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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit, ein Messsystem, ein Verfahren zum Übertragen von Daten und ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers.
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In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden, wie zum Beispiel optische, potentiometrische, amperometrische, voltammetrische oder coulometrische Sensoren, oder auch Leitfähigkeitssensoren.
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Diese Sensoren werden vorzugsweise über eine induktive Schnittstelle mit einem Transmitter verbunden, welcher die Messwerte der Sensoren verarbeitet und weiterleitet. Eine induktive Schnittstelle bietet eine Vielzahl an Vorteilen verglichen zu galvanischen Schnittstellen, beispielsweise den Vorteil einer absolut wasserdichten Schnittstelle für Daten und Energie.
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Eine Herausforderung bei induktiven Schnittstellen ist, dass die Energieversorgung des Sensors sowie die Datenübertragung jeweils über dieselbe Schnittstelle erfolgt. Des Weiteren gibt es einen stetig wachsenden Bedarf an einer hohen Datenübertragungsrate zwischen Sensor und Transmitter, sowie den Bedarf einer kurzeitig hohen Verfügbarkeit an Energie im Sensor, insbesondere während der Messung des Sensors.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Sensoreinheit bereitzustellen, welche eine optimale Datenübertragung zwischen Sensoreinheit und Transmitter sowie ein optimales Energiemanagement in der Sensoreinheit ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoreinheit gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit umfasst:
- - ein sekundäres induktives Übertragungsmodul zum Generieren eines sekundären elektrischen Signals,
- - ein Schaltermodul mit einem Schalter, wobei das Schaltermodul mit dem sekundären induktiven Übertragungsmodul verbunden ist,
- - ein Gleichrichtermodul, welches mit dem sekundären induktiven Übertragungsmodul und dem Schaltermodul verbunden ist,
- - ein Sensormodul zum Ermitteln eines Messwerts in einem Messmedium,
wobei das Sensormodul mit dem Gleichrichtermodul verbunden ist,
wobei das Schaltermodul dazu geeignet ist, mit dem Schalter das sekundäre elektrische Signal mit einer vorbestimmten Frequenz zu unterbrechen.
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Anhand der erfindungsgemäßen Sensoreinheit wird ermöglicht, Daten von der Sensoreinheit zu einem Transmitter mittels einer äußerst hoher Datenübertragungsrate zu übertragen. Ebenso wird erreicht, den Energiebedarf der Sensoreinheit jederzeit optimal zu decken und Energieverluste in der Sensoreinheit zu minimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Sensormodul einen Energiespeicher auf, und das Sensormodul ist dazu geeignet, das sekundäre elektrische Signal in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers zu unterbrechen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltermodul dazu geeignet, das sekundäre elektrische Signal in Abhängigkeit des vom Sensormodul ermittelten Messwerts zu unterbrechen, um den Messwert zu kodieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Schaltermodul einen Mikrocontroller und der Schalter umfasst einen Transistor.
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Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Messsystem gemäß Anspruch 5.
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Das erfindungsgemäße Messsystem umfasst:
- - eine erfindungsgemäße Sensoreinheit,
- - einen Transmitter mit einer Stromquelle, sowie
- - eine Kabelbaugruppe mit einem Steuermodul und einem primären induktiven Übertragungsmodul, wobei die Kabelbaugruppe mit dem Transmitter verbunden ist,
wobei das Steuermodul mit dem primären induktiven Übertragungsmodul verbunden ist,
wobei das primäre induktive Übertragungsmodul dazu geeignet ist, ein primäres elektrisches Signal zu generieren und an die Sensoreinheit induktiv zu übertragen, so dass ein sekundäres elektrisches Signal im sekundären induktiven Übertragungsmodul der Sensoreinheit generiert wird,
wobei die Sensoreinheit dazu geeignet ist, das sekundäre elektrische Signal derart zu unterbrechen, dass ein modifiziertes sekundäres elektrisches Signal erzeugbar ist, welches dazu geeignet ist, durch das sekundäre induktive Übertragungsmodul ein modifiziertes primäres elektrisches Signal im primären induktiven Übertragungsmodul zu erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Übertragungsmodul ein E-Klasse-Verstärker.
