EP3308151A1 - Messeinrichtung zur bestimmung physikalischer eigenschaften, chemischer eigenschaften, biologischer eigenschaften und/oder von stoffen der umgebung wenigstens eines aufnehmers oder des wenigstens einen aufnehmers als bestandteil der messeinrichtung - Google Patents

Messeinrichtung zur bestimmung physikalischer eigenschaften, chemischer eigenschaften, biologischer eigenschaften und/oder von stoffen der umgebung wenigstens eines aufnehmers oder des wenigstens einen aufnehmers als bestandteil der messeinrichtung

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EP3308151A1
EP3308151A1 EP16728942.0A EP16728942A EP3308151A1 EP 3308151 A1 EP3308151 A1 EP 3308151A1 EP 16728942 A EP16728942 A EP 16728942A EP 3308151 A1 EP3308151 A1 EP 3308151A1
Authority
EP
European Patent Office
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measuring device
metrological
sensor
active
functional unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP16728942.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Lau
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Sentronic GmbH Gesellschaft fuer Optische Messsysteme
Original Assignee
Sentronic GmbH Gesellschaft fuer Optische Messsysteme
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Filing date
Publication date
Application filed by Sentronic GmbH Gesellschaft fuer Optische Messsysteme filed Critical Sentronic GmbH Gesellschaft fuer Optische Messsysteme
Publication of EP3308151A1 publication Critical patent/EP3308151A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/302—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells pH sensitive, e.g. quinhydron, antimony or hydrogen electrodes
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/283—Means for supporting or introducing electrochemical probes
    • G01N27/286—Power or signal connectors associated therewith
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/02—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers
    • G01K1/024—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers for remote indication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits

Definitions

  • Measuring device for determining physical properties, chemical properties, biological properties and / or substances of the environment of at least one pick-up or the at least one pick-up as part of the measuring device
  • the invention relates to measuring devices for the determination of physical properties, chemical properties, biological properties and / or substances of the environment of at least one pickup or the at least one pickup itself as part of the respective measuring device.
  • Radio links are used by means of electromagnetic radiation or lines as optical fibers or electrical lines.
  • the power supply is usually via electrical cables, integrated energy sources or decentralized energy sources.
  • Electrical or optical connectors are usually very susceptible to interference and economically expensive in harsh environmental conditions, such as sewage treatment plants, fish farms, in mining or in potentially explosive atmospheres.
  • harsh environmental conditions such as sewage treatment plants, fish farms, in mining or in potentially explosive atmospheres.
  • the insertion of such connectors or the protection of open connectors under such harsh environmental conditions is complicated and prone to failure at low temperatures or on highly fluctuating sea-based fish farms.
  • Certain transducers such as electrodes, consume and need to be replaced at intervals. Such electrodes are to be connected to the active metrological functional unit. These are small signal strengths, which for this reason are already very susceptible to interference in poor transmission. Electrical connectors are susceptible to interference and / or expensive and they can hardly handle safely under dirty and / or humid conditions.
  • the document EP 1 206 012 B1 shows alternatives here.
  • the disadvantage here is that a comprehensive communication between the passive device including the transducer, executed here as a pH electrode, and the active metrological functional unit is not provided, as on the passive device no sufficient bidirectional data processing is provided. A simultaneous use of more than one passive device and / or the combination of more than one transducer on the passive and / or the active metrological functional unit are not provided.
  • the cuvette has an information transmitter for wirelessly providing cuvette-related data to be transmitted to an external data receiving module, the information transmitter being fixed to the cuvette wall.
  • the cuvette can also be part of an optical measuring device.
  • the cuvette data is wirelessly transmitted to a receiver.
  • the document DE 10 201 1 005 807 A9 discloses a cuvette and an optical measuring device which has the cuvette.
  • This is in particular a sample cell for a device for measuring a temperature-dependent optical characteristic of a fluid sample in a polarimeter.
  • the cuvette has an information transmitter for the wireless provision of data relating to the cuvette, wherein the information transmitter is designed as an active or passive information transmitter.
  • certain optically obtained measurement data, temperature data and the cuvette-determining data for example in the form of calibration data or geometry data, can be transmitted.
  • the cuvette and the optical measuring device are limited to the acquisition of data and their transmission to a data receiving module.
  • Document US 2014/0218718 A1 contains an analysis system for substances which are exposed to electromagnetic radiation for this purpose.
  • the received electromagnetic radiation reaches detectors which can communicate with a data network for transmitting the measurement data.
  • This is photometric / spectrometric measurement method.
  • a wireless data and energy transmission is not provided.
  • the publication US 2014/0 21 1 204 A1 discloses a sensor module which has an active power supply, sensory components and a radio link known from communications technology. Furthermore, the publication US 2010/0 1 10 439 A1 includes an optical measuring device, which can have an active power supply, the sensory components and in addition to a wired communication also a classic radio link. Passive components are not the subject of these solutions. The provision of energy and communication take place via separate channels.
  • the publication DE 10 2012 014 503 A1 discloses a gas measuring system for measuring the concentration of gaseous and / or vaporous components of a gas mixture by means of a color change of at least one reactant.
  • the color change is detected and can be measured by means of a reader for an electronic data storage with the measured data be read out.
  • the data memory can be a part of a known FID chip, which is readable by means of magnetic alternating fields or radio waves.
  • the publication WO 2010/085 736 A1 discloses a chlorophyll and turbidity sensor system.
  • the system is wirelessly connected to communicate data with a data receiver.
  • the latter is furthermore coupled to a display unit and / or control unit.
  • the specified in claim 1 invention has for its object to easily control a measuring device or to influence their function.
  • the measuring devices for determining physical properties, chemical properties, biological properties and / or substances of the environment of at least one pickup or the at least one pickup itself as part of the respective measuring device are characterized in particular by the fact that they are easily controllable and influenced in their function.
  • the measuring device has an active metrological functional unit, at least one passive device and thus no energy source, and at least one sensor, wherein the at least one sensor can be part of the metrological functional unit and / or part of the passive device.
  • the active metrological functional unit has wheihin at least one data processing system and a transmitting and receiving unit for electromagnetic radiation and is connected together with an electrical energy source.
  • the transmitting and receiving unit of the metrological functional unit with at least one transmitting and receiving unit for electromagnetic radiation at least one passive device
  • the electromagnetic radiation also known as electromagnetic waves, are energy-transmitting and either signal-transmitting and / or data-transmitting electromagnetic radiation, so that the at least one passive device in conjunction with the metrological functional unit and at least one sensor represent the measuring device.
  • the active metrological functional unit together with the at least one sensor results in an active sensor, which can be specifically and specifically influenced by the passive device and / or moved to (user) feedback.
  • the metrological functional unit is the active part of the measuring device and can be made mobile.
  • the passive unit together with the at least one sensor results in a passive sensor which specifically and specifically influences the active metrological functional unit and / or is influenced by the active metrological functional unit.
  • the passive device is a self-contained system that can be integrated in a completely enclosed housing.
  • this housing is IP67 / IP 68 compliant, chemical and / or biochemically stable, non-toxic and non-carcinogenic.
  • this can also be used in harsh environmental conditions, such as humid environments.
  • this is executable depending on the application, so that it can be used flexibly.
  • This can be for identification, as a measuring and / or control unit or as a status indication.
  • the passive device can furthermore be used simultaneously or in combination with at least one further passive device at the same time and / or in parallel. Electrical supply lines and contacts are not necessary for the function.
  • a configuration or programming of the passive device can be done easily via an external device provided for this purpose or by the metrological functional unit itself via the transmitting and receiving unit of the passive device.
  • the pulses, signals, data and / or programs sent by the passive device as software influence the data processing system of the metrological functional unit accordingly. For this purpose, these are identified in particular and can be stored, forwarded, further processed and / or executed accordingly.
  • the passive device may include an electrical energy storage as a buffer so that fluctuating power supply via the wireless power transmission and / or a fluctuating power consumption can be compensated.
  • an electrical energy storage as a buffer so that fluctuating power supply via the wireless power transmission and / or a fluctuating power consumption can be compensated.
  • a buffer memory capacitors can be used.
