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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld, eine Steuerschaltung für ein Messgerät, ein Verfahren zum Temperieren eines Messgeräts, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
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Hintergrund
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Messgeräte zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld werden oftmals in Umgebungen eingesetzt, bei denen ihre Komponenten an die Grenze der spezifizierten, zulässigen Temperaturbereiche stoßen. In derartigen Fällen kann auf zusätzliche aktive Kühl- und Heizelemente zurückgegriffen werden, um innerhalb der gewünschten Temperaturbereiche zu bleiben. Hier kommen beispielsweise PTC-Elemente zum Heizen oder aufwändige Flüssigkeitskühlungen zum Einsatz.
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Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Temperaturbereich, in dem ein Messgerät eingesetzt werden kann, auf alternative Weise zu erweitern.
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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 Offenbarung betrifft ein Messgerät zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld, welches eine Geräteelektronik und einen Temperatursensor aufweist, der zum Messen der Temperatur der Geräteelektronik und/oder der Temperatur in der Umgebung der Geräteelektronik eingerichtet ist. Die Geräteelektronik weist eine Steuerschaltung auf, die eingerichtet ist zum Erhöhen der Verlustleistung der Geräteelektronik, wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet, und/oder zum Erniedrigen der Verlustleistung der Geräteelektronik, wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet.
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Durch die Erhöhung der Verlustleistung der Geräteelektronik wird Wärme erzeugt. Durch die Erniedrigung der Verlustleistung der Geräteelektronik wird die erzeugte Wärme verringert.
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Auf diese Weise ist es möglich, das Messgerät auch ohne den Einsatz von aktiven Kühl- oder Heizkomponenten in thermischen Grenzbereichen sicher und zuverlässig zu betreiben. Hierfür können die ohnehin im Messgerät verbauten Komponenten des Feldgeräts wie deren zielgerichtete Verwendung dazu beitragen, die Temperatur der Geräteelektronik im gewünschten Rahmen zu halten.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Geräteelektronik eine Messtechnikschaltung zum Erfassen eines Messsignals auf, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, zum Erhöhen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Messrate der Messtechnikschaltung zu erhöhen. Ebenso kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, zum Erniedrigen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Messrate der Messtechnikschaltung zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist die Geräteelektronik eine Kommunikationseinheit auf, die drahtgebunden und/oder drahtlos betrieben werden kann. Die Steuerschaltung ist eingerichtet, zum Erhöhen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Sendehäufigkeit der Kommunikationseinheit zu erhöhen bzw. zum Erniedrigen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Sendehäufigkeit der Kommunikationseinheit zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist die Steuerschaltung einen Prozessor auf und ist eingerichtet, zum Erhöhen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Taktrate des Prozessors zu erhöhen und/oder zum Erniedrigen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Taktrate des Prozessors zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist die Geräteelektronik ein Netzteil auf, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, zum Erhöhen der Verlustleistung der Geräteelektronik das Netzteil in einem Arbeitsbereich mit verringerter Effizienz zu betreiben, sodass dieses zusätzliche Wärme produziert. Ebenso kann die Steuerschaltung eingerichtet sein, zum Erniedrigen der Verlustleistung der Geräteelektronik das Netzteil in einem Arbeitsbereich mit erhöhter Effizienz zu betreiben, sodass weniger Wärme produziert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerschaltung eingerichtet, zum Erniedrigen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Messrate der Messtechnikschaltung zu reduzieren, die Sendehäufigkeit der Kommunikationseinheit zu reduzieren und/oder die Taktrate des Prozessors zu reduzieren. Die oben geschilderten Maßnahmen können einzeln, paarweise oder auch alle gleichzeitig ergriffen werden, ggf. in Abhängigkeit der Änderungsrate der Temperatur der Geräteelektronik oder einer in naher Zukunft zu erwartenden Temperaturänderung.