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Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einer Sensoreinheit an eine Kabelbaugruppe gemäß Anspruch 7.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest folgende Schritte:
- - Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Messsystems,
- - Generieren eines primären elektrischen Signals durch das primäre induktive Übertragungsmodul,
- - Übertragen des primären elektrischen Signals von dem primären induktiven Übertragungsmodul and das sekundäre induktive Übertragungsmoduls, so dass ein sekundäres elektrisches Signal im sekundären induktiven Übertragungsmodul generiert wird,
- - Bereitstellen von Daten durch das Sensormodul,
- - Verändern des sekundären elektrischen Signals in ein modifiziertes sekundäres elektrisches Signal durch den Schalter des Schaltermoduls mit einer vorbestimmten Frequenz, derart, dass die Daten auf das modifizierte sekundäre elektrische Signal moduliert werden, wobei die vorbestimmte Frequenz taktgleich zu einer sekundären Frequenz des sekundären elektrischen Signals ist,
- - Übertragen des modifizierten sekundären elektrischen Signals von dem sekundären induktiven Übertragungsmodul an das primäre induktive Übertragungsmodul, so dass im primären induktiven Übertragungsmodul ein modifiziertes primäres elektrisches Signal generiert wird und die Daten von der Sensoreinheit and die Kabelbaugruppe übertragen werden,
- - Auswerten des modifizierten primären elektrischen Signals durch das Steuermodul, um die Daten vom modifizierten primären elektrischen Signal zu demodulieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Frequenz beim Verändern des sekundären elektrischen Signals taktgleich mit der sekundären Frequenz, so dass das Verändern erfolgt, wenn das Gleichrichtermodul stromlos ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geht dem Schritt des Veränderns des sekundären elektrischen Signals ein Schritt des Übertragens eines Startsignals von dem sekundären induktiven Übertragungsmodul an das primäre induktive Übertragungsmodul voran, so dass das Steuermodul den Beginn einer Übertragung der Daten erkennt.
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Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers einer Sensoreinheit gemäß Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Messsystems,
- - Generieren eines primären elektrischen Signals durch das primäre induktive Übertragungsmodul,
- - Übertragen des primären elektrischen Signals durch das primäre induktive Übertragungsmodul an das sekundären induktiven Übertragungsmodul, so dass ein sekundäres elektrisches Signal im sekundären induktiven Übertragungsmodul generiert wird,
- - Verändern des sekundären elektrischen Signals in ein modifiziertes sekundäres elektrisches Signal durch den Schalter des Schaltermoduls in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers mit einer vorbestimmten Frequenz, wobei die vorbestimmte Frequenz taktgleich zu einer sekundären Frequenz des sekundären elektrischen Signals ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Frequenz beim Verändern des sekundären elektrischen Signals taktgleich mit der sekundären Frequenz, so dass das Verändern erfolgt, wenn das Gleichrichtermodul stromlos ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- - 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messsystems mit einem Transmitter,
- - 2: eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Messsystems mit einer Sensoreinheit,
- - 3: eine schematische Darstellung u.a. eines Datensignals einer Sensoreinheit,
- - 4: eine schematische Darstellung u.a. einer Ladekurve eines Energiespeichers einer Sensoreinheit.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Messsystems 1 mit einem Transmitter 100, einer Kabelbaugruppe 100` und einer Sensoreinheit 200.
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Die Kabelbaugruppe 100` ist dazu geeignet, mit der Sensoreinheit 200, zum Beispiel über eine Bajonett-Verbindung, mechanisch verbunden zu werden.
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Der Transmitter 100 umfasst eine Stromquelle 120.
