DE102020117512A1

DE102020117512A1 - Elektronische Messeinrichtung sowie Verfahren zur Erfassung einer Messgröße

Info

Publication number: DE102020117512A1
Application number: DE102020117512.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Krämer; Patrick Heizmann; Stefan Allgaier
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Messeinrichtung (1, 11) zur Erfassung einer Messgröße, aufweisend wenigstens einen elektronischen Messsensor (2), der eingerichtet und angeordnet ist, die Messgröße in einer Messbetriebsart der Messeinrichtung (1, 11), in welcher der Messsensor (2) mit elektrischer Energie versorgt ist, zu bestimmen, und eine Detektionsvorrichtung (6), die eingerichtet und angeordnet ist, das Auftreten eines vorbestimmten Ereignisses zu detektieren und infolge der Detektion des Ereignisses einen Zustandswechsel aus einer gegenüber der Messbetriebsart energieverbrauchsreduzierten Ruhebetriebsart der Messeinrichtung (1, 11) in die Messbetriebsart zu bewirken, wobei das Ereignis ein Benetzen der Detektionsvorrichtung (6) mit einem oder mehreren Flüssigkeitstropfen (7) ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erfassung einer Messgröße mit einer elektronischen Messeinrichtung (1, 11).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Messeinrichtung zur Erfassung einer Messgröße mit einem elektronischen Messsensor sowie ein Verfahren zur Erfassung einer Messgröße mit einer solchen Messeinrichtung. Die Messeinrichtung weist zwei Betriebszustände auf, eine Messbetriebsart, in welcher der Messsensor mit elektrischer Energie versorgt ist, und eine Ruhebetriebsart, in welcher der Energieverbrauch der Messeinrichtung gegenüber ihrer Messbetriebsart deutlich reduziert ist.
Allgemein ist es üblich, elektronische Messsensoren dauerhaft oder zumindest in einem fest vorgegebenen Zeitraster zu betreiben, um im letztgenannten Fall den Energieverbrauch der Messeinrichtung wenigstens in einem gewissen Maß zu reduzieren. Dennoch führen diese Betriebsarten immer noch zu einem verhältnismäßig hohen Energieverbrauch. Wird die Messeinrichtung mit Batterien oder Akkumulatoren elektrisch betrieben, sind eine regelmäßige Überwachung des Ladungszustands sowie der Austausch von verbrauchten Batterien/Akkumulatoren erforderlich. Dies hat u. a. einen hohen Wartungsaufwand zur Folge.
In bestimmten Anwendungsszenarien werden manche Messungen nur wenige Male pro Tag oder Woche oder Jahr (z. B. Füllstandüberwachung bei Starkregen) ausgeführt. Bei den vorstehend genannten Betriebsarten von Messsensoren verbrauchen diese somit unnötig viel Energie.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wartungsarme und energiesparende elektronische Messeinrichtung zur Erfassung einer Messgröße sowie ein Verfahren zur Erfassung einer Messgröße mit ebendiesen Eigenschaften bereitzustellen. Im Fall eines Batteriebetriebs der Messeinrichtung soll ihre autarke Laufzeit zwischen Batteriewechseln wesentlich erhöht werden bzw. die Zahl notwendiger Batteriewechsel pro Zeitraum erheblich verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine elektronische Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Erfindungsgemäß weist eine elektronische Messeinrichtung zur Erfassung einer Messgröße wenigstens einen elektronischen Messsensor, z. B. Radar- oder Mikrowellensensor und dergleichen, auf, der eingerichtet und angeordnet ist, die Messgröße in einer Messbetriebsart der Messeinrichtung, in welcher der Messsensor mit elektrischer Energie versorgt ist, zu bestimmen. Des Weiteren weist die Messeinrichtung gemäß der Erfindung eine Detektionsvorrichtung auf, die eingerichtet und angeordnet ist, das Auftreten eines vorbestimmten Ereignisses zu detektieren und infolge der Detektion des Ereignisses einen Zustandswechsel aus einer gegenüber der Messbetriebsart energieverbrauchsreduzierten Ruhebetriebsart der Messeinrichtung in die Messbetriebsart zu bewirken. Mit anderen Worten kann sich die erfindungsgemäße Messeinrichtung in zwei Betriebszuständen befinden, nämlich in der Messbetriebsart und in der Ruhebetriebsart, die sich durch einen erheblich geringeren Energieverbrauch gegenüber der Messbetriebsart auszeichnet. Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass das von der Detektionsvorrichtung zu detektierende Ereignis ein Benetzen der Detektionsvorrichtung mit einem oder mehreren Flüssigkeitstropfen ist.
