ein Spulenelement, das mit einem Spulenelement des Bediengeräts magnetisch gekoppelt werden kann, so dass ein entsprechender Datenaustausch erfolgen kann. Auch besteht durch die induktive Kopplung zudem die Möglichkeit, die für den Betrieb der Kommunikationsschnittstelle notwendige Energie zu übertragen, soweit dies nicht durch eine im Messgerät vorgesehen Energiequelle erfolgt.
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Aus
DE 10 2011 081 517 A1 ist ein Feldgerät mit einem RFID Chip bekannt.
US 2019/0095660 A1 offenbart eine Antenne für Nahfeld-Kommunikation, die auf der Oberfläche eines zylindrischen Gehäuses angeordnet ist.
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Es hat sich nunmehr herausgestellt, dass ein weiterer Bedarf besteht, den Datenaustausch zwischen einem solchen Messgerät und einem mobilen Bediengerät weiter zu verbessern bzw. zu vereinfachen. Insbesondere besteht ein weiterer Bedarf, die induktive Kopplung zwischen Bediengerät und Messgerät zu vereinfachen, da sich in der Praxis herausgestellt hat, dass dieser Vorgang, insbesondere bei Messgeräten mit einem im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse, vergleichsweise fehleranfällig ist und ein Benutzer häufig mehrere Versuche benötigt, um eine zufriedenstellende induktive Kopplung zwischen den beiden Geräten herstellen zu können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messgerät bereitzustellen, mit dem ein Datenaustausch mit einem mobilen Bediengerät vereinfacht werden kann. Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Datenaustausch mit Messgeräten zu vereinfachen, die mit einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse bereitgestellt sind. Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Messgerät zur Erfassung zumindest einer Messgröße bereit, wobei das Messgerät umfasst: zumindest eine Kommunikationseinrichtung, eingerichtet zur drahtlosen Nahbereichskommunikation mit einem mobilen Bediengerät; wobei die Kommunikationseinrichtung eine oder mehrere flächig ausgebildete Spulenelemente umfasst, eingerichtet zur elektromagnetischen Kopplung mit zumindest einem Spulenelement des Bediengeräts; und wobei zumindest zwei Bereiche an einem Spulenelement oder an unterschiedlichen Spulenelementen der Kommunikationseinrichtung vorgesehen sind, die einen unterschiedlichen Normalenvektor aufweisen, wobei zumindest ein Spulenelement als separates Bauteile ausgebildet ist und mit einem Leiterplattenelement elektrisch verbunden ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei bekannten Messgeräten mit einer Kommunikationseinrichtung, die auf einer induktiven Kopplung eines Spulenelements eines Messgeräts und eines Spulenelements eines Bediengeräts basiert, eine induktive Kopplung dann maximal ist, wenn beide Spulenelemente parallel und überlappend zueinander ausgerichtet sind. Sind die Spulenelemente demgegenüber orthogonal zueinander angeordnet, so kann keine oder nur eine sehr schlechte induktive Kopplung erreicht werden. In den Zwischenbereichen, d.h. zwischen einer parallelen Anordnung und einer orthogonalen Anordnung der Spulenelemente zueinander, nimmt die Kopplungsqualität entsprechend ab. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass dies insbesondere bei Messgeräten mit zylindrischen Gehäusen problematisch ist, da ein Benutzer von außen grundsätzlich nicht erkennen kann, in welcher Lage das Spulenelement des Messgeräts nach Einbau dieses angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung schlägt nunmehr vor, an einem Spulenelement oder an unterschiedlichen Spulenelementen Bereiche vorzusehen, die unterschiedliche Normalenvektoren aufweisen. Mit anderen Worten schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass Bereiche eines Spulenelements oder Bereiche mehrerer Spulenelemente vorgesehen sind, die im Messgerät unterschiedlich ausgerichtet angeordnet sind, so dass mehrere Bereiche vorhanden sind, die mit einem Spulenelemente eines Bediengeräts parallel ausgerichtet werden können. Dadurch kann eine optimale induktive Kopplung nicht nur in einer Richtung bereitgestellt werden, sondern in zumindest zwei Richtungen, so dass eine induktive Kopplung eines Bediengeräts und eines Messgeräts einfacher durch einen Bediener bereitgestellt werden kann.