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Insbesondere kann die Steuerschaltung eine Art vorausschauende Programmierung aufweisen, welche zukünftig zu erwartende Temperaturänderungen voraussieht und entsprechend frühzeitig einige oder alle der oben beschriebenen Maßnahmen ergreift, um das Messgerät auf die Temperaturänderung vorzubereiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Steuerschaltung eingerichtet, zum Erhöhen der Verlustleistung der Geräteelektronik die Auslastung des Prozessors zu erhöhen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Steuerschaltung „vorarbeitet“. Hiermit ist gemeint, dass die Steuerschaltung Arbeitsaufgaben bereits frühzeitig abarbeitet, obgleich dies im Messablauf eigentlich erst zu einem späteren Zeitpunkt vorgesehen wäre. Ein Beispiel hierfür ist die zeitliche Verschiebung für die Vorverarbeitung von aufgezeichneten Rohwerten oder das Versenden der Ergebnisse.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Steuerschaltung für ein Messgerät, wie es oben und im Folgenden beschrieben ist, eingerichtet zum Erhöhen der Verlustleistung der Geräteelektronik des Messgeräts, wenn eine gemessene Temperatur einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet und/oder zum Erniedrigen der Verlustleistung der Geräteelektronik, wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Temperieren eines Messgeräts im industriellen oder privaten Umfeld, bei dem zunächst die Temperatur einer Geräteelektronik des Messgeräts gemessen wird. Wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet, wird die Verlustleistung der Geräteelektronik erhöht. Wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet, wird die Verlustleistung der Geräteelektronik erniedrigt.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Programmelement, da, wenn es auf einem Prozessor eines Messgeräts ausgeführt wird, das Messgerät veranlasst, die oben beschriebenen Schritte durchzuführen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein oben beschriebenes Programmelement gespeichert ist.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Stellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
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Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation von Anlagen und die Logistikautomation von Lieferketten. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb oder außerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
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Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
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Die in den Ansprüchen verwendeten Begriffe sollten so ausgelegt werden, dass sie die weitestmögliche vernünftige Interpretation in Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung erhalten. Zum Beispiel sollte die Verwendung des Artikels „ein“ oder „der“ bei der Einführung eines Elements nicht so ausgelegt werden, dass sie eine Vielzahl von Elementen ausschließt. Ebenso sollte die Erwähnung von „oder“ so ausgelegt werden, dass sie eine Vielzahl von Elementen einschließt, so dass die Erwähnung von „A oder B“ nicht „A und B“ ausschließt, es sei denn, aus dem Kontext oder der vorangehenden Beschreibung geht klar hervor, dass nur eines von A und B gemeint ist. Ferner ist die Formulierung „mindestens eines von A, B und C“ als eines oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen zu verstehen, die aus A, B und C besteht, und nicht so auszulegen, dass mindestens eines von jedem der aufgeführten Elemente A, B und C erforderlich ist, unabhängig davon, ob A, B und C als Kategorien oder auf andere Weise miteinander verbunden sind. Darüber hinaus sollte die Erwähnung von „A, B und/oder C“ oder „mindestens eines von A, B oder C“ so ausgelegt werden, dass sie jede einzelne Einheit der aufgeführten Elemente, z. B. A, jede Teilmenge der aufgeführten Elemente, z. B. A und B, oder die gesamte Liste der Elemente A, B und C umfasst.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- 1 zeigt ein Messgerät, welches je nach gemessener Temperatur selbstständig heizt oder kühlt.
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Messgeräts gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Messgerät 100, welches einen Temperatursensor aufweist, um die Temperatur im Inneren des Gehäuses des Messgeräts zu messen. Je nachdem, ob die gemessene Temperatur unterhalb einer ersten Schwellwerttemperatur oder oberhalb einer zweiten Schwellwerttemperatur liegt, wird die Verlustleistung der Geräteelektronik erhöht oder erniedrigt, sodass eine Erwärmung folgt bzw. weniger Verlustwärme erzeugt wird.
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Die Temperierung der Geräteelektronik erfolgt unter Verwendung bestehender Bauteile. Ein Einsatz zusätzlicher Komponenten (aktive Kühl-/Heizelemente) ist nicht notwendig, wodurch Kosten und Platz im Gerät eingespart werden kann. Der Betrieb der Komponenten der Geräteelektronik kann im „ineffizienten Bereich“ erfolgen, um zusätzliche Wärme zum Aufheizen des Messgeräts zu erzeugen. Durch Absenkung von Frequenzen, Messraten oder Kommunikationshäufigkeit kann Energie eingespart werden und die entstehende Wärme reduziert werden, was letztendlich zu einer Kühlung des Messgeräts führt.
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Insbesondere ist es möglich, durch die Taktänderung von Komponenten unterschiedlich hohe thermische Verluste zu erzielen. Indirekt führen somit hohe Temperaturen zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit des Messgeräts.
