EP1565898B1 - Modularer messumformer mit galvanisch getrenntem messfühler - Google Patents

Modularer messumformer mit galvanisch getrenntem messfühler Download PDF

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EP1565898B1
EP1565898B1 EP03780057A EP03780057A EP1565898B1 EP 1565898 B1 EP1565898 B1 EP 1565898B1 EP 03780057 A EP03780057 A EP 03780057A EP 03780057 A EP03780057 A EP 03780057A EP 1565898 B1 EP1565898 B1 EP 1565898B1
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transmitter
sensor
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EP03780057A
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Wolfgang Babel
Detlev Wittmer
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Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link

Definitions

  • the present invention relates to a modular transmitter having a sensor module and an electronic module coupled to the sensor module, wherein the sensor module is coupled via a contactless interface to the electronic module, via which the power supply of the sensor module and the data exchange between the sensor module and the electronic module.
  • the interface may be designed in the manner described in European patent application no. EP 1 206 012 A2 is described, in particular inductive interfaces appear suitable.
  • German Offenlegungsschrift discloses DE 13 703 854 a modular transmitter, in which a sensor is screwed to a measuring head, wherein the measuring head has a transmitting and receiving unit to wirelessly with a central Data collection unit to communicate.
  • the probes such as pH electrodes, are not galvanically isolated from the probe. Rather, it is assumed that a normal metallic contact between the measuring head and the probes.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an electronic module for a modular transmitter, which overcomes the disadvantages of the prior art described.
  • the object is achieved by the electronic module according to independent claim 1 and the modular transmitter according to independent claim 5.
  • the modular transmitter according to the invention comprises a sensor module for detecting a measured variable and the electronic module according to the invention, wherein the sensor module and the electronic module are coupled to each other via a contactless interface, via which the power supply of the sensor module and the data exchange between the sensor module and the electronic module, wherein the electronic module further comprising a transmitting or transmitting and receiving unit for wireless data exchange with a complementary receiving or receiving and transmitting station.
  • the power supply of the electronic module can be done either via a supply cable or self-sufficient, ie, for example, by photocells, by means of a battery or by means of a fuel cell. Of course they are the different forms of energy supply can be combined.
  • the wireless data exchange between the electronic module and the complementary receiving or transmitting and receiving unit for example, via radio, ultrasound or light, in particular by means of infrared light.
  • the selected type of data transmission depends on the particular circumstances of the application. For use in laboratory operation with short ranges in particular an infrared data transmission seems suitable, with radio transmission being preferred for systems with longer ranges.
  • the data transmission over a mobile network or via satellite is suitable.
  • the invention can generally be implemented with arbitrary sensors, in particular with potentiometric sensors, turbidity sensors, gas sensors, pressure sensors, level sensors, flow sensors, spectroscopic sensors, photometric sensors, temperature sensors and humidity sensors.
  • the measuring arrangement shown comprises two modular transducers, namely a modular opacimeter 1a and a modular pH transmitter 1b.
  • the two modular transducers 1a, 1b exchange data with a base station 2.
  • the modular opacimeter 1a comprises an electronic module 10a which contains a circuit 8a for processing a signal received from the sensor module 7a Sensor signal includes.
  • the circuit 8a may further comprise means for reading device parameters of the electronic module 10a and the sensor module 7a.
  • the electronic module 10a comprises a transmission unit 9a for transmitting and receiving data to the base station 2.
  • the data transmission unit comprises an infrared transmitter 3a and an infrared receiver 5a, the base station 2 having a complementary receiver 4 and transmitter 6, respectively.
  • the data exchange can take place, for example, according to the IrDA standard.
  • the power supply of the electronic module 10a takes place via a supply line 13a.
  • the supply line 13a is used exclusively for power supply, wherein in a further embodiment, the supply line 13a at the same time redundant for data transmission z.
  • B. regulation of the supply current (4 ... 20 mA) or according to the HART standard is used.
  • a contactless plug connection is provided, which has a socket 11a provided on the underside of the sensor module 10a, and a plug 12a which is connected to the sensor module 7a. and engaged with the bushing 11a.
  • the connector is preferably detachable. Of course, the connector can also be designed vice versa. That from the bottom of the electronic module extends a plug, and the sensor module has a plug head for receiving the plug.