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Der Begriff Bereich ist dabei breit zu verstehen und umfasst nicht nur plane/ebene Flächen, die an einem oder mehreren Spulenelementen vorgesehen sind, sondern insbesondere auch gekrümmte, gewinkelte oder gewickelte Flächen, die an einem Spulenelement oder unterschiedlichen Spulenelementen vorgesehen sind, solange dadurch zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichen Normalenvektoren, d.h. mit unterschiedlicher Ausrichtung, bereitgestellt werden. Der Begriff des Messgeräts ist vorliegend ebenfalls breit zu verstehen und umfasst alle Einheiten, wie beispielsweise Sensoren, Feldgeräte und dergleichen, mit denen Messgrößen erfasst werden können und die eingerichtet sind mittels einer induktiven Kopplung von Spulenelementen einen Daten- und/oder Energieaustausch mit einem mobilen Bediengerät durchzuführen. Unter einer Nahbereichskommunikation ist vorliegend vorzugsweise ein sogenanntes „Close Coupling“ oder ein „Remote Coupling“ zu verstehen, die beispielsweise durch vorliegend besonders bevorzugt eingesetzte RFID-Schnittstellen oder NFC-Schnittstellen bereitgestellt werden können. Der Begriff Nachbereichskommunikation umfasst dabei Reichweiten bis zu einigen Metern. Ein Zugriff aus größeren Distanzen soll aus Sicherheitsgründen grundsätzlich nicht bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Messgerät ein Gehäuse mit zumindest einem zylindrischen Abschnitt, wobei zumindest ein Spulenelement vorzugsweise an oder im zylindrischen Abschnitt des Gehäuses angeordnet ist. Ein Gehäuse eines Messgeräts kann allerdings unterschiedliche geometrische Formen aufweisen, wobei gerade bei im wesentlichen zylindrischen Gehäusen die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann. Denn Messgeräte werden häufig mittels eines am Gehäuse vorgesehenen Gewindeabschnitts am Einbauort angeordnet, sodass die endgültige Orientierung des Messgerätes und damit der Kommunikationseinrichtung nicht exakt vorbestimmbar ist und für den Bediener anschließend von außen nicht klar erkennbar ist, wie die Kommunikationseinrichtung im Messgerät angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist zumindest ein Spulenelement auf einem separaten Leiterplattenelement angeordnet. Das Spulenelement kann beispielsweise Teil eines RFID-Moduls oder eines NFC-Moduls sein, das als Leiterplattenbauteil (PCB) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Spulenelement als separates Bauteile ausgebildet und mit einem im Gehäuse angeordneten Leiterplattenelement elektrisch verbunden, wobei vorzugsweise zwei Spulenelemente als separate Bauteile ausgebildet sind, die vorzugsweise mit einem Leiterplattenelement verbunden sind, wobei die Spulenelemente jeweils auch mit einem separaten Leiterplattenelement verbunden sein können. Mit anderen Worten umfasst die vorliegende Erfindung Ausführungsformen, bei denen das oder die Spulenelemente fest auf einem Leiterplattenelement angeordnet sind und Ausführungsformen, bei denen die Spulenelemente als separate Bauteile angeordnet sind und mit einem Leiterplattenelement elektrisch kontaktiert werden, wobei pro Spulenelement jeweils eine zugehöriges Leiterplattenelement vorgesehen sein kann oder für mehrere Spulenelemente lediglich ein Leiterplattenelement vorgesehen sein kann. Auf den Leiterplattenelementen können dabei die für die Kommunikation notwendigen elektronischen Bauteile angeordnet werden, sowie weitere elektronische Komponenten, die für die jeweilige Messaufgabe des Messgeräts notwendig sind. Auch können auf oder an einem Leiterplattenelement Komponenten für die Energieversorgung/-übertragung vorgesehen sein. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung sowohl aktive als auch passive Kommunikationseinrichtungen umfasst, d.h. Kommunikationseinrichtungen mit oder ohne Energieversorgung.