Die Erfindung ermöglicht, die Messeinrichtung ereignisorientiert, vorliegend als Folge des Benetzens der Detektionsvorrichtung mit wenigstens einem Flüssigkeitstropfen, in den Messbetrieb zu schalten, in welchem beispielsweise lediglich eine einmalige Bestimmung der von dem Messsensor zu erfassenden Messgröße bei erhöhtem Energieverbrauch der Messeinrichtung stattfindet. Nach der Erfassung der Messgröße kann die Messeinrichtung wieder in ihren energieeffizienten Ruhebetrieb wechseln. Jedenfalls kann die Messeinrichtung zwischen zwei Messbetriebsarten in ihren Ruhebetrieb wechseln. Abhängig von der Auftretenshäufigkeit des Ereignisses lässt sich der Energieverbrauch der Messeinrichtung somit drastisch reduzieren. Damit eignet sich die Messeinrichtung gemäß der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise in solchen Anwendungsfällen, in denen lediglich eine eng begrenzte elektrische Energiemenge zur Verfügung steht, zum Beispiel bei einem Batterie-/Akkubetrieb der Messeinrichtung, ohne jedoch zwingend auf einen Batterie-/Akkubetrieb beschränkt zu sein.
Bei dem Flüssigkeitstropfen kann es sich beispielsweise um Regentropfen handeln, die auf die Detektionsvorrichtung fallen. Auch wenn dies eine besonders bevorzugte Ausführung des Erfindungsgegenstands darstellt, ist die Erfindung nicht auf Regentropfen als Flüssigkeitstropfen beschränkt. Denkbar ist zum Beispiel ebenfalls die Möglichkeit, dass die Flüssigkeitstropfen die Detektionsvorrichtung als Folge von kondensierendem Wasserdampf (Kondensatbildung) an oder in der (näheren) Umgebung der Detektionsvorrichtung benetzen.
Bevorzugte von dem Messsensor der erfindungsgemäßen Messeinrichtung zu bestimmende Messgrößen können eine Füllstandmessgröße, eine Grenzstandmessgröße oder eine Druckmessgröße sein. Der Messsensor ist dann eingerichtet und angeordnet, einen Füllstand, einen Grenzstand bzw. einen Druck eines flüssigen, festen oder gasförmigen Mediums zu bestimmen. Das Medium kann sich hierbei in einem (offenen oder geschlossenen) Behälter befinden, in welchem der genaue Füllstand des Mediums oder lediglich das Erreichen eines oder mehrerer vorbestimmter Grenzstände im Behälter oder der Behälterdruck bestimmt werden. Die Bestimmung eines Füllstands, Grenzstands oder Drucks eines Mediums kann ebenfalls in einer freien (z. B. natürlichen) Umgebung erfolgen, zum Beispiel einen Wasserstand (Pegel) eines Gewässers (z. B. Fluss, Kanal und dergleichen) oder ein Luftdruck.
Um einen besonders energieeffizienten Ruhebetrieb bereitzustellen, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Messeinrichtung vor, dass der Messsensor und/oder die Detektionsvorrichtung in der Ruhebetriebsart energielos geschaltet ist/sind, demnach entsprechend nicht mit elektrischer Energie versorgt sind. Die Messeinrichtung verbraucht dann in ihrer Ruhebetriebsart überhaupt keine elektrische Energie mehr.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Detektionsvorrichtung eingerichtet und angeordnet, aus der Benetzung der Detektionsvorrichtung durch den Flüssigkeitstropfen ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Aktivierung der Messbetriebsart bewirkt. Im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass das Signal im Wesentlichen allein ein elektrisches Informations-/Aktivierungssignal sein kann oder ein elektrisches Signal, das ebenso zur elektrischen Versorgung eines Verbrauchers, z. B. des Messsensors und/oder der Detektionsvorrichtung und/oder einer separaten elektronischen Steuervorrichtung, geeignet sein kann (elektrisches Energieversorgungssignal).