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Die Kabelbaugruppe 100` umfasst ein Steuermodul 110 und ein primäres induktives Übertragungsmodul 130. Das Steuermodul 110 und das primäre induktive Übertragungsmodul 130 sind dazu geeignet, durch die Stromquelle 120 mit elektrischer Energie versorgt zu werden.
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Das Steuermodul 110 ist mit der Stromquelle 120 verbunden und die Stromquelle 120 ist mit dem primären induktiven Übertragungsmodul 130 indirekt oder direkt verbunden. Das Steuermodul 110 ist zum Beispiel ein Mikrocontroller oder eine andere programmierbare Einheit. Die Stromquelle 120 ist beispielsweise mittels eines Kabels 101 mit dem Steuermodul 110 verbunden. Das Kabel 101 ist zum Beispiel Teil der Kabelbaugruppe 100'.
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Das Steuermodul 110 ist dazu geeignet, von der Sensoreinheit 200 empfangene Signale zu verarbeiten, um Daten D auszulesen, bzw. Daten aus dem empfangenen Signal zu demodulieren. Das Steuermodul 110 ist dazu geeignet, diese Daten zum Beispiel an den Transmitter 100 weiterzuleiten, so dass diese dort auf einem Display dargestellt werden. Die Daten D sind zum Beispiel Temperaturmesswerte, pH-Werte oder Messwerte eines anderen Analyten, welche durch die Sensoreinheit 200 in einem Messmedium ermittelt wurden.
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Das primäre induktive Übertragungsmodul 130 ist dazu geeignet, ein primäres elektrisches Signal S1 zu generieren. Das primäre induktive Übertragungsmodul 130 wird durch das Steuermodul 110 gesteuert. Das primäre elektrische Signal S1 ist ein Wechselstromsignal bzw. ein Wechselspannungssignal, insbesondere z.B. ein sinusförmiges oder anders förmiges Wechselstromsignal.
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Das primäre induktive Übertragungsmodul 130 ist dazu geeignet, das von der Stromquelle 120 generierte primäre elektrische Signal S1 an die Sensoreinheit 200 mittels einer induktiven Kopplung zwischen dem Transmitter 100 und der Sensoreinheit 200 zu übertragen. Das Übertragungsmodul 130 umfasst z.B. einen E-Klasse-Verstärker. Zum Senden des primären elektrischen Signals S1 weist das primäre induktive Übertragungsmodul 130 eine primäre Spule 131 auf. Durch die Übertragung des primären elektrischen Signals S1 wird in der Sensoreinheit 200 ein sekundäres elektrisches Signal S2 generiert, wenn die Kabelbaugruppe 100` mit dem Sensormodul 200 verbunden ist.
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2 zeigt insbesondere die Sensoreinheit 200, welche ein sekundäres induktives Übertragungsmodul 210, einen Schalter 221, ein Gleichrichtermodul 230 und ein Sensormodul 240 umfasst.
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Das sekundäre elektrische Übertragungsmodul 210 ist mit dem Schaltermodul 220 und dem Gleichrichtermodul 230 direkt oder indirekt verbunden. Das sekundäre induktive Übertragungsmodul 210 ist dazu geeignet, eine induktive Kopplung mit dem primären induktiven Übertragungsmodul 130 einzugehen. Das sekundäre induktives Übertragungsmodul 210 umfasst eine sekundäre Spule 211 zum Generieren, bzw. Induzieren eines sekundären elektrischen Signals S2.
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Das Schaltermodul 220 umfasst vorzugsweise einen Mikrocontroller oder eine analoge entsprechende Schaltung. Das Schaltermodul 220 umfasst einen Schalter 221, welcher zum Beispiel ein Transistor ist. Das Schaltermodul 220 ist so angeordnet, dass es einen Stromkreis vom sekundären induktiven Übertragungsmodul 210 über das Gleichrichtermodul 230 schließt. Das Schaltermodul 220 ist dazu geeignet, mit dem Schalter 221 das sekundäre elektrische Signal S2 mit einer vorbestimmten Frequenz F und mit einer vorbestimmten Zeitdauer T zu unterbrechen, so dass ein modifiziertes sekundäres elektrisches Signal S2` entsteht. Das Schaltermodul 220 ist zwischen dem induktiven Übertragungsmodul 210 und dem Sensormodul 240 angeordnet. In welcher Reihenfolge das Schaltermodul 220 und das Gleichrichtermodul zwischen dem induktiven Übertragungsmodul 210 und dem Sensormodul 240 angeordnet sind, ist hierbei unrelevant.