  • the passive unit can compensate for fluctuating or inadequate energy consumption through additional wireless energy transfers such as photometric, thermal, or acoustic energy converters.
  • the at least one transmitting and receiving unit in the metrological functional unit and in the passive device each have at least one antenna or coil to the electromagnetic coupling (energy transfer, signal and / or data transmission) between the at least one active metrological functional unit and the at least one passive To ensure equipment.
  • more than one antenna or coil can be used at different positions. Preferably, these are then connected in series.
  • a passive device with a sensitive layer / membrane for example a fluorescent layer
  • a replaceable measuring cap which is fixed on the housing of an active measuring device for the purpose of coupling / utilization and / or or at the same time, for example, a calibration cuvette to be used as a passive device whose geometric or functional design does not allow the use of the first antenna or coil.
  • the electromagnetic coupling is preferably carried out in the near field in order to avoid crosstalk of the coupling in parallel and / or simultaneous use of more than one coupling point.
  • near field communication is used at a frequency of 13.56 MHz and a maximum data transfer rate of 424 kbps.
  • the communication is preferably carried out cryptographically secured.
  • the passive measurement unit having a transmitting and / or receiving unit for electromagnetic radiation may be a separate measuring unit or may be designed in accordance with the passive device.
  • the electrical energy source for the metrological functional unit in connection with the data processing system and the transmitting and receiving unit according to the embodiment of claim 2 is an electrical network, an accumulator, an energy converter or a combination thereof.
  • An energy converter is in particular a known wind power, wave power, hydropower, thermal power, sound energy, tidal power or solar power system. These convert the respective energy into electrical energy.
  • the senor is an electrochemical sensor, a biochemical sensor, an optical sensor, a semiconductor sensor, a solid-state sensor, a microsystem, an electrode, an optoelectron, a physical sensor element or a combination thereof.
  • the passive device has a data processing system which is functionally connected to the operating element, the switching device, the signaling, the display, the data medium, the data memory, a transducer, a transducer.
  • the data processing system is thus part of a control and / or control device.
  • the data processing system can be configured to include corresponding software, so that at least one specific function can be triggered.
  • This can be, for example, a calibration of the transducer, with corresponding reference conditions being provided and the measured value of the transducer by means of determined and / or defined processes / processes is matched with the reference value, which changes the current property of the pickup.
  • the passive device for calibrating the transducer is according to the embodiment of claim 5, a calibration cuvette, which provides both the reference conditions, the calibration or adjustment function triggers and advantageously provides continuous or after completion of the function status messages.
  • the calibration cuvette advantageously has, according to the further development of patent claim 6 as a passive sensor, at least one pressure, one temperature, one pH, one conductivity and / or one moisture sensor.
  • at least one pressure, one temperature, one pH, one conductivity and / or one moisture sensor In addition to the reference conditions, for example the oxygen concentration in an oxygen sensor, ambient conditions determined, for example, by means of the pressure, temperature, pH, conductivity and / or moisture sensor can also be detected and transmitted to an active metrological functional unit.
  • the passive device with the switching device is according to the embodiment of claim 7 via the data processing system of the active metrological functional unit in connection with the pickup starting or terminating switching device.
  • the passive device may have switching functions that can be triggered in the active metrological functional unit. The activation can be carried out automatically after the radio connection (coupling) of the passive unit with the metrological functional unit or at the passive unit by user interaction.
  • the passive device as a data memory is according to the embodiment of claim 8, a data as times, identification data, code, actual value, reference values, software, mathematical function, linearization parameters, calibration parameters and / or algorithm for influencing the data processing system of the active metrological functional unit-containing passive device ,
  • the calibration cuvette as a passive device is connected to the active metrological functional unit and at least one sensor (active sensor) in such a way that at least two reference values are transferred to the sensor preferably subsequently or after user interaction.
  • This is at least a two-point adjustment and / or the determination of reference conditions given by the transducer.
  • the data processing systems of the metrological functional unit and the passive device are connected to one another according to the embodiment of claim 10 via the respective transmitting and receiving units for signal and / or data transmission to influence the operation of the respective data processing system. This allows programs and data to be exchanged and executed accordingly. These are in particular the measurement data, commands or configurations obtained by means of the transducer.
  • the passive device for signaling is according to the embodiment of claim 1 1 a at least one optical and / or at least one acoustic signal emitting passive device.
  • the operational readiness or success messages of the measuring device or parts of these can be displayed. This can also be done using thresholds, so that certain operating conditions determined by the threshold values can be signaled.
  • the control element of the passive device is according to the embodiment of claim 12 at least one button and / or at least one switch in connection with a data processing system of this passive device. This can trigger certain functions in conjunction with the active sensor.
  • the passive device has at least one sensor element, the passive device being a passive device having at least one sensor element or the sensor element being connected to the data processing system of the passive device.
  • the sensor element may be a temperature sensor, pressure sensor, humidity sensor, pH sensor, conductivity sensor, gas sensor, an electrochemical sensor, a biochemical sensor or optical sensor or electrode, optrode or physical sensor element.
  • Specific operating regimes determine the measured values in the data processing system as a function of the sensor element (s) and then transmit them actively or upon request to an active metrological functional unit.
  • the passive device as a passive sensor has at least one own sensors / transducers and its measured values are taken over the respective transmitting and receiving units of the active metrological functional unit or the measuring device. This allows the range of functions of the measuring device to be changed temporarily or continuously. This can be done, for example, for the purpose of compensation.
  • a sensor for measuring gases h of the atmosphere or of dissolved gases in liquids for use at different altitudes or depths can be expanded with a pressure sensor. This can be done for the purpose of eferencing.
  • a barometric pressure sensor can measure the necessary ambient pressure and make it available to the active sensor (metrological functional unit plus at least one sensor) or a gas sensor can measure the present gas concentration and make it available to the active metrological functional unit ,
  • a pH electrode as part of the passive device can also determine the pH value and transmit it galvanically separated to the active metrological functional unit without electrical contact elements. This can also be done, for example, for the purpose of determining complex sum parameters.
  • a sensor for measuring dissolved oxygen for use in salt water can be expanded to include the function conductivity sensor for determining salinity. Using this sensor again in the drinking water, the passive device can be removed.
  • the transmitting and receiving unit for electromagnetic radiation and the active metrological functional unit are releasably connected together according to the embodiment of claim 14. Furthermore, the transmitting and receiving unit is connected in conjunction with the active metrological functional unit with this and the electrical energy source.
  • the transmitting and receiving unit can advantageously be designed as a cap, which can be screwed by means of screw connection or clamping connection.
  • the transmit and receive unit for electromagnetic radiation which can be connected to the active metrological functional unit is connected to a data medium, a data memory and / or a further data processing system according to the embodiment of claim 15.
  • data of the data processing system of the active sensor can be transmitted cyclically or according to specific implementations, such as an adjustment, as usage information.
  • the user can use the cap connect to another active sensor so that usage data is automatically transmitted to the data processing system of the other active sensor.
  • 1 shows a measuring device with an active metrological functional unit and a passive device as a cuvette
  • FIG. 2 shows a measuring device with an active metrological functional unit in a passive device as a cuvette
  • FIG. 3 shows a measuring device with an active metrological functional unit and a passive device for controlling the measuring device
  • Fig. 4 shows a passive device as information means
  • Fig. 5 shows a passive device with a pick-up, which is mounted on an active metrological functional unit.
  • the measuring devices for determining physical properties, chemical properties, biological properties and / or substances of the environment of at least one transducer or the at least one transducer itself as part of the respective measuring device consists essentially of the transducer, the at least one active metrological functional unit with its data processing system, its connection to at least one transmitting and receiving unit for electromagnetic radiation, its electrical energy source and at least one transmitting and receiving unit for electromagnetic radiation having passive device
  • the electromagnetic beams are energy-transmitting and either signal-transmitting and / or data-transmitting electromagnetic radiation preferably in the near field (NFC), so that the passive device in conjunction with the active metrological functional unit and the transducer form a measuring device.
  • NFC near field
  • the passive device may be a calibration cuvette.