Eine elektronische Steuervorrichtung kann beispielsweise vorgesehen und eingerichtet sein, durch das Aktivierungssignal lediglich aktiviert zu werden, woraufhin die Steuervorrichtung schließlich den Messsensor zur Erfassung der Messgröße aktiviert und das Messergebnis von dem Messsensor empfängt. Die Steuervorrichtung kann ebenso einen automatischen Wechsel aus der Messbetriebsart in die Ruhebetriebsart der Messeinrichtung nach erfolgter Bestimmung der Messgröße und/oder nach einer vorbestimmten Zeitspanne veranlassen und/oder wenn keine Benetzung der Detektionsvorrichtung durch Flüssigkeitstropfen mehr vorliegt.
Eine Aktivierung des Messsensors kann leitungsgebunden oder drahtlos erfolgen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Detektionsvorrichtung eingerichtet und angeordnet, das elektrische Signal aus einer elektrochemischen Wechselwirkung des/der Flüssigkeitstropfen/s mit der Detektionsvorrichtung zu erzeugen. Je nach der durch die elektrochemische Wechselwirkung erzeugbaren elektrischen Energie kann das elektrische Signal allein ein Informations-/Aktivierungssignal oder auch ein elektrisches Energieversorgungssignal sein. In letztgenanntem Fall ist die Detektionsvorrichtung demnach ebenfalls eingerichtet, Energie aus an einem Einsatzort der Messeinrichtung zur Verfügung stehenden natürlichen Energiequellen, beispielsweise aus Regentropfen auf elektrochemische Weise, zu gewinnen, was auch als „Energy Harvesting“ bezeichnet werden kann.
Auch wenn eine allein auf elektrochemische Wechselwirkung beruhende Energiegewinnung besonders bevorzugt ist, ist zusätzlich zur elektrochemischen Energiegewinnung ebenfalls eine Nutzbarmachung von kinetischer Energie von auf die Detektionsvorrichtung fallenden Flüssigkeitstropfen (z. B. Regentropfen) denkbar.
Die elektrochemische Energiegewinnung bietet den wesentlichen Vorteil einer über einen gewissen Zeitraum kontinuierlich möglichen Energiegewinnung, so dass insgesamt eine größere, kontinuierliche Energiemenge gewonnen werden kann, als es beispielsweise lediglich bei Gewinnung der in den fallenden Flüssigkeitstropfen enthaltenen kinetischen Energie möglich ist.
Eine als Detektionsvorrichtung im Sinne der vorstehenden erfindungsgemäßen Ausgestaltung verwendbare Vorrichtung zur Gewinnung von elektrochemischer Energie aus Wassertropfen ist beispielsweise in dem am 5. Februar 2020 veröffentlichten Artikel in Nature, 578, S. 392-396, 5. Februar 2020 beschrieben.
Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische Signal eingerichtet, allein die Versorgung des Messsensors und/oder der Detektionsvorrichtung mit elektrischer Energie in der Messbetriebsart bereitzustellen, d. h. den Messsensor und/oder die Detektionsvorrichtung mit für den jeweiligen bestimmungsgemäßen Betrieb ausreichender elektrischer Energie zu versorgen. Die Energieversorgung des Messsensors kann leitungsgebunden oder drahtlos (z. B. Induktion) erfolgen. Wie bereits erwähnt, wirkt die Detektionsvorrichtung in dieser Ausgestaltung gleichzeitig sowohl als Tropfendetektor als auch als elektrischer Generator. Das von der Detektionsvorrichtung bereitgestellte elektrische Signal (vorliegend als Energieversorgungssignal) kann somit inhärent die Aktivierung der Messbetriebsart der Messeinrichtung durch die Bereitstellung der notwendigen Betriebsenergie bewirken. Findet keine Benetzung der Detektionsvorrichtung mit Flüssigkeitstropfen (mehr) statt, kehrt die Messeinrichtung aufgrund der dann ausbleibenden Energieerzeugung automatisch in den energielosen Ruhebetrieb zurück.