  • a first cylindrical coil may be arranged, wherein the plug 12a has a second cylindrical coil which is coaxial with the first cylindrical coil is arranged.
  • the plug 12a and the socket 11b each have a coil with a toroidal half, wherein the end surfaces of the toroidal core halves are positioned in alignment with each other closely spaced when the plug is disposed in the socket.
  • the inductive energy transfer from the electronic module to the sensor module takes place via an AC signal which is fed by the electronic module.
  • the amplitude of the AC signal is preferably modulated (ASK according to the English term amplitude shift keying), but other types of modulation such as pulse width and frequency modulation are conceivable.
  • the transmission of data to the sensor module takes place here by direct modulation of the injected AC signal, wherein for data transmission from the sensor module to the electronic module is a load modulation of the AC signal.
  • Fig. 1 further shows a modular transmitter 1b, which is designed as a pH transmitter. It has essentially the same structure as the modular turbidity meter 1a, so that reference is made below only to differences from the turbidity meter described above.
  • the sensor module 7b comprises for the pH transmitter a pH electrode, which is connected by means of the plug head 12b in the socket 11b of the contactless plug connection with the electronic module 10b.
  • the power supply of the modular transmitter 1 b is decentralized, for which purpose a battery 13 b is provided in the housing of the electronic module 10 b.
  • the local energy supply via a fuel cell or via a photocell.
  • the assignment of the power supply types to the different sensor types is chosen only for illustration purposes and does not describe a mandatory technical connection.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen modularen Messumformer, der ein Sensormodul und ein mit dem Sensormodul gekoppeltes Elektronikmodul aufweist, wobei das Sensormodul über eine kontaktlose Schnittstelle an das Elektronikmodul gekoppelt ist, über welche die Energieversorgung des Sensormoduls und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Elektronikmodul erfolgt. Die Schnittstelle kann in der Art gestaltet sein, wie sie in der europäischen Patentanmeldung Nr. EP 1 206 012 A2 beschrieben ist, wobei insbesondere induktive Schnittstellen geeignet erscheinen.
  • Wenngleich die in der genannten europäischen Patentanmeldung als Steckverbinder offenbarte Schnittstelle die galvanische Entkopplung zwischen dem Sensormodul und dem Elektronikmodul gewährleistet, so erfordert die dort beschriebene Lösung noch die Datenübertragung zwischen dem Elektronikmodul und einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einer Warte, über ein Kabel.
  • In besonderen Anwendungsfällen ist dies insofern nachteilhaft, als der modulare Messumformer nur schwer zugänglich ist bzw. sehr weit von der übergeordneten Einheit entfernt ist. Zudem besteht die Gefahr, dass der Datenaustausch zwischen der übergeordneten Einheit und dem Messumformer durch Beschädigung des Kabels beeinträchtigt wird. Weiterhin kann es von Nachteil sein, wenn der Messumformer galvanisch an die übergeordnete Einheit gekoppelt ist, insbesondere dann, wenn lokale Potentialschwankungen auftreten können.
  • Andererseits offenbart die deutsche Offenlegungsschrift DE 13 703 854 einen modularen Messumformer, bei dem ein Messfühler mit einem Messkopf verschraubt ist, wobei der Messkopf eine Sende- und Empfangseinheit aufweist, um drahtlos mit einer zentralen Datenerfassungseinheit zu kommunizieren. Die Messfühler, beispielsweise pH-Elektroden, sind jedoch nicht galvanisch getrennt von dem Messkopf. Vielmehr ist von einer gewöhnlichen metallischen Kontaktierung zwischen dem Messkopf und den Messfühlern auszugehen.
  • Dies ist insofern nachteilig, als beim Austausch von Messfühlern durch Funkenabriss Explosionsgefahr in gefährdeten Umgebungen besteht. Zudem können die Kontakte zwischen dem Messfühler und dem Messkopf korrodieren, so dass die Signalübertragung beeinträchtigt wird.
  • Ein weiterer modularer Meßumformer ist aus WO-A-91/13417 bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektronikmodul für einen modularen Messumformer bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Elektronikmodul gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie dem modularen Messumformer gemäß unabhängigem Patentanspruchs 5.
  • Der erfindungsgemäße modulare Messumformer umfasst ein Sensormodul zum Erfassen einer Messgröße und das erfindungsgemäße Elektronikmodul, wobei das Sensormodul und das Elektronikmodul über eine kontaktlose Schnittstelle miteinander gekoppelt sind, über welche die Energieversorgung des Sensormoduls und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Elektronikmodul erfolgt, wobei das Elektronikmodul weiterhin eine Sende- bzw. Sende- und Empfangseinheit zum drahtlosen Datenaustausch mit einer komplementären Empfangs- bzw. Empfangs- und Sendestation aufweist.
  • Die Energieversorgung des Elektronikmoduls kann entweder über ein Versorgungskabel oder autark, d.h. z. B. durch Photozellen, mittels einer Batterie oder mittels einer Brennstoffzelle erfolgen. Selbstverständlich sind die verschiedenen Formen der Energieversorgung miteinander kombinierbar.