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Das Gleichrichtermodul 230 umfasst vorzugsweise eine Graetz-Brücke, einer Einwege-Gleichrichtung oder eine andere Gleichrichterschaltung. Das Gleichrichtermodul 230 ist mit dem Sensormodul 240 direkt oder indirekt verbunden, um dieses mit einer Gleichspannung, bzw. einem gleichgerichteten Strom zu versorgen.
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Das Sensormodul 240 ist dazu geeignet, einen Messwert MW mittels eines Sensors 242, welcher dazu geeignet ist, in einem Messmedium angeordnet zu werden, zu ermitteln. Der Sensor ist bspw. ein pH-Sensor oder ein Chlordioxyd-Sensor oder ein anderer Sensor. Das Sensormodul 240 weist vorzugsweise einen Energiespeicher 241, z.B. einen Kondensator oder einen Akkumulator auf. Der Energiespeicher 241 ermöglicht dem Sensor 242 Energiebedarfe, welche nicht durch die mittels des Gleichrichtermoduls 230 gelieferte Energie gedeckt werden können, zu begleichen.
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Im Folgenden wird das Verfahren zum Übertragen von Daten von der Sensoreinheit 200 an die Kabelbaugruppe 100` bzw. an den Transmitter 100 beschrieben.
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Das Übertragungsverfahren umfasst einen ersten impliziten Schritt des Bereitstellens des oben beschriebenen Messsystems 1. Das Messsystem 1 ist funktionsbereit, d.h. die Kabelbaugruppe 100` und die Sensoreinheit 200 sind derart zueinander angeordnet, dass eine induktive Kopplung zwischen dem primären induktiven Übertragungsmodul 130 und dem sekundären induktiven Übertragungsmodul 210 möglich ist. Ebenso ist der Sensor 242 messbereit, also zum Beispiel einem Messmedium ausgesetzt. Damit eine optimale induktive Kopplung möglich ist, wird vorzugsweise ein Abstand von wenigen Millimeter, z.B. weniger als 20 mm, zwischen der primären Spule 131 und der sekundären Spule 211 gewählt. Wenn das primäre induktive Übertragungsmodul 130 sowie das sekundäre induktive Übertragungsmodul 210 jeweils eine komplementäre mechanische Verbindung aufweist, zum Beispiel die oben beschriebene Bajonettverbindung, so ist in der Position, in welcher eine mechanische Verbindung besteht, der Abstand zwischen der primären Spule 131 und der sekundären Spule 211 optimal.
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In einem nächsten Schritt wird das primäre elektrische Signal S1 durch das primäre induktive Übertragungsmodul 130 generiert, so dass ein sekundäres elektrisches Signal S2 im sekundären induktiven Übertragungsmodul 210 generiert, bzw. induziert wird.
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Anschließend werden Daten D durch das Sensormodul 240 bereitgestellt. Der Schritt des Bereitstellens der Daten D umfasst das Generieren an Messwerte MW durch den Sensor 242. Die Messwert MW sind zum Beispiel pH-Werte eines Messmediums. Die Daten D umfassen somit vorzugsweise die vom Sensor 242 gemessenen Messwert MW. Die Daten D umfassen jedoch zum Beispiel auch Informationen bezüglich den Sensor 242 oder das Sensormodul 240. Solche Informationen sind beispielsweise der Ladezustand des Energiespeichers 241, die Einsatzdauer des Sensors 242, eine TAG-Nummer oder andere Sensorspezifische Informationen.