Alternativ oder zusätzlich kann die Messeinrichtung eine Batterie-/Akkumulatorversorgung des Messsensors und/oder der Detektionsvorrichtung und/oder einer separaten elektronischen Steuervorrichtung zur Steuerung des Messvorgangs bzw. des Betriebs der Messeinrichtung bereitstellen, auch wenn eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, die ohne jegliche Batterie- oder Akkuversorgung betreibbar ist, besonders bevorzugt ist.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands ist die Detektionsvorrichtung räumlich entfernt von dem Messsensor angeordnet, oder der Messsensor ist in einem Gehäuse aufgenommen, an dessen Außenwandung die Detektionsvorrichtung angebracht ist. Die Außenwandung kann beispielsweise ein Gehäusedeckel sein, in dem die Detektionsvorrichtung integriert ist. Als räumliche Entfernung kann zum Beispiel eine Entfernung von wenigstens einem halben Meter bis zu mehreren Metern, z. B. 5-10 Meter oder sogar bis zu etwa 100 Meter verstanden werden.
Die vom Messsensor nach dieser Ausgestaltung abgesetzte Anordnung der Detektionsvorrichtung ist besonders vorteilhaft für eine Nachrüstung bereits bestehender Messsensoren bzw. Messeinrichtungen geeignet.
Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine Sammelvorrichtung zum Sammeln mehrerer Flüssigkeitstropfen vorgesehen ist, die eingerichtet und angeordnet ist, die Flüssigkeitstropfen steuerbar abzugeben und der Detektionsvorrichtung zuzuführen. Hierdurch lässt sich u. a. die Menge und Anzahl der Flüssigkeitstropfen pro Zeitraum, die der Detektionseinrichtung zugeführt werden, gezielt steuern und damit letztendlich zum Beispiel der Zeitpunkt und die Dauer der Messbetriebsart der Messeinrichtung bzw. gegebenenfalls auch der Energiegewinnung durch die Detektionsvorrichtung.
Die Abgabe der Flüssigkeitstropfen aus der Sammelvorrichtung an die Detektionsvorrichtung kann in einer Ausgestaltung über eine vorbestimmbare Fallhöhe der Flüssigkeitstropen zur Detektionseinrichtung und/oder über eine vorbestimmbare, zwischen der Sammelvorrichtung und der Detektionsvorrichtung bereitgestellte und von den Flüssigkeitstropfen zu durchströmende Kapillare (z. B. über deren Durchmesser) einstellbar sein. Hierdurch können z. B. die Größe und Geschwindigkeit der die Detektionsvorrichtung benetzenden Tropfen gezielt beeinflusst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sammelvorrichtung räumlich entfernt von dem Messsensor und/oder der Detektionsvorrichtung angeordnet, oder der Messsensor ist in einem Gehäuse aufgenommen, an dessen Außenwandung die Sammelvorrichtung angebracht ist. Beispielsweise kann die Sammelvorrichtung in einem Gehäusedeckel des Sensorgehäuses integriert und vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass die Sammelvorrichtung derart ausgerichtet werden kann, dass möglichst viele Flüssigkeitstropfen aufgesammelt werden Wie bereits vorstehend erwähnt, ist als räumliche Entfernung eine Entfernung von wenigstens einem halben Meter bis zu mehreren Metern, z. B. 5-10 Meter oder sogar bis zu etwa 100 Meter zu verstehen. Auf diese Weise lassen sich die Flüssigkeitstropfen an einer anderen Stelle in der Umgebung des Messsensors sammeln, wenn der Messsensor selbst beispielsweise auf natürliche Weise (Regen) nicht von den Flüssigkeitstropfen erreicht werden kann, z. B. weil es eine Einbaulage des Sensors nicht zulässt, oder weil er überdacht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erfassung einer Messgröße mit einer elektronischen Messeinrichtung offenbart, das die Schritte aufweist:

i. Bestimmen einer Messgröße mit einem elektronischen Messsensor der Messeinrichtung in einer Messbetriebsart, in welcher der Messsensor mit elektrischer Energie versorgt ist,
ii. Detektieren des Auftretens eines vorbestimmten Ereignisses mittels einer Detektionsvorrichtung,