  • Fig. 1 is a measuring device with an active metrological functional unit 1, a pickup 5 and a passive device 2 as a cuvette 3 including the Leuchtrrittel 4 for signaling, the passive device is here outside the electromagnetic radiation used (field) and in
  • Fig. 2 shows this passive device 2 as a cuvette 3 is within the electromagnetic radiation used between the active metrological functional unit 1 and the passive device 2, so that the passive device is active.
  • a reference medium must be provided on the sensitive part and thus on the transducer 5. This can be done, for example, in the sensor 5 for dissolved oxygen by a cuvette 3, which is filled with a suitable calibration solution or in the case of fluorescence-optical sensors for p02 / dissolved oxygen with a calibration gas.
  • the calibration medium as a solution or gas can also be provided by a sponge soaked in it or in the course of a flow (gas cuvette).
  • the handling of such a cuvette 3 must take place in accordance with certain regulations and usually requires a direct mounting on or around the pickup 5 and a triggering of the calibration / adjustment function on the measuring device, usually at the cable end of the active metrological functional unit 1, ie far from the pickup 5, which subject to the reference conditions.
  • the transducer can be mounted here at the metrological functional unit 1 are also inserted into the cuvette 3 in order to achieve the reference conditions.
  • the triggering of the calibration function is advantageously carried out by means of the passive device 2 of the cuvette 3. This can be a component of the cuvette 3 or is a device arranged separately on the cuvette 3.
  • the passive device 2 contains a data processing system in connection with the transmitting and receiving unit for electromagnetic radiation.
  • the transmitting and receiving unit consists of a known transmitter and receiver or a combination of a transmitter and receiver in each case in conjunction with an antenna / coil.
  • the data processing system of the passive device is connected to at least one light source 4.
  • the latter may be one or more known light-emitting diodes, in particular of different colors.
  • the passive device 2 may be provided with at least one further sensor element which is connected to the data processing system of the passive device.
  • the sensor element may be a temperature or pressure sensor.
  • the transducer 5 mounted on the active metrological functional unit 1 is contacted with the medium for calibration with the cuvette 3.
  • the passive device 2 may be designed as a cap or pipe section. After assembly, the cuvette is detected by the active metrological functional unit 1 and the connection of the transmitter and receiver units of the active metrological functional unit 1 and the passive device 2 is established. The operational readiness of the passive device 2 produced by the electromagnetic radiation is indicated by means of the luminous means 4. The operational readiness leads in the simplest case at the same time that the function of the calibration of the pickup 5 via the active metrological functional unit 1 is started by its data processing system. After completion, a corresponding signal is sent from the active metrological functional unit 1 to the passive device 2, which in turn leads to a control of a further or of the luminous means 4. The cuvette 3 can be removed again or filled with the next reference medium to repeat the process.
  • the control of this process can thus easily be done on site.
  • the passive device is always ready for operation due to its passive design.
  • 3 shows a measuring device with an active metrological functional unit 1, a pickup 5 1 and a passive device 2 for controlling the measuring device in a basic representation.
  • Active metrological functional units 1 which do not have digital wired communication, but operate with analog interfaces, for example the 4 to 20 mA current loop or 0 to 5 V DC, have no direct possibility to change a measurement condition, for example as a measurement interval, gain setting or measured value filter strength Start or stop measurement, or output status information via these analog interfaces.
  • a measurement condition for example as a measurement interval, gain setting or measured value filter strength Start or stop measurement, or output status information via these analog interfaces.
  • the passive device 2 By means of the passive device 2, such functions can be activated, configured and / or read out.
  • the active metrological functional units 1 by means of the passive device 2, for example, operate the pickup 5 with a new measurement interval. This occurs when the passive device 2 enters the coupling range of the transmitting and receiving unit of an active metrological functional unit 1.
  • the passive device 2 can also be provided with buttons 6 and / or with a screen (for example an ink display), also as a so-called touch screen. Buttons and screen are connected to the data processing system of the passive device, so that a certain operation of the data processing system can be triggered or canceled.
  • This mode of operation is transmitted to the data processing system of the active metrological functional unit 1, so that the mode of operation of the active metrological functional unit 1 and transducer 5 can be changed accordingly.
  • the screen or illuminant the respective mode of operation can be controlled and / or influenced.
  • the passive functional unit can also automatically transmit certain configurations, so that it is sufficient to bring the two transmitting and receiving units and radio range.
  • FIG. 4 shows a passive device 2 as information means in a basic representation.
  • the passive device 2 is an information means about the status of the measuring device or a combination of configuration and / or command transfer and associated status information.
  • Reasons can be economic, sealing requirements of the sensors, Material problems, explosion protection measures or environmental conditions (eg sensors for water applications in sewage treatment plants that are submerged in water). It is also essential that various applications do not allow permanent accessibility to the sensors, so that such indicators are useless.
  • the passive device 2 can advantageously be used. This includes an indicator in the form of at least one light source 4 or a display.
  • the passive device 2 can be designed as a key, in card form, as a bracelet, as a key ring or as a shield.
  • the luminous means may in particular be a multicolored luminescence diode. If the passive unit comes within the range of the transmitter and receiver unit of the active metrological functional unit 1 and can be transmitted to operate the passive device 2 necessary energy and the communication can be started. In this case, commands or configuration data can be exchanged and / or the status information of the data processing system of the sensor 1 is transmitted to the passive device 2. In this case, the light-emitting diode is switched on via the data processing system of the passive device 2 so that a status or color associated flashing frequency is emitted.
  • Such an embodiment of the passive device 2 can advantageously be fixed by a magnetic force (for example, sintered NdFeB magnets) for the continuous use or for the duration of the desired coupling to the transmitting and receiving unit for electromagnetic radiation of the metrological functional device.
  • a magnetic force for example, sintered NdFeB magnets
  • Fig. 5 shows a passive device 2 with a pickup 5, which is mounted on an active metrological functional unit 1, in a schematic representation.
  • the passive device 2 is embodied here, for example, with a pH electrode, which is connected as a replaceable element without wired contact and galvanically isolated with the active metrological functional unit 1.
  • the electrode, ie the transducer 5, with the associated passive device 2 are exchangeable, galvanically isolated and robustly connected to the active metrological functional unit 1 in this way.
  • transducers for example as a temperature sensor, in the passive unit 2 can be processed directly by the data processing system in the passive device 2 and thus enable the reduced transmission of data (measured values) to the active metrological functional unit 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Messeinrichtungen zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften, chemischer Eigenschaften, biologischer Eigenschaften und/oder von Stoffen der Umgebung wenigstens eines Aufnehmers oder des wenigstens einen Aufnehmers selbst als Bestandteil der jeweiligen Messeinrichtung. Die Messeinrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese einfach, robust kontrollierbar und in ihrer Funktion beeinflussbar sind. Dazu bestehtdie Messeinrichtung aus mindestens einem Aufnehmer als Bestandteil einer passiven Einrichtung und/oder als ein Bestandteil einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit. Die aktive messtechnische Funktionseinheit besteht weiterhin aus einem Datenverarbeitungs- system und einer Sende-und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen und ist mit einer elektrischen Energiequelle zusammengeschaltet. Weiterhin ist die Sende-und Empfangseinheit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit mit wenigstens einer Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen wenigstens einer passiven Einrichtung -mit wenigstens einem Bedienelement, -mit wenigstens einer Schalteinrichtung, -zur Steuerung der Messeinrichtung, -zur Signalisierung, -zur Messwertgewinnung, -zur Anzeige eines Betriebszustandes, -zum Kalibrieren des Aufnehmers, -als ein Datenmedium und/oder -als ein Datenspeicher drahtlos verbunden.

Description

Messeinrichtung zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften, chemischer Eigenschaften, biologischer Eigenschaften und/oder von Stoffen der Umgebung wenigstens eines Aufnehmers oder des wenigstens einen Aufnehmers als Bestandteil der Messeinrichtung
Die Erfindung betrifft Messeinrichtungen zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften, chemischer Eigenschaften, biologischer Eigenschaften und/oder von Stoffen der Umgebung wenigstens eines Aufnehmers oder des wenigstens einen Aufnehmers selbst als Bestandteil der jeweiligen Messeinrichtung.