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In einem nachfolgenden Schritt wird das sekundäre elektrische Signal S2 in ein modifiziertes sekundäres elektrisches Signal S2` durch den Schalter 221 des Schaltermoduls 220 verändert. Die Veränderung des sekundären elektrischen Signals S2 geschieht in Abhängigkeit der Daten D mit einer vorbestimmten Frequenz F, so dass die Daten D auf das modifizierte sekundäres elektrische Signal S2` aufgeprägt, bzw. aufmoduliert werden. Die vorbestimmte Frequenz F ist beträgt zum Beispiel 62,5 kHz und weist ein Tastverhältnis von 50% auf. Das entspricht einer Datenübertragungsrate von 125.000 Bit/s bei einem alternierenden Bitmuster.
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Zum Verändern des sekundären elektrischen Signals S2 wird der Schalter 221 mit der vorbestimmten Frequenz F geöffnet und geschlossen. Durch das Verändern des sekundären elektrischen Signals S2 wird wegen der induktiven Kopplung des sekundären induktiven Übertragungsmoduls 210 und des primären induktiven Übertragungsmoduls 130 auch das primäre elektrische Signal S1 in ein modifiziertes primäres elektrisches Signal S1' verändert. Durch diese Lastmodulation auf der Seite der Sensoreinheit 200 werden somit die Daten D auf die Seite der Kabelbaugruppe 100` übertragen. Die Übertragung geschieht vorzugsweise über die gleiche sekundäre Spule 211 wie beim Empfangen des primären elektrischen Signals S1 oder besser gesagt beim Induzieren des sekundären elektrischen Signals S2 in der sekundären Spule 211.
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Der Schritt des Veränderns des sekundären elektrischen Signals S2 erfolgt taktgleich, vorzugsweise synchron, mit der sekundären Frequenz F2, so dass das Verändern erfolgt, wenn das Gleichrichtermodul 30 stromlos ist.
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3 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines modifizierten sekundären elektrischen Signals S2` (strich-punktierte Kurve) sowie eines modifizierten primären elektrischen Signals S1` (punktierte Kurve). Das Schließen und Öffnen des Schalters 221 erfolgt mit der vorbestimmten Frequenz F, was durch die gestrichelte Signalkurve dargestellt ist. Die steigende Flanke der punktierten Signalkurve stellt das Schließen des Schalters 221 dar, und die fallende Signalflanke stellt das Öffnen des Schalters 221 dar. Das Schließen sowie das Öffnen des Schalter 221 erfolgt taktgleich, vorzugsweise synchron, mit der primären Frequenz F1 des primären elektrischen Signals S1, also an einem bestimmten Zeitpunkt der Signalperiode, zum Beispiel beim Nulldurchgang des primären elektrischen Signals S1. Um die Modulierung des primären elektrischen Signals S1 taktgleich, vorzugsweise synchron, mit der primären Frequenz F1 durchzuführen, wird von dem Schaltermodul 220 das sekundäre elektrische Signal S2 ausgewertet. Insbesondere wird der Spannungsverlauf des sekundären elektrischen Signals S2 durch den Mikrocontroller oder eine ähnliche Schaltung des Schaltermoduls 220 ausgewertet. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Spannungsverlauf des gleichgerichteten sekundären elektrischen Signals S2 zu untersuchen, um eine taktgleiche, vorzugsweise synchrone, Modulation mit der sekundären Frequenz F2 zu erzeugen.
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Gemäß einer optionalen Ausführungsform, welche mit allen beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, umfasst der Schritt des Veränderns des sekundären elektrischen Signals S2 ein Schritt des Übertragens eines Startsignals von dem sekundären induktiven Übertragungsmodul 210 an das primäre induktive Übertragungsmodul 130, so dass das Steuermodul 110 den Beginn einer Übertragung der Daten D erkennt. Das Startsignal ist vorzugsweise Teil der Daten D, wobei das Startsignal den Beginn der Daten D kennzeichnet. Das Startsignal ist zum Beispiel ein Startbit oder ein Bitcode.