iii. Infolge der Detektion des vorbestimmten Ereignisses, Wechseln des Zustands aus einer gegenüber der Messbetriebsart energieverbrauchsreduzierten Ruhebetriebsart der Messeinrichtung in die Messbetriebsart,

Bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale wird vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Messeinrichtung verwiesen. Dementsprechend können Offenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Messeinrichtung in sinngemäßer Weise ebenso zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenfalls können Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise zur Definition der erfindungsgemäßen Messeinrichtung herangezogen werden. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Messeinrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus der Benetzung der Detektionsvorrichtung mit dem Flüssigkeitstropfen ein elektrisches Signal zur Aktivierung der Messbetriebsart erzeugt.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann das elektrische Signal aus einer elektrochemischen Wechselwirkung des Flüssigkeitstropfens mit der Detektionsvorrichtung erzeugt werden.
Der Messsensor und/oder die Detektionsvorrichtung kann/können in der Messbetriebsart allein durch das elektrische Signal mit elektrischer Energie versorgt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Messeinrichtung gemäß der Erfindung,
2 ein Anwendungsbeispiel eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Messeinrichtung gemäß der Erfindung,
3 ein weiteres Anwendungsbeispiel der Messeinrichtung aus 2 und
4 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Detektionsvorrichtung der Messeinrichtungen aus den 1 bis 3.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer elektronische Messeinrichtung 1 zur Erfassung einer Messgröße dar. Die Messeinrichtung 1 weist in dem gezeigten Beispiel einen elektronischen Messsensor 2 auf, der vorliegend beispielhaft als Radar- bzw. Mikrowellen 3 aussendender Sensor 2 ausgebildet ist, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Der Messsensor 2 ist in einem Sensorgehäuse 4 einschließlich einer Sensorhauptelektronik 5 aufgenommen.
Die in 1 gezeigte Messeinrichtung 1 weist weiterhin eine Detektionsvorrichtung 6 auf, die das Auftreten eines bestimmten Ereignisses, vorliegend das Benetzen der Detektionsvorrichtung 6 mit Flüssigkeits- bzw. Regentropfen 7 (2), detektiert.
Die Messeinrichtung 1 ist wahlweise zwischen einer Messbetriebsart, in welcher der Messsensor 2 mit elektrischer Energie versorgt ist, und einer Ruhebetriebsart, in welcher der Energieverbrauch der Messeinrichtung 1 gegenüber der Messbetriebsart erheblich reduziert ist, schaltbar. Die Detektionsvorrichtung 6 bewirkt bei Detektion der Benetzung mit Flüssigkeits-/Regentropfen die Aktivierung des Messbetriebs der Messeinrichtung 1, um die vorbestimmte Messgröße, z. B. einen Füllstand, Grenzstand oder Druck eines Mediums, zu bestimmen.
Im vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Messsensor 2 und die Detektionseinrichtung 6 in der Ruhebetriebsart energielos (stromlos) geschaltet. Des Weiteren weist die Messeinrichtung 1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel keine weitere separate Energieversorgung, zum Beispiel in Form von Batterien oder Akkumulatoren, auf. Es ist jedoch zu verstehen, dass diese im Bedarfsfall auch vorhanden sein können, um beispielsweise die Sensorelektronik 5 bzw. den Messsensor 2 während der Messbetriebsart mit elektrischer Energie zu versorgen.
Bei einer Benetzung der Detektionsvorrichtung 6 mit Flüssigkeits-/Regentropfen 7 detektiert diese dieses Ereignis und erzeugt infolgedessen ein elektrisches Signal 8, das letztendlich die Aktivierung der Messbetriebsart der Messeinrichtung 1 bewirkt. Folglich stellt die Detektionsvorrichtung 6 die Funktion einer Tropfenerkennung 9 bereit, die mittels des Signals 8 signalisiert wird. Die Übertragung des Signals 8 zwischen der Detektionsvorrichtung 6 und dem Messsensor 2 kann leitungsgebunden oder drahtlos erfolgen.