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Vorzugsweise umfasst die Kommunikationseinrichtung zwei Spulenelemente, die jeweils in einer Ebenen angeordnet sind und deren Normalenvektoren mit einem Winkel zwischen 15° und 165 °, vorzugsweise zwischen 45° und 135° und besonders bevorzugt mit einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, wobei die Spulenelemente vorzugsweise auf jeweiligen Leiterplattenelementen angeordnet sind. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass zwei orthogonal zueinander angeordnete Leiterplattenelemente mit jeweils darauf angeordneten Spulenelementen in einem zylindrischen Gehäuseabschnitt des Messgerätes angeordnet sind, sodass in einem vergleichsweise großen Bereich um das Messgerät herum eine gute induktive Kopplung mit einem mobilen Bediengerät erreicht werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, dass die Kommunikationseinrichtung zumindest ein Spulenelement mit einer gekrümmten Fläche umfasst, wobei die gekrümmte Fläche vorzugsweise einer Teilfläche einer Zylindermantelfläche entspricht. In dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, dass das Spulenelement als separates Bauteil ausgebildet ist und mit einem entsprechenden im Gehäuse angeordneten Leiterplattenelement verbunden ist. Beispielsweise kann ein derartiges Spulenelement an einer Innen- oder Außenfläche des Gehäuses aufgebracht werden. Ein solches Spulenelement kann beispielsweise als Folienelement ausgebildet sein, das auf eine Innen- oder Außenfläche des Gehäuses aufgeklebt werden kann. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, zwei oder mehrere Spulenelemente auf eine Innen- oder Außenfläche des Gehäuses aufzubringen. Die Verwendung von zwei bzw. mehrerer Spulenelemente kann dabei eine gewisse Redundanz bereitstellen, da bei Ausfall eines der Spulenelemente zumindest noch eine Kommunikation mit den übrigen Spulenelementen erfolgen kann. Die Ausbildung der Spulenelemente als Folienelement ist besonders bevorzugt, da diese vergleichsweise einfach bei der Fertigung eines Messgeräts im oder an einem Gehäuse angeordnet werden können und zudem eine vergleichsweise große Fläche des Gehäuses bedecken können, ohne dabei viel Bauraum in Anspruch zu nehmen.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, zumindest ein Spulenelement bzw. dessen Windungen/Wicklungen auf einer Innen- oder Außenfläche des Gehäuses aufzudrucken. Auch dadurch kann die Gehäusefläche zur Aufnahme eines oder mehrerer Spulenelemente genutzt werden und die eingesetzten Spulenelemente können ohne großen Bauraumbedarf vorgesehen werden.
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Ferner kann ein Spulenelement auch innerhalb einer Wandung des Gehäuses integral aufgenommen werden, wobei die Wandung vorzugsweise zumindest teilweise aus einem nicht metallischen Material, insbesondere einem Kunststoffmaterial, ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise durch ein mehrstufiges Spritzgussverfahren oder durch ein 2-Komponenten Spritzgussverfahren bereitgestellt werden. Ein nicht metallisches Material wird vorzugsweise zumindest dort am Messgerät eingesetzt, wo eine ungehinderte induktive Kopplung mit einem mobilen Bediengerät bereitgestellt werden soll. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass das Gehäuse bis auf einen Gewindeabschnitt aus einem Kunststoffmaterial bereitgestellt wird, sodass ein möglichst großer Bereich bereitgestellt werden kann, in dem eine gute induktive Kopplung mit einem mobilen Bediengerät ermöglicht wird. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines solchen Gehäuses beschränkt. Ferner besteht die Möglichkeit Spulenelemente auch an einem metallischen Gehäuseabschnitt anzuordnen und ein nicht leitendendes Material, beispielsweise eine Folie, zwischen Gehäuse und Spulenelement vorzusehen, um das Spulenelement vom Gehäuse zu isolieren.