Technische Systeme benötigen Energie und besitzen in der Regel auch entsprechende Schnittstellen, um Informationen auszutauschen. Zur Kommunikation werden Funkverbindungen mittels elektromagnetischer Strahlen oder Leitungen als Lichtwellenleiter oder elektrische Leitungen verwendet. Die Energieversorgung erfolgt zumeist über elektrische Kabel, integrierte Energiequellen oder dezentrale Energiequellen.
Elektrische oder optische Steckverbinder sind zumeist in rauen Umgebungsbedingungen, wie Klärwerken, Fischzuchtanlagen, im Bergbau oder in explosionsgefährdeten Anlagen sehr störanfällig und ökonomisch aufwändig. Das Stecken solcher Steckverbindungen oder der Schutz offener Steckverbindungen unter derartig rauen Umgebungsbedingungen ist kompliziert und beispielsweise bei tiefen Temperaturen oder auf stark schwankenden seebasierten Fischzuchtanlagen störanfällig.
Bestimmte Aufnehmer, beispielsweise Elektroden, verbrauchen sich und sind in Intervallen auszutauschen. Solche Elektroden sind mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit zu verbinden. Es handelt sich um kleine Signalstärken, die aus diesem Grund schon sehr Störanfällig bei schlechter Übertragung sind. Elektrische Steckverbindungen sind störanfällig und/oder teuer und sie lassen sich unter schmutzigen und/oder feuchten Bedingungen kaum sicher handhaben. Die Druckschrift EP 1 206 012 B1 zeigt hier Alternativen. Nachteilig ist dabei, dass eine umfangreiche Kommunikation zwischen der passiven Einrichtung inklusive dem Aufnehmer, hier als pH-Elektrode ausgeführt, und der aktiven messtechnischen Funktionseinheit nicht vorgesehen ist, da auf der passiven Einrichtung keine ausreichende, bidirektionale Datenverarbeitung vorgesehen ist. Eine gleichzeitige Nutzung von mehr als einer passiven Einrichtung und/oder die Kombination von mehr als einem Aufnehmer an der passiven und/oder der aktiven messtechnischen Funktionseinheit sind nicht vorgesehen. Durch die Druckschrift DE 10 201 1 005 807 A9 ist eine Küvette und eine optische Messvorrichtung bekannt. Die Küvette weist einen Informationsgeber zum drahtlosen Bereitstellen von die Küvette betreffenden zu übertragenden Daten an ein externes Datenempfangsmodul auf, wobei der Informationsgeber bei der Küvettenwand fixiert ist. Die Küvette kann dabei auch ein Bestandteil einer optischen Messeinrichtung sein. Die Daten der Küvette werden drahtlos zu einem Empfänger übertragen.
Durch die Druckschrift DE 10 201 1 005 807 A9 ist eine Küvette und eine optische Messeinrichtung, welche die Küvette aufweist, bekannt. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Probenzelle für eine Vorrichtung zur Messung einer temperaturabhängigen optischen Kenngröße einer fluiden Probe in einem Polarimeter. Die Küvette besitzt einen Informationsgeber zum drahtlosen Bereitstellen von die Küvette betreffenden Daten, wobei der Informationsgeber als aktiver oder passiver Informationsgeber ausgebildet ist. Dabei können bestimmte optisch gewonnene Messdaten, Temperaturdaten und die Küvette bestimmende Daten, beispielsweise in Form von Kalibrierdaten oder Geometriedaten, übertragen werden. Die Küvette und die optische Messeinrichtung sind auf die Erfassung von Daten und deren Übertragung an ein Datenempfangsmodul begrenzt.
Die Druckschrift US 2014/0 218 718 A1 beinhaltet ein Analysesystem für Substanzen, die dafür mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt werden. Die empfangene elektromagnetische Strahlung gelangt auf Detektoren, die mit einem Datennetz zum Übertragne der Messdaten kommunizieren können. Dabei handelt es sich um photmetrische/spektrometrische Messmethode. Eine kabellose Daten- und Energieübertragung ist nicht vorgesehen.
Durch die Druckschrift US 2014/0 21 1 204 A1 ist ein Sensormodul bekannt, welches eine aktive Energieversorgung, sensorische Komponenten und eine aus der Kommunikationstechnik bekannte Funkverbindung aufweist. Weiterhin beinhaltet die Druckschrift US 2010/0 1 10 439 A1 ein optisches Messgerät, welches eine aktive Energieversorgung, die sensorischen Komponenten und neben einer kabelgebundenen Kommunikation auch eine klassische Funkverbindung aufweisen kann. Passive Komponenten sind nicht Gegenstand dieser Lösungen. Die Energiebereitstellung und die Kommunikation erfolgen über getrennte Wege.
Die Druckschrift DE 10 2012 014 503 A1 offenbart ein Gasmesssystem zur Messung der Konzentration von gas- und/oder dampfförmigen Komponenten eines Gasgemisches mittels einer Farbveränderung wenigstens eines Reaktionsstoffes. Die Farbveränderung wird erfasst und kann mittels eines Lesegeräts für einen elektronischen Datenspeicher mit den Messdaten ausgelesen werden. Der Datenspeicher kann dazu ein Bestandteil eines bekannten FID-Chips sein, der mittels magnetischer Wechselfelder oder Funkwellen auslesbar ist.
Durch die Druckschrift WO 2010/085 736 A1 ist ein Chlorophyll- und Trübheitssensorsystem bekannt. Das System ist zur Kommunikation der Messdaten mit einem Datenempfänger drahtlos verbunden. Letzteres ist weiterhin mit einer Anzeigeeinheit und/oder Steuereinheit gekoppelt.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung einfach zu kontrollieren oder in ihrer Funktion zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst
Die Messeinrichtungen zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften, chemischer Eigenschaften, biologischer Eigenschaften und/oder von Stoffen der Umgebung wenigstens eines Aufnehmers oder des wenigstens einen Aufnehmers selbst als Bestandteil der jeweiligen Messeinrichtung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese einfach kontrollierbar und in ihrer Funktion beeinflussbar sind.
Die Messeinrichtung weist dazu eine aktive messtechnische Funktionseinheit, mindestens eine passive und damit keine Energiequelle besitzende Einrichtung und mindestens einem Aufnehmer auf, wobei der mindestens eine Aufnehmer Teil der messtechnischen Funktionseinheit und/oder Teil der passiven Einrichtung sein kann.
Die aktive messtechnische Funktionseinheit weist weiteihin wenigstens ein Datenverarbeitungssystem und eine Sende-und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen auf und ist mit einer elektrischen Energiequelle zusammengeschaltet.
Weiterhin ist die Sende- und Empfangseinheit der messtechnischen Funktionseinheit mit wenigstens einer Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen wenigstens einer passiven Einrichtung
- mit wenigstens einem Bedienelement in Verbindung mit wenigstens einer
Schalteinrichtung als Bestandteil eines elektrischen Stromkreises,
- zur Steuerung der Messeinrichtung,
- zur Signalisierung, - zur Anzeige eines Betriebszustandes,
- zur Übergabe von Mess-und/oder Referenzwerten,
- zum Kalibrieren bestimmter Aufnehmer,
- als ein Datenmedium und/oder
- als ein Datenspeicher drahtlos verbunden.
Die elektromagnetischen Strahlen, auch als elektromagnetische Wellen bekannt, sind energieübertragende und entweder signalübertragende und/oder datenübertragende elektromagnetische Strahlen, so dass die mindestens eine passive Einrichtung in Verbindung mit der messtechnischen Funktionseinheit und mindestens einem Aufnehmer die Messeinrichtung darstellen.
Die aktive messtechnische Funktionseinheit zusammen mit dem mindestens einen Aufnehmer ergibt einen aktiven Sensor, welcher durch die passive Einrichtung gezielt und spezifisch beeinflusst und/oder zu (Benutzer)Rückmeldungen bewegt werden kann.
Die messtechnische Funktionseinheit stellt den aktiven Teil der Messeinrichtung und kann mobil ausgeführt sein.
