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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Prozessmesstechnik im industriellen und privaten Umfeld. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sensor zur Füllstandmessung, Druckmessung oder Durchflussmessung und eine bestimmte Verwendung eines Satellitenkommunikationsmoduls für einen derartigen Sensor.
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Technischer Hintergrund
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Sensoren, und insbesondere Füllstandsensoren, Drucksensoren und Durchflusssensoren, können über Kabel, wie beispielsweise 4 bis 20 mA, Zweidrahtschleifen, Bussysteme, wie beispielsweise HART, ModBus oder dergleichen, kommunizieren. Auch können derartige Sensoren über eine Funkverbindung verfügen, beispielsweise Bluetooth, WLAN oder LoRa.
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Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Sensor zur Füllstandmessung, Druckmessung oder Durchflussmessung im industriellen oder privaten Umfeld anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Sensor, der zur Füllstandmessung, Druckmessung oder Durchflussmessung im industriellen oder privaten Umfeld eingerichtet ist. Es handelt sich beispielsweise um einen Füllstandsensor, einen Drucksensor oder Durchflusssensor. Insbesondere kann es sich um einen Füllstandradarsensor handeln. Auch kann der Sensor ein Ultraschallsensor sein, oder ein optischer Sensor.
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Darüber hinaus kann der Sensor zur Messung einer Prozessgröße wie z.B. Temperatur, CO2, Energieverbrauch, Feuchtigkeit und Dichte eingerichtet sein.
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Der Sensor weist ein Satellitenkommunikationsmodul auf, das zur Übertragung der von dem Sensor erfassten Messwerte über ein Satellitennetzwerk an eine entfernte Steuereinheit eingerichtet ist.
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Somit ist der Sensor auch in entlegenen Gebieten einsetzbar, in denen kein Kontakt zu einem terrestrischen Kommunikationsnetzwerk besteht. Gleichzeitig können lange Leitungen entfallen, da der Sensor ja autark, drahtlos kommunizierend ausgeführt sein kann. Da keine langen Leitungswege erforderlich sind, wird auch dementsprechend die Verlustleistung, die mit sehr langen Leitungen einhergeht, reduziert werden. Auch sind keine aufwendigen Repeater oder dergleichen erforderlich, um eine Funkkommunikation zu einem Mobilfunknetzwerk herzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Satellitenkommunikationsmodul eine rekonfigurierbare Antennenanordnung auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Satellitenkommunikationsmodul zur Übertragung der vom Sensor erfassten Messwerte über ein Satellitennetzwerk aus nicht-geostationären Satelliten an die entfernte Steuereinheit eingerichtet. Bei den nicht-geostationären Satelliten handelt es sich beispielsweise um sogenannte Low-Orbit-Satelliten, die sich in einer verhältnismäßig engen Umlaufbahn um die Erde befinden. Das Satellitennetzwerk weist beispielsweise mehr als 50 solcher Satelliten auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor eine Energiemanagementschaltung auf, die eingerichtet ist zum Deaktivieren der Übertragung der vom Sensor erfassten Messwerte, wenn die Verbindung zum Satellitennetzwerk abgerissen ist, und/oder zum Aktivieren der Übertragung, wenn die Verbindung zum Satellitennetzwerk wiederhergestellt ist. Hierdurch kann Energie gespart werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Satellitenkommunikationsmodul von der Sensorik des Sensors abgesetzt und mit dieser beispielsweise über eine Kabelverbindung verbunden. So kann der Sensor beispielsweise im Inneren eines für die Satellitendatenübertragung undurchlässigen Behälters angeordnet sein und das Satellitenkommunikationsmodul abgesetzt davon außen am Behälter.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor ein Nahbereichskommunikationsmodul zur Ausbildung eines Master-Slave-Nahfunksystems zwischen benachbarten Sensoren auf. Dies ermöglicht es den Sensoren Daten auszutauschen. Beispielsweise können mittels des Master-Slave-Nahfunksystems die Parametrierdaten zwischen den benachbarten Sensoren oder die Daten aus einem gemeinsamen Datenkanals für die benachbarten Sensoren direkt bzw. energiesparend ausgetauscht werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Messsystem, das zur Füllstandmessung, Druckmessung oder Durchflussmessung im industriellen oder privaten Umfeld eingerichtet ist und einen oben und im Folgenden beschriebenen Sensor aufweist. Darüber hinaus weist es ein Satellitennetzwerk auf, das eingerichtet ist zur Übertragung der vom Sensor erfassten Messwerte an eine entfernte Steuereinheit. Auch weist es die entfernte Steuereinheit auf, die eingerichtet ist zur Steuerung des Sensors über das Satellitennetzwerk und zum Empfang der vom Sensor über das Satellitennetzwerk gesendeten Messdaten.