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Schließlich besteht die Möglichkeit, zumindest ein Spulenelement an oder in einem Deckelelement anzuordnen, sodass auch an einem Deckelelement eine induktive Kopplung mit einem mobilen Bediengerät ermöglicht werden kann. Dadurch besteht die Möglichkeit, denn Bereich, indem eine gute induktive Kopplung bereitgestellt werden kann, nochmals zu vergrößern und beispielsweise auch quer zu einer Längserstreckung des Messgeräts eine induktive Kopplung zu erlauben.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Erfassung einer Messgröße umfassend: zumindest ein oben beschriebenes Messgerät und zumindest ein mobiles Bediengerät, eingerichtet zur elektromagnetischen Kopplung mit zumindest einem Spulenelement des Messgeräts.
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Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben, darin zeigt
- 1 mehrere schematische Ansichten einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts;
- 2 zwei schematische Ansichten einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts; und
- 3 eine schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts.
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Die 1a bis 1d zeigen mehrere schematische Ansichten einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts 100, beispielsweise in Form eines Radarsensors.
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Das Messgerät 100 umfasst einen zylindrischen Gehäuseabschnitt 101, der besonders bevorzugt aus einem nicht metallischen Material, beispielsweise einem Kunststoff, bereitgestellt ist. Der zylindrische Gehäuseabschnitt 101 kann dabei auch nur teilweise aus einem nicht metallischen Material gebildet sein, insbesondere an den Stellen, die benachbart zu den Spulenelementen 106, 111 vorgesehen sind, um eine induktive Kopplung an diesen Stellen zu ermöglichen. Am zylindrischen Gehäuseabschnitt 101 schließt sich vorzugsweise ein Gewindeabschnitt 102 an, mit dem das Messgerät 100 an einem Einbauort angeordnet werden kann. Im zylindrischen Gehäuseabschnitt 101 ist eine Hauptplatine 105 mit einem ersten Spulenelement 106 und eine Nebenplatine 110 mit einem zweiten Spulenelement 111 angeordnet.
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Die Platinen 105, 110 können dabei als RFID-Module mit jeweils einem RFID-Chip bereitgestellt werden oder, wie in der gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform, mit nur einem RFID-Chip 107 ausgestattet sein. Wie in den 1 gut zu erkennen ist, sind die Platinen 105, 110 planar ausgebildet und derart zueinander positioniert, dass deren Flächennormalen in unterschiedliche Richtungen zeigen, nämlich in der gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform mit einem Winkel von ungefähr 90° zueinander angeordnet sind Im Vergleich zu den in den 1a und 1b gezeigten Abbildungen ist das Messgerät 100 in den 1c und 1d um 90° um seine Längsachse rotiert dargestellt.
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Wie in den 1 angedeutet, kann eine induktive Kopplung eines mobilen Bediengeräts 200 mit dem Messgerät 100 je nach Positionierung am Umfang des Messgerätes 100 entweder mittels des ersten Spulenelements 106 oder mittels des zweiten Spulenelements 111 bereitgestellt werden. Eine induktive Kopplung und damit eine Kommunikation ist folglich an jeder Stelle entlang des Umfangs des zylinderförmigen Gehäuseabschnitts 101 möglich, sodass die Zuverlässigkeit des Datenaustausches dadurch erheblich verbessert kann werden. Insbesondere kann dadurch verhindert werden, dass ein Bediener mehrmals versuchen muss, eine induktive Kopplung zwischen dem Messgerät 100 und dem mobilen Bediengerät 200 herzustellen.
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2 zeigt zwei schematische Ansichten einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts 300. Das Messgerät 300 umfasst wiederum einen zylindrischen Gehäuseabschnitt 301 und einen Gewindeabschnitt 302. Ferner umfasst das Messgerät 300 in dieser Ausführungsform eine Hauptplatine 305, umfassend einen RFID-Chip, und ein Spulenelement 306, hier in Form eines Folienelements 306, das mittels Verbindungsleitungen und/oder Kontaktierungstifte 307 mit der Hauptplatine 305 verbunden ist. Das Spulenelement 306 ist dabei an einer Innenfläche des zylindrischen Gehäuseabschnitts 301 angeordnet und weist daher die Form einer Teilzylindermantelfläche auf.