Insbesondere erzeugt bei der vorliegend dargestellten Messeinrichtung 1 die Detektionsvorrichtung 6 das elektrische Signal 8 aus einer elektrochemischen Wechselwirkung der Flüssigkeitstropfen 7 mit der Detektionsvorrichtung 6, wobei das elektrische Signal 8 vorliegend als Energieversorgungssignal zusätzlich auch die elektrische Energieversorgung des Messsensors 2 und - falls überhaupt erforderlich - die der Detektionsvorrichtung 6 selbst bereitstellt. Dementsprechend stellt die Detektionsvorrichtung 6 der in 1 gezeigten Messeinrichtung 1 ebenso die Funktion eines elektrischen Generators 10 bereit (vgl. 4).
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 1 ist die Detektionsvorrichtung 6 in einem Gehäusedeckel des Sensorgehäuses 4 integriert. Sie kann aber auch räumlich entfernt von dem Messsensor 2 bzw. dem Sensorgehäuse 4 angeordnet sein.
2 stellt schematisch ein erstes Anwendungsbeispiel eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Messeinrichtung 11 dar. Der wesentliche Unterschied der Messeinrichtung 11 gegenüber der Messeinrichtung 1 aus 1 besteht darin, dass die Messeinrichtung 11 zusätzlich eine abgesetzte, räumlich von der Detektionsvorrichtung 6 entfernt angeordnete Sammelvorrichtung 12 (z. B. Behälter und dergleichen) zum Sammeln von Flüssigkeits-/Regentropfen 7 aufweist. Die Sammelvorrichtung 12 ist über ein Fallrohr 13 mit der Detektionsvorrichtung 6 fluidleitend verbunden, um die in der Sammelvorrichtung 12 gesammelten Flüssigkeits-/Regentropfen 7 in gezielter Weise der Detektionsvorrichtung 6 zuzuführen. Hierzu kann eine gewünschte Fallhöhe, d. h. eine Höhendifferenz zwischen einem Flüssigkeitsablauf an der Sammelvorrichtung 12 (= Einlassöffnung des Fallrohrs 13) und der Detektionsvorrichtung 6, vorab bestimmt werden und die Detektionsvorrichtung 6 dementsprechend relativ zur Sammelvorrichtung 12 angeordnet werden. Zusätzlich kann die Durchflussmenge (Durchflussdauer) der Flüssigkeits-/Regentropfen 7 durch das Fallrohr 13 über darin angeordnete Kapillare (nicht dargestellt) mit entsprechendem Durchmesser gezielt vorgegeben werden.
Wie 2 zu entnehmen ist, ist die Messeinrichtung 11 bei dem gezeigten Beispiel unterhalb einer Brücke 14 angeordnet und dient der Erfassung eines Wasserstands (Pegel) 15 eines unter der Brücke 14 verlaufenden Flusses 16 mittels Radarwellen 3. Die Sammelvorrichtung 12 bietet in diesem Fall den Vorteil, die Flüssigkeitstropfen 7 an der Oberseite der Brücke 14 auffangen zu können und an die unterhalb der Brücke 14 angeordnete Detektionsvorrichtung 6 weiterleiten zu können. Auf diese Weise kann bei starken Regenfällen, d. h., wenn mit einem ansteigenden bzw. hohen Wasserstand 15 des Flusses 16 zu rechnen sein wird, automatisch der Flusspegel 15 mittels der Messeinrichtung 11 bestimmt werden. Treten keine Regenfälle auf, verbleibt die Messeinrichtung 11 in ihrer energiesparsamen (vorliegend energieverbrauchslosen) Ruhebetriebsart.