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Darüber hinaus kann das Messsystem zur Messung einer weiteren Prozessgröße, wie z.B. Temperatur, CO2, Energieverbrauch, Feuchtigkeit oder Dichte, eingerichtet sein.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Satellitenkommunikationsmoduls für einen oben und im Folgenden beschriebenen Sensor zur Übertragung von dem Sensor erfassten Messwerten über ein Satellitennetzwerk an eine entfernte Steuereinheit.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- 1 zeigt ein Messsystem gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt ein Satellitenkommunikationsmodul für einen Sensor gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Messsystem gemäß einer Ausführungsform.
- 4 zeigt eine Schnittansicht und eine perspektivische Darstellung einer LC-Antennenanordnung gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Messsystem 1000, welches insbesondere zur Füllstandmessung, Druckmessung oder Durchflussmessung im industriellen Umfeld eingerichtet ist. Alternative kann das Messsystem zur Messung einer Prozessgröße, wie z.B. Temperatur, CO2, Energieverbrauch, Feuchtigkeit und Dichte eingerichtet sein.
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Es weist ein Satellitennetzwerk 102 auf, welches aus einer Vielzahl von beispielsweise Nanosatelliten besteht, die ein IOT-Netzwerk ausbilden. Diese Nanosatelliten befinden sich beispielsweise in einer nicht-geostationären Umlaufbahn.
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Im Boden sind mehrere Sensoren 100 angeordnet, die über ihre Satellitenkommunikationsmodule 101 eine Signalverbindung zu einem oder mehreren der Satelliten des Satellitennetzwerks 102 aufnehmen können.
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Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Hauptabstrahlrichtung des Satellitenkommunikationsmoduls 101 nachgestellt werden kann, so dass es mit dem entsprechenden Satelliten „mitwandert“.
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Die einzelnen Sensoren 100 können beispielsweise ein Solarpaneel 104 aufweisen, welches ihnen hilft, ausreichend Energie zu gewinnen, um den Betrieb zu gewährleisten.
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Die Sensoren 100 können beispielsweise über eine Drahtverbindung 106 ein Sensornetzwerk ausbilden. Dieses Netzwerk kann alternativ oder zusätzlich über Drahtlosverbindungen hergestellt werden, wie dies in 1 angedeutet ist.
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Die Sensoren können nun ihre Messdaten des Füllstands, Drucks oder Durchflusses oder andere Daten, beispielsweise von der Temperatur, CO2, dem Energieverbrauch, der Feuchtigkeit oder der Dichte, über die Satellitenkommunikationsverbindungen an einen einzelnen Satelliten des Satellitennetzwerks versenden, der dann das Signal an den benachbarten Satelliten weitergibt usw., bis es dann von einem bestimmten Satelliten an einen terrestrischen Empfänger 103 gesendet werden kann. Dieser terrestrische Empfänger wird im Folgenden als Steuereinheit 103 bezeichnet und kann mit einem Endnutzer 105 kommunizieren. Somit kann der Endnutzer 105 über die Steuereinheit 103 Messdaten beim Sensor 100 abrufen oder den Sensor parametrieren oder fernwarten.
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Das Messsystem 1000 kann darüber hinaus ein drahtloses Kommunikationssystem 106 aufweisen, welches die Satellitenkommunikation ergänzt.
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Der Sensor 100 besitzt also die Fähigkeit zum Satellitenfunk (Sat IOT) und kann eine Verbindung zu stationären und/oder beweglichen Satelliten aufbauen. Somit ist die Konnektivität an jedem Ort der Erde sichergestellt, auch in abgelegenen Gegenden wie zum Beispiel Ölplattformen auf See.
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Die Sensoren 100 können batteriebetrieben sein und/oder eine drahtgebundene Energieversorgung aufweisen, beispielsweise eine 4 bis 20 mA Zweidrahtschnittstelle oder andere Bussysteme, wie zum Beispiel APL, verwenden.
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Die Energiemanagementschaltung 107 kann derart eingerichtet sein, dass die Kommunikation zu den Satelliten nur aktiv geschaltet ist, wenn auch ein Satellit erreichbar ist. Die Sensoren 100 können untereinander ein Master-Slave-Nahfunksystem ausbilden sowie ein Weitfunksystem zwischen jedem Sensor zum Satellitennetzwerk 102. Das Weitfunksystem kann auch über ein Gateway ausgebildet werden. Die Lokalisierung der einzelnen Sensoren 100 erfolgt über die Kommunikationssatelliten. Beispielsweise kann der Standort des Sensors anhand eines empfangenen Satellitensignals mit Hilfe vom Tracking-Algorithmus bzw. Trägerphasenverfolgungsalgorithmus bestimmt werden. Alternativ kann beispielsweise ein adaptiver Filter zur Verfolgung des Satellitensignals mit Algorithmus eingesetzt werden, welches eine Standortlokalisierung des Sensors in Echtzeit mit erhöhter Genauigkeit ermöglichen kann. Die Satellitenkommunikation kann eine hohe bidirektionale Datenrate von über 150 MBit im L-Band bereitstellen.