Die passive Einheit zusammen mit dem mindestens einen Aufnehmer ergibt einen passiven Sensor, welcher die aktive messtechnische Funktionseinheit gezielt und spezifische beeinflusst und/oder durch die aktive messtechnische Funktionseinheit beeinflusst wird.
Die passive Einrichtung ist ein in sich abgeschlossenes System, das in einem vollständig abgeschlossenen Gehäuse integrierbar ist. Vorzugsweise ist dieses Gehäuse IP67 /IP 68 konform, chemische und/oder biochemisch beständig, nicht toxisch und nicht karzinogen. Damit kann diese auch unter rauen Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel feuchten Umgebungen, verwendet werden. Weiterhin ist diese je nach Anwendungsfall ausführbar, so dass diese flexibel einsetzbar ist. Das kann zur Identifikation, als Mess- und/oder Steuereinheit oder als Statusindikation sein. Die passive Einrichtung kann weiterhin allein oder in Kombination mit wenigstens einer weiteren passiven Einrichtung zeitgleich und/oder parallel eingesetzt werden. Elektrische Zuleitungen und Kontakte sind zur Funktion nicht notwendig. Eine Konfiguration oder Programmierung der passiven Einrichtung kann über eine externe dazu vorgesehene Einrichtung bzw. durch die messtechnische Funktionseinheit selber über die Sende- und Empfangseinheit der passiven Einrichtung einfach erfolgen.
Die von der passiven Einrichtung gesendeten Impulse, Signale, Daten und/oder Programme als Software beeinflussen das Datenverarbeitungssystem der messtechnischen Funktionseinheit entsprechend. Dazu werden diese insbesondere identifiziert und können gespeichert, weitergeleitet, weiterverarbeitet und/oder entsprechend ausgeführt werden.
Die passive Einrichtung kann einen elektrischen Energiespeicher als Zwischenspeicher enthalten, so dass schwankende Energieversorgung über die kabellose Energieübertragung und/oder ein schwankender Energieverbrauch kompensiert werden. Als Zwischenspeicher können Kondensatoren eingesetzt werden. Weiterhin kann die passive Einheit schwankenden oder unzureichenden Energieverbrauch durch zusätzliche, kabellose Energieübertragungen wie beispielsweise durch photometrische, thermische oder akustische Energiewandler ausgleichen.
Die mindestens eine Sende- und Empfangseinheit in der messtechnischen Funktionseinheit und in der passiven Einrichtung weisen jeweils mindestens eine Antennen oder Spule auf, um die elektromagnetische Kopplung (Energieübertragung, Signal und/oder Datenübertragung) zwischen der mindestens einen aktiven messtechnischen Funktionseinheit und der mindestens einen passiven Einrichtung zu gewährleisten. Um eine parallele Funktion zu ermöglichen, können an unterschiedlichen Positionen auch mehr als eine Antenne oder Spule zum Einsatz kommen. Vorzugsweise werden diese dann in Reihe geschaltet. Die findet zum Beispiel Anwendung, wenn eine passive Einrichtung mit einer sensitiven Schicht/Membran ( zum Beispiel einer Fluoreszenzschicht) beispielsweise in einer wechselbaren Messkappe integriert ist, welche auf das Gehäuse einer aktiven messtechnischen Einrichtung zum Zweck der Kopplung / Nutzung fixiert wird und parallel und/oder zeitgleich beispielsweise eine Kalibrierküvette, als passive Einrichtung, benutzt werden soll, deren geometrische oder funktionale Bauform die Verwendung der ersten Antenne oder Spule nicht ermöglicht.
Weiterhin erfolgt die elektromagnetische Kopplung vorzugsweise im Nahfeld, um ein Übersprechen der Kopplung bei parallelen und/oder zeitgleichen Verwendung von mehr als einer Koppelstelle zu vermeiden. Vorzugsweise findet eine Nahfeldkommunikation bei einer Frequenz von 13,56 MHz und einer maximalen Datenübertragungsrate von 424 kBit/s Anwendung. Die Kommunikation erfolgt vorzugsweise kryptografisch gesichert. Bei der Kopplung einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit und einer passiven Einrichtung erzeugen beide ein hochfrequentes Magnetfeld (elektromagnetisches Feld) zwischen den lose gekoppelten Antennen bzw. Spulen sowohl in der aktiven messtechnischen Funktionseinheit, als auch in der passiven Einrichtung. Sobald das Feld aufgebaut ist, wird eine Verbindung, vorzugsweise durch die aktive messtechnische Funktionseinheit, gebildet und es können die Informationen ausgetauscht werden.
Die passive eine Sende- und/oder Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen aufweisende Messeinheit kann eine separate Messeinheit oder entsprechend der passiven Einrichtung ausgeführt sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 angegeben.
Die elektrische Energiequelle für die messtechnischen Funktionseinheit in Verbindung mit dem Datenverarbeitungssystem und der Sende- und Empfangseinheit ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein elektrisches Netz, ein Akkumulator, ein Energiewandler oder eine Kombination davon ist. Ein Energiewandler ist insbesondere eine bekannte Windkraft-, Wellenkraft-, Wasserkraft-, Wärmekraft-, Schallenergie-, Gezeitenkraft- oder Solarstromanlage. Diese wandeln die jeweilige Energie in elektrische Energie.
Der Aufnehmer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein elektrochemischer Sensor, ein biochemischer Sensor, ein optischer Sensor, ein Halbleitersensor, ein Feststoffsensor, ein Mikrosystem, eine Elektrode, eine Optrode, ein physikalisches Sensorelement oder eine Kombination davon.
Die passive Einrichtung weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Datenverarbeitungssystem auf, das funktionsabhängig mit dem Bedienelement, der Schalteinrichtung, der Signalisierung, der Anzeige, dem Datenmedium, dem Datenspeicher, einem Messwertaufnehmer, einem Messwandler verbunden ist.
Das Datenverarbeitungssystem ist damit Bestandteil einer Kontroll- und/oder Steuereinrichtung. Dazu kann das Datenverarbeitungssystem konfiguriert werden eine dementsprechende Software enthalten, so dass wenigstens eine bestimmte Funktion ausgelöst werden kann. Das kann beispielsweise ein Kalibrieren des Aufnehmers sein, wobei entsprechende Referenzbedingungen bereitgestellt werden und der Messwert des Aufnehmers mittels bestimmter und/oder definierter Prozesse/Abläufe mit dem Referenzwert in Übereinstimmung gebracht wird, was die aktuelle Eigenschaft des Aufnehmers verändert wird.
Die passive Einrichtung zum Kalibrieren des Aufnehmers ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 eine Kalibrierküvette, welche sowohl die Referenzbedingungen bereitstellt, die Kalibrier- oder Justagefunktion auslöst und vorteilhafter Weise kontinuierlich oder nach Abschluss der Funktion Statusmeldungen bereitstellt.
Die Kalibrierküvette weist vorteilshafterweise nach derWeiterbildung des Patentanspruchs 6 als passiver Sensor jeweils wenigstens einen Druck-, einen Temperatur-, einen pH-Wert-, einen Leitfähigkeits- und/oder einen Feuchtigkeitssensor auf. Neben den Referenzbedingungen, beispielsweise der Sauerstoffkonzentration bei einem Sauerstoffsensor, können auch beispielswiese mittels dem Druck-, dem Temperatur-, dem pH-Wert-, dem Leitfähigkeitsund/oder dem Feuchtigkeitssensor ermittelte Umgebungsbedingungen erfasst und an eine aktive messtechnische Funktionseinheit übertragen werden.
Die passive Einrichtung mit der Schalteinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine über das Datenverarbeitungssystem der aktiven messtechnischen Funktionseinheit in Verbindung mit dem Aufnehmer startende oder beendende Schalteinrichtung. Die passive Einrichtung kann Schaltfunktionen aufweisen, die bei der aktiven messtechnischen Funktionseinheit ausgelöst werden können. Die Aktivierung kann automatisch nach funktechnischer Verbindung (Kopplung) der passiven Einheit mit der messtechnischen Funktionseinheit oder an der passiven Einheit durch Benutzerinteraktion erfolgen.