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Anstatt zusätzliche Heiz- oder Kühlelemente einzusetzen, wird die bestehende Geräteelektronik zur Temperaturregelung genutzt. Hierfür wird die Geräteelektronik mehr oder weniger effizient betrieben, was zu unterschiedlichen Verlustleistungen und Wärmeentwicklungen führt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Messgeräts 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Messgerät 100 weist ein Gehäuse auf, in dem sich eine Steuerschaltung 101 (CPU), ein Netzteil 104, eine Kommunikationseinheit 103 in Form eines Modems und die Messtechnik 102 befindet. Benachbart zu diesen Elektronikkomponenten befindet sich ein Temperatursensor 105, sodass er die Temperatur innerhalb des Gehäuses des Messgeräts bestimmen kann.
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Bei drohender Überhitzung des Messgeräts können erweiterte Energiesparmaßnahmen, wie die Reduzierung des CPU-Takts, der Messrate und/oder der Sendehäufigkeit der Kommunikationseinheit 103, ergriffen werden. Dadurch wird die im Inneren des Messgeräts entstehende Hitze reduziert, sodass die Temperatur länger im gewünschten Rahmen gehalten werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass ganze Funktionen bzw. Bauteilgruppen des Messgeräts temporär abgeschaltet werden, wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Eine eventuell dadurch reduzierte Funktionalität bzw. Verfügbarkeit könnte parametrierbar sein, beispielsweise indem zwischen einer hohen Messrate bis zur Überhitzung oder dem Fokus auf Dauerbetrieb mit notfalls reduzierten Messraten gewählt wird.
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Auch kann vorgesehen sein, dass bestimmte Aufgaben des Messgeräts zeitverschoben ausgeführt werden (z. B. regelmäßig Messen, späteres Verarbeiten und Versenden).
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Im Fall zu niedriger Temperaturen ist es möglich, dass gegensätzliche Maßnahmen ergriffen werden, wie eine Erhöhung der Messrate oder des CPU-Takts, entsprechend der zur Verfügung stehenden Energie. Zusätzlich kann vorgesehen sein, die CPU mit „sinnlosen“ Aufgaben zur zusätzlichen Erwärmung zu beschäftigen. So können bereits vorhandene Rechenmethoden, wie die zur Berechnung von Messwerten aus Rohwerten, mit Dummy-Werten durchgeführt werden. Auch können cyclic redundancy check Berechnungen mit komplexeren Algorithmen durchgeführt werden. Alternativ können auch mathematische nie exakt endende Funktionen berechnet werden, wie die Berechnung von Pi mit beliebiger Genauigkeit
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Zusätzlich können auf Effizienz ausgelegte Komponenten, wie das Netzteil 104, durch Betrieb in weniger effizienten Bereichen zur Erzeugung von mehr Abwärme verwendet werden.
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Auch können die Funktionen abhängig von der zur Verfügung stehenden Energie an- oder abgeschaltet werden. Die Funktionen können auch durch Beobachtung von Tagesverläufen oder anderer Trends bereits vor Erreichen von Grenzwerten aktiviert werden, im Sinne einer vorausschauenden Temperaturregelung.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 301 startet das Verfahren zum Temperieren eines Messgeräts und in Schritt 302 ermittelt ein Temperatursensor die Temperatur der Sensorik, der Komponenten der Geräteelektronik oder ganz allgemein die Gerätetemperatur.
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In Schritt 303 stellt das Gerät fest, ob die gemessene Temperatur unterhalb eines vorbestimmten ersten Schwellwerts liegt. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 304 der Energieverbrauch des Messgeräts erhöht, sodass die Verlustleistung und damit die Wärmeerzeugung ansteigen. Ist dies nicht der Fall, so wird in Schritt 305 festgestellt, ob die Temperatur oberhalb eines zweiten vorbestimmten Temperaturschwellwerts liegt.
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Trifft dies zu, wird der Energieverbrauch des Messgeräts in Schritt 306 reduziert. Trifft dies nicht zu, so springt das Verfahren zurück zu Schritt 302.
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Die Zeit, die vor jedem neuen Durchlaufen des oben beschriebenen Zyklus abgewartet wird, kann abhängig sein von der zuletzt gemessenen Temperaturänderungsrate. Hat sich die Temperatur beispielsweise relativ stark geändert, so wird der oben beschriebene Zyklus früher gestartet, als wenn keine oder nur eine sehr geringe Temperaturänderung festgestellt wurde. Insbesondere kann das Messgerät eingerichtet sein, dass es auf bestimmte externe Triggerereignisse den oben beschriebenen Zyklus startet. Beispiele hierfür wären z. B. die Befüllung des Behälters mit einem heißen Füllgut, ein Erhitzen des Füllguts, ein Erkalten des Füllguts oder, falls der Füllgutbehälter im Freien steht, starke wetterbedingte Temperaturschwankungen.