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Die Daten D werden vorzugsweise mittels einer gleichstromfreien Codierung moduliert, um eine sichere Stromversorgung des Sensors zu gewährleisten. Dies ermöglicht eine Entkopplung zwischen Stromversorgung des Sensors und der Rückkanal-Kommunikation von der Sensoreinheit 200 zur Kabelbaugruppe 100`, bzw. zum Transmitter 100. Die Codierung ist zum Beispiel eine Manchestercodierung. So wird ermöglicht, innerhalb von zwei Taktzyklen des Klasse-E-Verstärkers ein Bit zu übertragen. Daraus ergibt sich eine Brutto-Datenübertragungsrate von 125.000 Bit/s, wenn der Klasse-E-Verstärker mit 250 kHz betrieben wird.
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Die Steuerung des Schalter 221 erfolgt vorzugsweise durch einen Mikrocontroller.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Auswerten des modifizierten primären elektrischen Signals S1' durch das Steuermodul 210. Dies ermöglicht, die Daten D, welche dem modifizierten sekundären elektrischen Signal S2` aufmoduliert wurden, aus dem modifizierten primären elektrischen Signal S1' auszulesen, bzw. diese Daten zu demodulieren. Das Auswerten umfasst insbesondere das Auswerten des Spannungsverlaufs oder des Integrals der Spannung über eine Periode des modifizierten primären elektrischen Signals S1'.
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Im Folgenden wird das Verfahren zum Laden eines Energiespeichers 241 in der Sensoreinheit 200 beschrieben.
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Dieses Verfahren ist zu dem oben beschriebenen Verfahren zur Übertragung von Daten komplementär. Es kann also zwischen den zwei Verfahren sequenziell gewechselt werden, um Daten zu übertragen, oder den Energiespeicher 241 kontrolliert zu laden. Es ist auch möglich, die zwei Verfahren gemäß einem vorbestimmten ersten Zeitregime in welchem der Energiespeicher 241 geladen wird, und einem nachfolgenden vorbestimmten zweiten Zeitregime, in welchem von der Sensoreinheit 200 zur Kabelbaugruppe 100`, bzw. zum Transmitter 100, kommuniziert wird, abzuwechseln.
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Insbesondere wird für das Steuermodul 110 durch die Verwendung eines Startsignals für die Übertragung von Daten ersichtlich, ob es sich bei einer Lastmodulation tatsächlich um die Übertragung von Daten handelt. Beginnen die vom Steuermodul 110 vermeintlich empfangenen Daten D nicht mit einem Startsignal, so handelt es sich nur um eine durch die Sensoreinheit 200 durchgeführte Anpassung der zu übertragenen Energie.
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Die ersten Schritte des Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers 241 sind identisch mit dem oben beschriebenen Verfahren zum Übertragen von Daten. Es wird also ebenso das Messsystem 1 bereitgestellt und ein primäres elektrisches Signal S1 generiert.
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Anschließend erfolgt ein Verändern des sekundären elektrischen Signals S2 in ein modifiziertes sekundäres elektrisches Signal S2` durch den Schalter 221 des Schaltermoduls 220 in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers 241. Das Verändern erfolgt mit einer vorbestimmten Frequenz F, wobei die vorbestimmte Frequenz F taktgleich, vorzugsweise synchron, zu einer sekundären Frequenz F2 des sekundären elektrischen Signals S2 ist. Das Verändern erfolgt, wie oben beschrieben, durch Öffnen und Schließen des Schalters 221.
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Die Frequenz F ist beim Verändern des sekundären elektrischen Signals S2 taktgleich, vorzugsweise synchron, mit der sekundären Frequenz F2. Insbesondere wird das sekundäre elektrische Signal S2 zu Zeitpunkten verändert, wenn das Gleichrichtermodul 30 stromlos ist.