  • Der drahtlose Datenaustausch zwischen dem Elektronikmodul und der komplementären Empfangs- bzw. Sende- und Empfangseinheit kann beispielsweise über Funk, Ultraschall oder Licht, insbesondere mittels Infrarotlicht erfolgen. Die gewählte Art der Datenübertragung hängt von den besonderen Umständen des Einsatzgebietes ab. Für den Einsatz im Laborbetrieb mit kurzen Reichweiten erscheint insbesondere eine Infrarot-Datenübertragung geeignet, wobei für Systeme mit größeren Reichweiten Funkübertragung vorzuziehen ist. Für besondere Anwendungsfälle ist auch die Datenübertragung über ein Mobilfunknetz oder über Satellit geeignet.
  • Die Erfindung ist generell mit beliebigen Sensoren realisierbar, insbesondere mit potentiometrischen Sensoren, Trübungssensoren, Gassensoren, Drucksensoren Füllstandssensoren, Durchflusssensoren, spektroskopischen Sensoren, Photometrischen Sensoren, Temperatursensoren und Feuchtesensoren.
  • Weitere Vorteile und Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung. Es zeigt:
    • Fig. 1: Eine Messanordnung mit einem Messumformer gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Messanordnung umfasst zwei modulare Messumformer, nämlich einen modularen Trübungsmesser 1a und einen modularen pH-Transmitter 1b. Die beiden modularen Messumformer 1a, 1b tauschen Daten aus mit einer Basisstation 2. Der modulare Trübungsmesser 1a umfasst ein Elektronikmodul 10a, welches eine Schaltung 8a zur Aufbereitung eines vom Sensormodul 7a empfangenen Sensorsignals umfasst. Gegebenenfalls kann die Schaltung 8a weiterhin Mittel zum Auslesen von Geräteparametern des Elektronikmoduls 10a und des Sensormoduls 7a umfassen. Weiterhin umfasst das Elektronikmodul 10a eine Übertragungseinheit 9a zum Senden und Empfangen von Daten an die Basisstation 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Datenübertragungseinheit einen Infrarotsender 3a und einen Infrarotempfänger 5a, wobei die Basisstation 2 einen komplementären Empfänger 4 bzw. Sender 6 aufweist. Der Datenaustausch kann beispielsweise nach dem IrDA-Standard erfolgen.
  • Die Energieversorgung des Elektronikmoduls 10a erfolgt über eine Versorgungsleitung 13a. In einer ersten Ausführungsform dient dabei die Versorgungsleitung 13a ausschließlich zur Energieversorgung, wobei in einer weiteren Ausführungsform die Versorgungsleitung 13a zugleich redundant zur Datenübertragung z. B. Regulierung des Versorgungsstroms (4 ... 20 mA) oder nach dem HART-Standard verwendet wird.
  • Zur Energieversorgung des Sensormoduls und zum Datenaustausch zwischen dem Sensormodul 7a und dem Elektronikmodul 10a ist eine kontaktlose Steckverbindung vorgesehen, welche eine Steckbuchse 11a aufweist, die an der Unterseite des Sensormoduls 10a vorgesehen ist, und einen Stecker 12a, der mit dem Sensormodul 7a verbunden ist, und mit der Buchse 11a in Eingriff gelangt. Die Steckverbindung ist vorzugsweise lösbar. Selbstverständlich kann die Steckverbindung auch umgekehrt gestaltet sein. D.h. von der Unterseite des Elektronikmoduls erstreckt sich ein Stecker, und das Sensormodul weist einen Steckkopf zur Aufnahme des Steckers auf.
  • Derzeit bevorzugt sind Steckverbindungen mit einer induktiven Übertragung von Daten und Energie. Hierzu kann in der Mantelfläche der Buchse 11a beispielsweise eine erste zylindrische Spule angeordnet sein, wobei der Stecker 12a eine zweite zylindrische Spule aufweist, welche koaxial mit der ersten zylindrischen Spule angeordnet ist. In einer alternativen Ausgestaltung weisen der Stecker 12a und die Buchse 11b jeweils eine Spule mit einer Ringkernhälfte auf, wobei die Endflächen der Ringkernhälften miteinander fluchtend in engem Abstand zueinander positioniert sind, wenn der Stecker in der Buchse angeordnet ist.
  • Die induktive Energieübertragung vom Elektronikmodul zum Sensormodul erfolgt über ein AC-Signal welches vom Elektronikmodul gespeist wird. Zum Datenaustausch zwischen Sensormodul und Elektronikmodul wird bevorzugt die Amplitude des AC-Signals moduliert (ASK nach dem englischen Begriff Amplitude Shift Keying), jedoch sind auch andere Modulationsarten wie Pulsbreiten- und Frequenzmodulation denkbar. Die Übertragung von Daten zum Sensormodul erfolgt hierbei durch direkte Modulation des eingespeisten AC-Signals, wobei zur Datenübertragung vom Sensormodul zum Elektronikmodul eine Lastmodulation des AC-Signals erfolgt.
  • Weitere Einzelheiten und Alternativen zur Gestaltung der induktiven Steckverbindung und der Übertragung von Daten und Energie sind in der Patentanmeldung Nr. EP 1 206 012 A2 beschrieben. Einzelheiten zu einem möglichen Aufbau eines Sensormoduls mit einem kontaktlosen Stecker sind in der ebenfalls anhängigen deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10218606 offenbart.
  • Fig. 1 zeigt weiterhin einen modularen Messumformer 1b, der als pH-Transmitter ausgestaltet ist. Er hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der modulare Trübungsmesser 1a, so dass nachfolgend nur auf Unterschiede zum zuvor beschriebenen Trübungsmesser hingewiesen wird.
  • Das Sensormodul 7b umfasst für den pH-Transmitter eine pH-Elektrode, welche mittels des Steckkopfes 12b in der Buchse 11 b der kontaktlosen Steckverbindung mit dem Elektronikmodul 10b verbunden ist.
  • Die Energieversorgung des modularen Messumformers 1 b erfolgt dezentral, wozu im Gehäuse des Elektronikmoduls 10b eine Batterie 13b vorgesehen ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die lokale Energieversorgung über eine Brennstoffzelle bzw. über eine Photozelle. Die Zuordnung der Energieversorgungarten zu den verschiedenen Sensortypen ist nur zu Illustrationszwecken gewählt und beschreibt keinen zwingend erforderlichen technischen Zusammenhang.