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In der gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Spulenelement 306 über mehr als die Hälfte der zylindrischen Innenfläche des zylindrischen Gehäuseabschnitts 301. Das Spulenelement 306 kann dabei beispielsweise als separates Element in den zylindrischen Gehäuseabschnitt 301 eingeklebt werden oder beispielsweise auch durch Aufdrucken von metallischen Bahnen eingebracht werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit das Spulenelement 306 integral in der Wandung des zylindrischen Gehäuseabschnitts 301 anzuordnen, beispielsweise durch ein 2-Komponenten-Spritzgussverfahren. Alternativ besteht darüber hinaus die Möglichkeit, das Spulenelement 306 auf der Außenseite des zylindrischen Gehäuseabschnitts 301 anzuordnen, beispielsweise durch Aufkleben.
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Alternativ zur Verwendung eines nicht leitenden Materials für den zylindrischen Gehäuseabschnitt 301 besteht auch die Möglichkeit, die dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 301 zugewandte Seite des Spulenelements 306 mit einem magnetisch leitenden Material zu versehen, sodass eine induktive Kopplung grundsätzlich auch bei Verwendung eines vollständig metallischen Gehäuse ermöglicht werden kann.
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3 zeigt eine schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts 400, umfassend einen zylindrischen Gehäuseabschnitt 401 und einen Gewindeabschnitt 402. Im zylindrischen Gehäuseabschnitt 401 sind in dieser Ausführungsform zwei Spulenelemente 406, 411 angeordnet, die an unterschiedlichen Stellen an der Innenfläche des zylindrischen Gehäuseabschnitts 401 angeordnet sind. Die Spulenelement der 406, 411 sind wiederum mittels Verbindungsleitungen und/oder Kontaktierungsstifte 407 mit einer Hauptplatine 405, die zumindest einen RFID-Chip umfasst, verbunden. Das in 3 gezeigte Messgerät 400 umfasst darüber hinaus ein Deckelelement 412, mit dem das Gehäuse gegenüber der Umgebung abgedichtet werden kann, und in das ebenfalls ein Spulenelement angeordnet werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ist dabei allerdings nicht auf die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt, solange sie vom Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. Insbesondere können an einem Messgerät unterschiedliche Spulenelemente bzw. unterschiedliche Kombinationen von Spulenelementen vorgesehen sein, beispielsweise in Form von eigenständigen RFID-/NFC-Leiterplattenmodulen, separaten Folienelementen, integral in eine Gehäusewandung angeordneten Spulenelementen, wobei die Spulenelemente auf unterschiedliche Weise in oder auf ein Gehäuse angeordnet/eingebracht werden können, beispielsweise mittels Aufkleben, Bedrucken oder dergleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- erste bevorzugte Ausführungsform eines Messgeräts
- 101
- zylindrischer Gehäuseabschnitt
- 102
- Gewindeabschnitt
- 105
- Hauptplatine
- 106
- erstes Spulenelement
- 107
- RFID-Chip
- 110
- Nebenplatine
- 111
- zweites Spulenelement
- 200
- mobiles Bediengerät
- 300
- zweite bevorzugte Ausführungsform eines Messgeräts
- 301
- zylindrischer Gehäuseabschnitt
- 302
- Gewindeabschnitt
- 305
- Hauptplatine
- 306
- Spulenelement
- 307
- Verbindungsleitungen/Kontaktierungsstifte
- 400
- dritte bevorzugte Ausführungsform eines Messgeräts
- 401
- zylindrischer Gehäuseabschnitt
- 402
- Gewindeabschnitt
- 405
- Hauptplatine
- 406
- erstes Spulenelement
- 407
- Verbindungsleitungen/Kontaktierungsstifte
- 411
- zweites Spulenelement
- 412
- Deckelelement