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Die Latenzzeit ist verhältnismäßig gering, so dass die Daten sehr schnell verfügbar sind. Eine Speicherung der Messdaten in einer Cloud ermöglicht eine schnelle Analyse der Messwerte, den Einsatz von künstlicher Intelligenz und Maschinenlernen.
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2 zeigt ein Beispiel für ein Satellitenkommunikationsmodul 101 für einen oben beschriebenen Sensor 100, in Form einer Flüssigkristallantenne (LC-Antenne). Die LC-Antenne ist direkt am Sensor angebracht, darin integriert oder als Zusatzmodul an den Sensor angeschlossen. Sie weist einen Empfänger 201 auf, an den ein Digital-Analog-Wandler 202 angeschlossen ist. Dieser ist an einen Mischer 203 angeschlossen, der das von den unterschiedlichen Antennenelementen 207 empfangene Signal mithilfe eines eingemischten Signals 204 frequenzumsetzt, hin zu niedrigen Frequenzen.
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Die einzelnen Antennenelemente 207 sind jeweils an eine Verstärkereinheit 206 angeschlossen, gefolgt von einer Einrichtung 205 zur Einstellung der Phasen. Die resultierenden Signale werden dann dem Mischer 203 zugeführt.
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In einer Ausführungsform kommuniziert der entsprechende Sensor 100 direkt über einen Satelliten des Satellitennetzwerks 102 mit der Gegenstelle 103, die weiter oben auch als Steuereinheit bezeichnet wird. Hierfür kann es notwendig sein, ein spezielles Funkprotokoll zu verwenden. Ein spezielles Funkprotokoll ist zum Beispiel L-Band.
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Die Anforderung an moderne Sensoren werden sich im Laufe der Zeit ändern. Schnelle Datenerhebung und Konnektivität wird ausschlaggebend für die Kaufentscheidung.
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Zukünftige Kommunikationssysteme erfordern intelligente Satelliten-Antennen, sogenannte „rekonfigurierbare“ Antennensysteme. Für die Realisierung solcher Systeme werden synthetische Flüssigkristalle (Liquid Crystal, LC) verwendet. Ein Beispiel für ein solches flüssigkristallbasiertes Satellitenkommunikationsmodul ist in 4 gezeigt.
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Durch geeignete Komponenten mit einem entsprechenden Ansteuerungskonzept kann die Ausrichtung der Flüssigkristalle und somit die Polarität (Permittivität) kontinuierlich gesteuert werden. Unter Anwendung eines LC-Phasenschiebers 205 (vgl. 2) oder eines HF-Schalters wird ein stufenlos einstellbares Ausgangssignal generiert, um somit die Phase der elektromagnetischen Welle einzustellen. Die zeitgleiche Anregung mehrerer Signale erlaubt somit, mehrere Antennenkeulen zu erzeugen.
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Auf diese Weise kann die Abstrahlrichtung des Satellitenkommunikationsmoduls eingestellt werden.
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Beispielsweise kann die Einstellung der Abstrahlrichtung durch ein Zusammenspiel zwischen einem Array von Antennenelementen und Flüssigkristallen zur energieeffizienten und präzisen Strahlsteuerung erfolgen, Auf diese Weise kann die Abstrahlrichtung des Satellitenkommunikationsmoduls elektronisch in die gewünschte Richtung gesteuert werden, ohne dass die Antenne dazu physikalisch neu ausgerichtet werden muss.
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3 zeigt ein Funktionsbeispiel eines derartigen Messsystems. Der Sensor kann auch auf einem sich bewegenden Objekt montiert sein, zum Beispiel auf einem Lkw oder einem Schiff. Ist der lokalisierte Satellit außer Reichweite, ist das System in der Lage, schnell einen neuen Satelliten zu lokalisieren, um eine Unterbrechung der Kommunikation zu verhindern.
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Die Antenne kann auch abgesetzt vom Sensor angebracht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Sensor keinen Sichtkontakt zum Satelliten besitzt, zum Beispiel unter Deck in einem Schiff.
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Die linke Darstellung in 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Antenne, die auf Flüssigkristalltechnik basiert. Es handelt sich um ein Sandwich aus einer Basisglasplatte 402, auf der sich eine metallisierte Schicht 403 befindet, die als Erde dient. Darüber befindet sich eine zweite metallisierte Schicht 404, gefolgt von einer Abdeckglasplatte 401. Zwischen den beiden metallisierten Schichten befinden sich die Flüssigkristalle.
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Die rechte Darstellung in der 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Antenne.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