Die passive Einrichtung als Datenspeicher ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine Daten als Zeiten, Identifikationsdaten, Code, Ist-Wert, Referenzwerte, Software, mathematische Funktion, Linearisierungsparameter, Kalibrierungsparameter und/oder Algorithmus zur Beeinflussung des Datenverarbeitungssystems der aktiven messtechnischen Funktionseinheit beinhaltende passive Einrichtung.
Die Kalibrierküvette als passive Einrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit und mindestens einen Aufnehmer (aktiver Sensor) so verbunden, dass wenigstens zwei Referenzwerte vorzugsweise nachfolgend oder nach Nutzerinteraktion an den Aufnehmer übergeben werden. Damit ist mindestens eine Zweipunktjustage und/oder die Ermittlung von Referenzbedingen durch den Aufnehmer gegeben. Die Datenverarbeitungssysteme der messtechnischen Funktionseinheit und der passiven Einrichtung sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 über die jeweiligen Sende- und Empfangseinheiten zur Signal- und/oder Datenübertragung zur Beeinflussung der Arbeitsweise des jeweiligen Datenverarbeitungssystems miteinander verbinden. Damit können Programme und Daten ausgetauscht und entsprechend ausgeführt werden. Das sind insbesondere die mittels des Aufnehmers gewonnenen Messdaten, Befehle bzw. Konfigurationen.
Die passive Einrichtung zur Signalisierung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 1 1 eine wenigstens ein optisches und/oder mindestens ein akustisches Signal aussendende passive Einrichtung. Damit kann insbesondere der Betriebszustand, die Funktionsbereitschaft oder Erfolgsmeldungen der Messeinrichtung oder Teile dieser angezeigt werden. Das kann auch unter Nutzung von Schwellwerten erfolgen, so dass bestimmte durch die Schwellwerte bestimmte Betriebszustände signalisierbar sind.
Das Bedienelement der passiven Einrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 wenigstens ein Taster und/oder mindestens ein Schalter in Verbindung mit einem Datenverarbeitungssystem dieser passiven Einrichtung. Damit können bestimmte Funktionen in Verbindung mit dem aktiven Sensor ausgelöst werden.
Die passive Einrichtung weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 wenigstens ein Sensorelement auf, wobei die passive Einrichtung ein das wenigstens eine Sensorelement aufweisende passive Einrichtung ist oder wobei das Sensorelement mit dem Datenverarbeitungssystem der passiven Einrichtung verbunden ist. Das Sensorelement kann ein Temperatursensor, Drucksensor, Feuchtesensor, pH-Wert-Sensor, Leitfähigkeitssensor, Gassensor, ein elektrochemischer Sensor, ein biochemischer Sensor oder optischer Sensor oder Elektrode, Optrode oder physikalische Sensorelement sein.
Spezifische Betriebsregime ermitteln im Datenverarbeitungssystem in Abhängigkeit der/des Sensorelement(es) die Messwerte und übermitteln diese dann aktiv oder nach Aufforderung an eine aktive messtechnische Funktionseinheit.
Diese Daten können mit entsprechenden Algorithmen beispielsweise in einem FPGA oder einer Software/Firmware des Datenverarbeitungssystems der messtechnischen Funktionseinheit dann aufgezeichnet, gespeichert, weiterverarbeitet und/oder übertragen werden. Die passive Einrichtung als passiver Sensor besitzt mindestens einen eigenen Sensoren/Messwertaufnehmer und dessen Messwerte werden über die jeweiligen Sende- und Empfangseinheiten von der aktiven messtechnischen Funktionseinheit oder der Messeinrichtung übernommen. Damit lässt sich temporär oder auch kontinuierlich der Funktionsumfang der Messeinrichtung verändern. Dies kann beispielsweise zum Zwecke der Kompensation erfolgen. So kann beispielsweise ein Sensor zur Messung von Gasen h der Atmosphäre oder von gelösten Gasen in Flüssigkeiten für die Anwendung in unterschiedlichen Höhenlagen oder Tiefen mit einem Drucksensor erweitert werden. Das kann zum Zweck der eferenzierung erfolgen. So kann während der Kalibrierung von beispielsweise Sauerstoffsensoren, oder von Kohlendioxid Sensoren ein barometrischer Drucksensor den notwendigen Umgebungsdruck messen und dem aktiven Sensor (messtechnischen Funktionseinheit zuzüglich mindestens eines Aufnehmers) zur Verfügung stellen oder ein Gassensor die vorliegende Gaskonzentration messen und der aktiven messtechnischen Funktionseinheit zur Verfügung stellen. Beispielsweise kann so auch eine pH-Elektrode als Teil der passiven Einrichtung den pH-Wert ermitteln und der aktiven messtechnischen Funktionseinheit ohne elektrische Kontaktelemente, galvanisch getrennt übermitteln. Dies kann beispielsweise auch zum Zweck der Ermittlung komplexer Summenparameter erfolgen. So kann ein Sensor zur Messung von gelöstem Sauerstoff für die Anwendung im Salzwasser um die Funktion Leitfähigkeitssensors zur Bestimmung der Salinität erweitert werden. Nutzt man diesen Sensor wieder im Trinkwasser, kann die passive Einrichtung entfernt werden.
Die Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen und die aktive messtechnischen Funktionseinheit sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 14 miteinander lösbar verbunden. Weiterhin ist die Sende- und Empfangseinheit in Verbindung mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit mit diesem und der elektrischen Energiequelle zusammengeschaltet. Die Sende- und Empfangseinheit kann dazu vorteilhafterweise als Kappe ausgebildet sein, die mittels Schraubverbindung schraubbar oder Klemmverbindung aufschiebbar ist.
Die mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit verbindbare Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 15 mit einem Datenmedium, einem Datenspeicher und/oder einem weiteren Datenverarbeitungssystem verbunden. Damit können Daten des Datenveiarbeitungssystems des aktiven Sensor zyklisch oder nach speziellen Durchführungen, wie beispielsweise einer Justage, als Nutzungsinformationen übertragen werden. Der Anwender kann die Kappe mit einem anderen aktiven Sensor verbinden, so dass Nutzungsdaten automatisch zu dem Datenverarbeitungssystem des anderen aktiven Sensors übertragen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Messeinrichtung mit einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit und einer passiven Einrichtung als Küvette,
Fig. 2 eine Messeinrichtung mit einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit in einer passiven Einrichtung als Küvette,
Fig. 3 eine Messeinrichtung mit einem aktiven messtechnischen Funktionseinheit und einer passiven Einrichtung zur Steuerung der Messeinrichtung,
Fig. 4 eine passive Einrichtung als Informationsmittel und
Fig. 5 eine passive Einrichtung mit einem Aufnehmer, welche an einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit montiert ist.
Die Messeinrichtungen zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften, chemischer Eigenschaften, biologischer Eigenschaften und/oder von Stoffen der Umgebung wenigstens eines Aufnehmers oder des wenigstens einen Aufnehmers selbst als Bestandteil der jeweiligen Messeinrichtung besteht im Wesentlichen aus dem Aufnehmer, der mindestens einen aktiven messtechnischen Funktionseinheit mit ihrem Datenverarbeitungssystem, ihrer Verbindung mit mindestens einer Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen, ihrer elektrischen Energiequelle und mindestens eine Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen aufweisenden passiven Einrichtung
- mit wenigstens einem Bedienelement in Verbindung mit wenigstens einer Schalteinrichtung als Bestandteil eines elektrischen Stromkreises,
- mit wenigstens einer Schalteinrichtung als Bestandteil eines elektrischen Stromkreises,
- zur Steuerung der Messeinrichtung,
- zur Signalisierung,
- zur Anzeige eines Betriebszustandes,
- zur Übergabe von Mess- und/oder Referenzwerten,
- zum Kalibrieren des Aufnehmers, - als ein Datenmedium und/oder
- als ein Datenspeicher.
Die elektromagnetischen Strahlen sind dabei energieübertragende und entweder signalübertragende und/oder datenübertragende elektromagnetische Strahlen vorzugsweise im Nahfeld (NFC), so dass die passive Einrichtung in Verbindung mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit und dem Aufnehmer eine Messeinrichtung bilden.
In einer ersten Ausführungsform kann die passive Einrichtung eine Kalibrierküvette sein.