3 stellt schematisch ein weiteres Anwendungsbeispiel der Messeinrichtung 11 aus 2 dar. Die Messeinrichtung 11 dient vorliegend der Füllstandüberwachung von Füllgut 17, das über eine Einwurföffnung bzw. Einwurfklappe 18 in einen Behälter 19, z. B. eine Mülltonne, geworfen werden kann. Zur Energieversorgung der Messeinrichtung 11 ist auf der Oberseite des Behälters 19 die Sammelvorrichtung 12 der Messeinrichtung 11 zum Sammeln von Regentropfen 7 angeordnet.
4 stellt schematisch eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Detektionsvorrichtung 6 der Messeinrichtungen 1 und 11 aus den 1 bis 3 dar. Wie bereits erwähnt, erzeugt die Detektionsvorrichtung 6 aus einer elektrochemischen Wechselwirkung der Flüssigkeits-/Regentropfen 7 mit der Detektionsvorrichtung 6 das elektrische Signal 8, das in 4 auch als elektrischer Strom A gekennzeichnet ist.
Insbesondere weist die Detektionsvorrichtung 6 in 4 eine Schicht des Halbleiters Indiumzinnoxid (ITO) auf, auf welche das Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE bzw. Teflon) aufgetragen ist. Dieses elektrisch isolierende Material ist ein sogenannter Elektret, das elektrische Ladungen speichern oder beispielsweise durch Reibung ansammeln kann. Ein kleines Aluminiumstück AI verbindet beide Schichten ITO und PTFE und dient als Elektrode. Fällt nun ein Wassertropfen 7 auf diese Schichtenanordnung, breitet er sich auf der wasserabweisenden Teflon-Oberfläche aus und erzeugt dort durch elektrochemische Wechselwirkungen eine elektrische Aufladung. Besonders vorteilhaft ist, dass diese elektrische Energie nicht nach jedem Tropfen verlorengeht, sondern sich akkumuliert. Mit steigender Zahl der auftreffenden Flüssigkeits-/Wassertropfen nimmt die Ladung der Oberfläche zu. Nach etwa 16.000 Tropfen erreicht die Oberflächenladung einen stabilen Wert von rund 50 Nanocoulomb.
Das sich auf der Oberfläche der PTFE-Schicht ausbreitende Wasser bildet eine Brücke zwischen der Aluminiumelektrode AI und der ITO- und PTFE-/Teflonschicht. Dadurch entsteht ein elektrischer Stromkreis, durch den die Ladung abfließen kann.
Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Messeinrichtung sowie das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren sind nicht auf die hierin jeweils offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale der Messeinrichtung sowie des Verfahrens ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Messeinrichtung zur Füllstand-, Grenzstand- oder Druckmessung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Messeinrichtung
2: Messsensor
3: Rader-/Mikrowellen
4: Sensorgehäuse
5: Sensorelektronik
6: Detektionsvorrichtung
7: Flüssigkeitstropfen / Regentropfen
8: Elektrisches Signal
9: Tropfenerkennung
10: Elektrischer Generator
11: Messeinrichtung
12: Sammelvorrichtung
13: Fallrohr
14: Brücke
15: Wasserstand (Pegel)
16: Fluss
17: Füllgut
18: Einwurföffnung / Einwurfklappe
19: Behälter / Mülltonne
A: Elektrischer Strom
AI: Aluminium
ITO: Indiumzinnoxid
PTFE: Teflon

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

5. Februar 2020 veröffentlichten Artikel in Nature, 578, S. 392-396, 5. Februar 2020 [0019]

Claims

Elektronische Messeinrichtung (1, 11) zur Erfassung einer Messgröße, aufweisend wenigstens einen elektronischen Messsensor (2), der eingerichtet und angeordnet ist, die Messgröße in einer Messbetriebsart der Messeinrichtung (1, 11), in welcher der Messsensor (2) mit elektrischer Energie versorgt ist, zu bestimmen, und eine Detektionsvorrichtung (6), die eingerichtet und angeordnet ist, das Auftreten eines vorbestimmten Ereignisses zu detektieren und infolge der Detektion des Ereignisses einen Zustandswechsel aus einer gegenüber der Messbetriebsart energieverbrauchsreduzierten Ruhebetriebsart der Messeinrichtung (1, 11) in die Messbetriebsart zu bewirken, wobei das Ereignis ein Benetzen der Detektionsvorrichtung (6) mit einem oder mehreren Flüssigkeitstropfen (7) ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (2) und/oder die Detektionsvorrichtung (6) in der Ruhebetriebsart energielos geschaltet ist/sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße eine Füllstandmessgröße, eine Grenzstandmessgröße oder eine Druckmessgröße ist und der Messsensor (2) eingerichtet und angeordnet ist, einen Füllstand, einen Grenzstand bzw. einen Druck eines flüssigen, festen oder gasförmigen Mediums zu bestimmen.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung (6) eingerichtet und angeordnet ist, aus der Benetzung der Detektionsvorrichtung (6) mit den Flüssigkeitstropfen (7) ein elektrisches Signal (8) zu erzeugen, das die Aktivierung der Messbetriebsart bewirkt.
Messeinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung (6) eingerichtet und angeordnet ist, das elektrische Signal (8) aus einer elektrochemischen Wechselwirkung des Flüssigkeitstropfens (7) mit der Detektionsvorrichtung (6) zu erzeugen.
Messeinrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal (8) eingerichtet ist, allein die Versorgung des Messsensors (2) und/oder der Detektionsvorrichtung (6) mit elektrischer Energie in der Messbetriebsart bereitzustellen.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsvorrichtung (6) räumlich entfernt von dem Messsensor (2) angeordnet ist oder der Messsensor (2) in einem Gehäuse (4) aufgenommen ist, an dessen Außenwandung die Detektionsvorrichtung (6) angebracht ist.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammelvorrichtung (12) zum Sammeln mehrerer Flüssigkeitstropfen (7) vorgesehen ist, die eingerichtet und angeordnet ist, die Flüssigkeitstropfen (7) steuerbar abzugeben und der Detektionsvorrichtung (6) zuzuführen.
Messeinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe der Flüssigkeitstropfen (7) aus der Sammelvorrichtung (12) an die Detektionsvorrichtung (6) über eine vorbestimmbare Fallhöhe der Flüssigkeitstropen (7) zur Detektionseinrichtung (6) und/oder eine vorbestimmbare, zwischen der Sammelvorrichtung (12) und der Detektionsvorrichtung (6) bereitgestellte und von den Flüssigkeitstropfen (7) zu durchströmende Kapillare einstellbar ist.
Messeinrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelvorrichtung (12) räumlich entfernt von dem Messsensor (2) und/oder der Detektionsvorrichtung (6) angeordnet ist oder der Messsensor (2) in einem Gehäuse (4) aufgenommen ist, an dessen Außenwandung die Sammelvorrichtung (12) angebracht ist.
Verfahren zur Erfassung einer Messgröße mit einer elektronischen Messeinrichtung (1, 11), aufweisend die Schritte: i. Bestimmen einer Messgröße mit einem elektronischen Messsensor (2) der Messeinrichtung (1, 11) in einer Messbetriebsart, in welcher der Messsensor (2) mit elektrischer Energie versorgt ist, ii. Detektieren des Auftretens eines vorbestimmten Ereignisses mittels einer Detektionsvorrichtung (6), iii. Infolge der Detektion des vorbestimmten Ereignisses, Wechseln des Zustands aus einer gegenüber der Messbetriebsart energieverbrauchsreduzierten Ruhebetriebsart der Messeinrichtung (1, 11) in die Messbetriebsart, wobei als das vorbestimmte Ereignis ein Benetzen der Detektionsvorrichtung (6) mit einem oder mehreren Flüssigkeitstropfen (7) detektiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Benetzung der Detektionsvorrichtung (6) mit dem Flüssigkeitstropfen (7) ein elektrisches Signal (8) zur Aktivierung der Messbetriebsart erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal (8) aus einer elektrochemischen Wechselwirkung des Flüssigkeitstropfens (7) mit der Detektionsvorrichtung (6) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (2) und/oder die Detektionsvorrichtung (6) in der Messbetriebsart allein durch das elektrische Signal (8) mit elektrischer Energie versorgt wird/werden.