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Ist der Schalter 221 offen, so findet keine Ladung des Energiespeichers 241 statt. Wird der Schalter 221 geschlossen, so wird der Energiespeicher 241 geladen.
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Ein Vorteil, welcher durch das Verfahren zum Laden eines Energiespeichers erwächst, ist, dass bei Messverfahren wie optische Sauerstoffmessung durch einen optochemischen Sensor oder bei einer induktiven/konduktiven Leitfähigkeitsmessung durch einen Leitfähigkeitssensor mit die Schaltungstopologie optimiert werden kann. Es ist somit möglich, die Kapazität des Energiespeichers 241 optimal zu wählen und dieser Speicher dank des Ladeverfahrens schnell und effizient geladen werden kann. Es ist somit möglich, wenn der Energiespeicher 241 leer ist, diesen mit maximal hohen Ladeströmen zu laden, ohne auf einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung angewiesen zu sein. Die Strombegrenzung, welche durch kabelseitige Leistungs-Grenzwerte festgelegt wird, wird durch das Schaltermodul 220, insbesondere den Mikrocontroller oder eine entsprechende analoge Steuerschaltung, berücksichtigt. Somit entstehen keine zusätzlichen ohmschen Verluste, da auf einen Vorwiderstand verzichtet werden kann. Der Wirkungsgrad eines Ladevorgangs des Energiespeicher 241 ist also maximiert.
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Das Steuermodul 110 ist dazu geeignet, das primäre elektrische Signal S1 derart zu steuern, dass ein sekundäres elektrisches Signal S2 erzeugt wird, so dass die Energiemenge des Energiespeichers 241 auf ein vorbestimmtes Niveau geregelt ist. Dies bedeutet z.B., dass der Kondensator immer auf z.B. 6 V aufgeladen bzw. gehalten wird.
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4 zeigt ein Vergleich der am Energiespeicher 241 aufgebauten Spannung zum Laden des Energiespeichers 241. Bei einer Ladung des Energiespeichers 241 unter Verwendung eines Vorwiderstands ergibt sich der Spannungsverlauf der punktierten Kurve. Bei einer Ladung des Energiespeichers 241 unter Verwendung des erfinderischen Ladeverfahrens ergibt sich der Spannungsverlauf der strich-punktierten Kurve. Der Stromverlauf, auf der Seite des Transmitters 100 wird durch die durchgezogene Kurve dargestellt. Die gestrichelte Kurve stellt den Spannungsverlauf am Energiespeicher 241 dar, wenn kein Schaltermodul 220 verwendet werden würde.
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Ein Vorteil, welcher durch das Verfahren zum Übertragen von Daten D erwächst, ist, dass der Modulationshub der Lastmodulation beim Modulieren der Daten D auf das sekundäre elektrische Signal S2 maximiert werden kann, da durch die Verwendung eines Mikrocontrollers, bzw. einer entsprechenden analogen Schaltung, auf Vorwiderstände zu Strombegrenzung in der Sensoreinheit 200 verzichtet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messsystem
- 100
- Transmitter
- 100`
- Kabelbaugruppe
- 101
- Kabel
- 110
- Steuermodul
- 120
- Stromquelle
- 130
- primäres induktives Übertragungsmodul
- 131
- primäre Spule
- 200
- Sensoreinheit
- 210
- sekundäres induktives Übertragungsmodul
- 211
- sekundäre Spule
- 220
- Schaltermodul
- 221
- Schalter
- 230
- Gleichrichtermodul
- 240
- Sensormodul
- 241
- Energiespeicher
- 242
- Sensor
- MW
- Messwert
- S1
- primäres elektrisches Signal
- S1'
- modifiziertes primäres elektrisches Signal
- S2
- sekundäres elektrisches Signal
- S2`
- modifiziertes sekundäres elektrisches Signal
- T
- Zeitdauer
- F
- vorbestimmte Frequenz
- F1
- primäre Frequenz
- F2
- sekundäre Frequenz
- D
- Daten