Dazu zeigen die
Fig. 1 eine Messeinrichtung mit einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 , einem Aufnehmer 5 und einer passiven Einrichtung 2 als Küvette 3 inklusive der Leuchtrrittel 4 zur Signalisierung, wobei die passive Einrichtung sich hier außerhalb der benutzten elektromagnetischen Strahlen (Feldes) befindet und in
Fig. 2 diese passiven Einrichtung 2 als Küvette 3 sich innerhalb der benutzten elektromagnetischen Strahlen zwischen der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 und der passiven Einrichtung 2 befindet, sodass die passive Einrichtung aktiv ist.
Jeweils in prinzipiellen Darstellungen.
Wenn eine aktiver messtechnischen Funktionseinheit 1 mit Aufnehmer 5 im Feld, das heißt im Einsatzgebiet, kalibriert oder justiert werden soll, dann muss ein Referenzmedium am sensitiven Teil und damit dem Aufnehmer 5 bereitgestellt werden. Das kann beispielsweise beim Aufnehmer 5 für gelösten Sauerstoff durch eine Küvette 3 erfolgen, die mit entsprechender Kalibrierlösung oder auch im Fall von fluoreszenzoptischen Sensoren für p02 / gelöstem Sauerstoff mit einem Kalibriergas befüllt ist. Das Kalibriermedium als Lösung oder Gas kann auch durch einen damit getränktem Schwamm bereitgestellt werden oder im Zuge eines Durchflusses (Gasküvette).
Die Handhabung einer solchen Küvette 3 muss entsprechend bestimmter Vorschriften erfolgen und erfordert zumeist eine direkte Montage an oder um den Aufnehmer 5und eine Auslösung der Kalibrier-/Justagefunktion an der Messeinrichtung, zumeist am Kabelende der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 , also fern des Aufnehmers 5, welcher den Referenzbedingen ausgesetzt wird. Im Anwendungsbeispiel kann der Aufnehmer, hier montiert an der messtechnischen Funktionseinheit 1 auch in die Küvette 3 gesteckt werden, um die Referenzbedingungen zu erreichen. Die Auslösung der Kalibrierfunktion erfolgt vorteilhaft mittels der passiven Einrichtung 2 der Küvette 3. Diese kann ein Bestandteil der Küvette 3 sein oder ist eine separat an der Küvette 3 angeordnete Einrichtung. Die passive Einrichtung 2 enthält ein Datenverarbeitungssystem in Verbindung mit der Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen. Die Sende- und Empfangseinheit besteht dazu aus einem bekannten Sender und Empfänger oder einer Kombination eines Senders und Empfängers jeweils in Verbindung mit einer Antenne / Spule. Das Datenverarbeitungssystem der passiven Einrichtung ist mit wenigstens einem Leuchtmittel 4 verbunden. Letzteres kann eine oder mehrere bekannte Lumineszenzdioden insbesondere verschiedener Farben sein. Darüber hinaus kann die passive Einrichtung 2 mit wenigstens einem weiteren Sensorelement versehen sein, welches mit dem Datenverarbeitungssystem der passiven Einrichtung verbunden ist. Das Sensorelement kann ein Temperatur- oder Drucksensor sein.
Der Aufnehmer 5 montiert an der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 ist zur Kalibrierung mit der Küvette 3 mit dem Medium kontaktiert. Die passive Einrichtung 2 kann dazu als Kappe oder Rohrstück ausgebildet sein. Nach Zusammenfügung wird die Küvette von der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 erkannt und die Verbindung der Sender- und Empfängereinheiten der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 und der passiven Einrichtung 2 ist hergestellt. Die durch die elektromagnetischen Strahlen hergestellte Betriebsbereitschaft der passiven Einrichtung 2 wird mittels des Leuchtmittels 4 angezeigt. Die Betriebsbereitschaft führt im einfachsten Fall gleichzeitig dazu, dass die Funktion der Kalibrierung des Aufnehmers 5 über die aktive messtechnischen Funktionseinheit 1 durch dessen Datenverarbeitungssystem gestartet wird. Nach Beendigung wird ein dementsprechendes Signal von der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 zur passiven Einrichtung 2 gesendet, was wiederum zu einer Ansteuerung eines weiteren oder des Leuchtmittels 4 führt. Die Küvette 3 kann wieder entfernt werden oder mit dem nächsten Referenzmedium befüllt werden, um den Vorgang zu wiederholen.
Die Kontrolle dieses Vorgangs kann damit leicht vor Ort erfolgen. Die passive Einrichtung ist durch ihre passive Ausführung ständig betriebsbereit.
Neben dem Betriebsregime können natürlich auch Daten übertragen werden, so dass Messdaten, Berechtigungen oder bestimmte Messbedingungen austauschbar sind. Die Fig. 3 zeigt eine Messeinrichtung mit einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 , einem Aufnehmer 5 1 und einer passiven Einrichtung 2 zur Steuerung der Messeinrichtung in einer prinzipiellen Darstellung.
Aktive messtechnische Funktionseinheiten 1 die keine digitale drahtgebundene Kommunikation aufweisen, sondern mit analogen Schnittstellen, beispielsweise der 4 bis 20 mA Stromschleife oder mit 0 bis 5 V Gleichspannung arbeiten, haben keine direkte Möglichkeit, eine Messbedingung beispielsweise als Messintervall, Verstärkungseinstellung oder Messwertfilterstärke zu verändern, die Messung zu starten oder zu stoppen, oder Statusinformationen über diese analogen Schnittstellen auszugeben. Durch die passive Einrichtung 2 lassen sich solche Funktionen aktivieren, konfigurieren und/oder auslesen. Dabei kann die aktive messtechnische Funktionseinheiten 1 mittels der passiven Einrichtung 2 beispielsweise den Aufnehmer 5 mit einem neuen Messintervall betreiben. Das erfolgt dann, wenn die passive Einrichtung 2 in die Koppelreichweite der Sende- und Empfangseinheit einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 gelangt. Dazu kann die passive Einrichtung 2 auch mit Tasten 6 und/oder mit einem Bildschirm (z.B. Ink-Display), auch als sogenannter Berührungsbildschirm (Touch screen), versehen sein. Tasten und Bildschirm sind mit dem Datenverarbeitungssystem der passiven Einrichtung verbunden, so dass eine bestimmte Betriebsweise des Datenverarbeitungssystems ausgelöst oder abgebrochen werden kann. Diese Betriebsweise wird an das Datenverarbeitungssystem der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 übertragen, so dass die Betriebsweise der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 und Aufnehmer 5 dementsprechend geändert werden kann. Mittel dem Bildschirm oder Leuchtmittel kann die jeweilige Betriebsweise kontrolliert und/oder beeinflusst werden. Alternativ zu interaktiven Tasten kann die passive Funktionseinheit auch automatisch bestimmte Konfigurationen übertragen, sodass es ausreicht, die beiden Sende- und Empfangseinheiten und Funkreichweite zu bringen.
Die Fig. 4 zeigt eine passive Einrichtung 2 als Informationsmittel in einer prinzipiellen Darstellung.
In einer dritten Ausführungsform ist die passive Einrichtung 2 ein Informationsmittel über den Status der Messeinrichtung bzw eine Kombination von Konfiguration und/oder Kommandoübergabe und zugehöriger Statusinformation. Messeinrichtungen, bzw. Sensoren als Untergruppe von Messeinrichtungen bestehend aus der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 und mindestens einem Aufnehmer 5, besitzen häufig keine integrierten Indikatoren. Gründe können ökonomischer Art, Dichtungsanforderungen der Sensoren, Materialprobleme, Maßnahmen zum Explosionsschutz oder Umgebungsbedinguigen (beispielsweise Sensoren für Wasseranwendungen in Klärwerken, die ins Wasser eingetaucht werden) sein. Wesentlich ist auch, dass diverse Anwendungen keine permanente Zugänglichkeit zu den Sensoren ermöglichen, so dass solche Indikatoren nutzlos sind.
Dennoch besteht temporär häufig der Bedarf, den Status direkt am Sensor angezeigt zu bekommen.