Claims (5)

  1. Elektronikmodul (8a; 8b) für einen modularen Messumformer (1a; 1b) mit einem Sensormodul (7a; 7b) und einem Elektronikmodul (8a; 8b), wobei das Sensormodul und das Elektronikmodul (8a; 8b) über eine kontaktlose Schnittstelle (11a, 12a; 11 b, 12b) miteinander koppelbar sind, über welche die Energieversorgung des Sensormoduls (7a; 7b) und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Elektronikmodul (8a; 8b) erfolgt,
    wobei das Elektronikmodul (8a; 8b) einen ersten Teil der kontaktlosen Schnittstelle (11a, 11b) umfasst
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Elektronikmodul (8a; 8b) weiterhin eine Sende- bzw. Sende- und Empfangseinheit (9a; 9b) zum drahtlosen Datenaustausch mit einer komplementären Empfangs- bzw. Empfangs- und Sendestation (2) aufweist, und
    dass die kontaktlose Schnittstelle eine kontaktlose lösbare Steckverbindung umfasst, und welche eine Steckbuchse (11a) und einen Stecker (12a) aufweist, der mit der Steckbuchse 11a in Eingriff gelangt, wobei die kontaktlose Schnittstelle zur induktiven Übertragung von Daten und Energie vorgesehen ist, wobei der erste Teil der Schnittstelle die Steckbuchse oder den Stecker umfasst
  2. Elektronikmodul (8a) nach Anspruch 1, wobei das Elektronikmodul einen Anschluss für eine Versorgungsleitung (13a) zur Energieversorgung des Elektronikmoduls aufweist.
  3. Elektronikmodul (8b) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Elektronikmodul zur Energieversorgung eine Photozelle, eine Batterie (13b) oder eine Brennstoffzelle aufweist.
  4. Elektronikmodul (8a; 8b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der drahtlose Datenaustausch zwischen dem Elektronikmodul und einer komplementären Empfangs- bzw. Sende- und Empfangseinheit über Funk, Ultraschall oder Licht, insbesondere Infrarotlicht erfolgt.
  5. Modularer Messumformer (1), umfassend ein Elektronikmodul (8a; 8b) nach einem der bisherigen Ansprüche und ein Sensormodul (7a; 7b) zum Erfassen einer Prozessgröße, wobei das Sensormodul (7a, 7b) einen zum ersten Teil der Schnittstelle komplementären zweiten Teil der Schnittstelle aufweist.
EP03780057A 2002-11-28 2003-11-26 Modularer messumformer mit galvanisch getrenntem messfühler Expired - Lifetime EP1565898B1 (de)

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