Hierfür lässt sich vorteilhaft die passive Einrichtung 2 einsetzen. Diese beinhaltet einen Indikator in Form von wenigstens einem Leuchtmittel 4 oder einem Display. Die passive Einrichtung 2 kann dazu als Schlüssel, in Kartenform, als Armband, als Schlüsselanhänger oder als Schild ausgebildet sein. Das Leuchtmittel kann dazu insbesondere eine mehrfarbige Lumineszenzdiode sein. Kommt die passive Einheit in die Reichweite der Sender- und Empfängereinheit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 und kann die zum Betrieb der passiven Einrichtung 2 notwendige Energie übertragen und die Kommunikation gestartet werden. Dabei können Kommandos oder Konfigurationsdaten ausgetauscht werden und/oder es wird die Statusinformation des Datenverarbeitungssystems des Sensors 1 zur passiven Einrichtung 2 übertragen. Dabei wird über das Datenverarbeitungssystem der passiven Einrichtung 2 die Lumineszenzdiode so angeschaltet, dass eine dem Status zugeordnete Farbe oder Blinkfrequenz abgestrahlt wird.
Eine solche Ausführungsform der passiven Einrichtung 2 lässt sich vorteilhafter Weise durch eine magnetische Kraft (beispielsweise gesinterte NdFeB Magneten) für die kontinuieriche Nutzung oder für die Dauer der gewünschten Kopplung an der Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen der messtechnischen Funktionsreinrichtung fixieren.
Fig. 5 zeigt eine passive Einrichtung 2 mit einem Aufnehmer 5, welche an einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 montiert ist, in einer prinzipiellen Darstellung.
In dieser Ausführungsform ist hier die passive Einrichtung 2 beispielswiese mit einer pH- Elektrode ausgeführt, welche als wechselbares Element ohne drahtgebundenen Kontakt und galvanisch getrennt mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 verbunden ist.
Die Übertragung der Energie für die passive Einrichtung inklusive dem Aufnehmer 5 erfolgt über die Sende-und Empfangseinheiten der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 und der passiven Einrichtung 2. Über diesem Weg erfolgt auch die Kommunikation, also der Datenaustausch.
Die Elektrode, also der Aufnehmer 5, mit der zugehörigen passiven Einrichtung 2 sind auf diesem Weg austauschbar, galvanisch getrennt und robust mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit 1 verbunden.
Weitere Aufnehmer, beispielsweise als Temperatursensor, in der passiven Einheit 2 lassen sich direkt durch das Datenverarbeitungssystem in der passiven Einrichtung 2 verarbeiten und ermöglichen so die reduzierte Übertragung von Daten (Messwerten) an die aktive messtechnische Funktionseinheit 1 .
Durch die parallele Nutzung mehrerer passiver Funktionseinheiten, beispielsweise durch die Nutzung einer weiteren passiven Einrichtung in Form einer Küvette kann eine Kalibrierung gemäß den Darstellungen in den Fig. 1 und Fig. 2 und dem vorangestellten Anwendungsbeispiel auch in diesem Anwendungsbeispiel erfolgen.
Bezugszeichen
1 aktive messtechnischen Funktionseinheit / Sensor
2 passive Einrichtung
3 Küvette
4 Leuchtmittel
5 Aufnehmer
6 Taste(n)

Claims

Patentansprüche
1 . Messeinrichtung zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften, chemischer Eigenschaften, biologischer Eigenschaften und/oder von Stoffen der Umgebung wenigstens eines Aufnehmers (5) oder des wenigstens einen Aufnehmers (5) als Bestandteil der Messeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (5) ein Bestandteil einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) und/oder einer passiven Einrichtung (2) ist, dass die aktive messtechnische Funktionseinheit (1 ) wenigstens ein Datenverarbeitungssystem und eine Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen aufweist, die mit einer elektrischen Energiequelle zusammengeschaltet sind, und dass die Sende- und Empfangseinheit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) mit wenigstens einer Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen wenigstens einer passiven Einrichtung (2)
- mit wenigstens einem Bedienelement in Verbindung mit wenigstens einer
Schalteinrichtung als Bestandteil eines elektrischen Stromkreises,
- mit wenigstens einer Schalteinrichtung als Bestandteil eines elektrischen
Stromkreises,
- zur Steuerung der Messeinrichtung,
- zur Signalisierung,
- zur Anzeige eines Betriebszustandes,
- zur Übergabe von Mess- und/oder Referenzwerten,
- zum Kalibrieren des Aufnehmers,
- als ein Datenmedium und/oder
- als ein Datenspeicher drahtlos verbunden ist, wobei die elektromagnetischen Strahlen energieübertragende und entweder signalübertragende und/oder datenübertragende elektromagnetische Strahlen sind, so dass mindestens eine passive Einrichtung (2) in Verbindung mit mindestens einer aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) ein Bestandteil der Messeinrichtung sind.
2. Messeinrichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle ein elektrisches Netz, ein Akkumulator, ein Energiespeicher, ein Energiewandler oder eine Kombination davon ist.
Messeinrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (5) ein elektrochemischer Sensor, ein biochemischer Sensor, ein optischer Sensor, ein Halbleitersensor, ein Feststoffsensor, ein Mikrosystem, eine Elektrode, eine Optrode, ein physikalisches Sensorelement oder eine Kombination davon ist.
Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Einrichtung (2) ein Datenverarbeitungssystem aufweist, das mit dem Bedienelement, der Schalteinrichtung, der Signalisierung, der Anzeige, dem Datenmedium, dem Datenspeicher, einem Messwertaufnehmer und/oder einem Messwandler verbunden ist.
Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Einrichtung (2) zum Kalibrieren des Aufnehmers (5) eine Kalibrierküvette ist.
Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Einrichtung (2) zum Kalibrieren des Aufnehmers (5) jeweils wenigstens einen Druck-, einen Temperatur-, einen pH-Wert-, einen Leitfähigkeits- und/oder einen Feuchtigkeitssensor aufweist.
Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Einrichtung (2) mit der Schalteinrichtung über das Datenverarbeitungssystem der aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) eine Funktion startende oder beendende Schalteinrichtung ist.
Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Einrichtung (2) als Datenspeicher Daten als Zeiten, Identifikationsdaten, Code, Referenzwerte, Ist-Werte, Software, mathematische Funktion, Linearisierungsparameter, Kalibrierungsparameter und/oder Algorithmus zur Beeinflussung des Datenverarbeitungssystems der aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) beinhaltet.
Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierküvette als passive Einrichtung (2) mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit verbunden ist, wobei die Kalibrierküvette wenigstens zwei Messwerte und/oder Referenzwerte aufweist.
10. Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungssystem der aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) und ein Datenverarbeitungssystem als Bestandteil der passiven Einrichtung (2) über die jeweiligen Sende- und Empfangseinheiten zur Energie- und Signal- und/oder Datenübertragung zur Beeinflussung der Arbeitsweise des jeweiligen Datenverarbeitungssystems miteinander verbunden sind.
1 1 . Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Einrichtung (2) zur Signalisierung eine wenigstens ein optisches und/oder mindestens ein akustisches Signal aussendende passive Einrichtung (2) ist.
12. Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienelement der passiven Einrichtung (2) wenigstens ein Taster und/oder mindestens ein Schalter in Verbindung mit einem Datenverarbeitungssystem dieser passiven Einrichtung (2) ist.
13. Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Einrichtung (2) wenigstens ein Sensorelement aufweist, wobei die passive Einrichtung (2) ein das wenigstens eine Sensorelement aufweisende passive Einrichtung (2) ist oder wobei das Sensorelement mit dem Datenverarbeitungssystem der passiven Einrichtung (2) verbunden ist.
14. Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen und die aktive messtechnischen Funktionseinheit (1 ) miteinander lösbar verbunden sind und dass die Sende- und Empfangseinheit in Verbindung mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) mit diesem und der elektrischen Energiequelle zusammengeschaltet ist.
15. Messeinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der aktiven messtechnischen Funktionseinheit (1 ) verbindbare Sende- und Empfangseinheit für elektromagnetische Strahlen mit ehern Datenmedium, einem Datenspeicher und/oder einem weiteren Datenverarbeitungssystem verbunden ist.
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