WO2010049408A1 - Modulares messgerät mit verteilten daten und algorithmen - Google Patents
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- WO2010049408A1 WO2010049408A1 PCT/EP2009/064124 EP2009064124W WO2010049408A1 WO 2010049408 A1 WO2010049408 A1 WO 2010049408A1 EP 2009064124 W EP2009064124 W EP 2009064124W WO 2010049408 A1 WO2010049408 A1 WO 2010049408A1
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- 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
- G01N27/283—Means for supporting or introducing electrochemical probes
- G01N27/286—Power or signal connectors associated therewith
Definitions
- Modular measuring devices in the sense of the present invention are measuring devices with a sensor module and at least one higher-level module, for example a transmitter module, wherein the sensor module is coupled to the higher-level module via an interface.
- An example of a modular measuring device is, for example, a pH measuring device in which the sensor module comprises a pH electrode, in particular in the form of a single-rod measuring chain, wherein the sensor module is connected to a transmitter module, which has a signal. the sensor module prepared and transmits a signal corresponding to the measured value to a higher-level unit, such as a control system.
- the Applicant manufactures and sells modular pH meters, in which the sensor module is connected via an interface in the form of an inductively coupling Steckverbinderkuppiung with the parent module, wherein the transmitter module is assigned a Primärsettiges connector element and the sensor module, a secondary-side connector element.
- the basic principle of this interface is described in European Patent 1 206 012 B1. Accordingly, the power supply of the sensor module and the data exchange between the sensor module and the transmitter module via the inductive Steckverbinderkuppiung done.
- An inductively coupling connector coupling realizes the supply of a consumer or sensor module by means of an energy signal, for example, an AC signal. The transfer of data, so
- Measurement data or configuration and parameterization data for example, by modulation of the energy signal, wherein the transmission of data from the power receiving (secondary) SteckverbindereJement can be done to the energy-emitting (primary side) connector element by load modulation of the energy signal.
- Demodulators provided for the separation of data and energy. Details of this are disclosed, for example, in the patent DE 197 19 730 C1.
- Inductive coupling sensor modules according to the prior art have the following circuit parts: power supply, including secondary coil, modulator, demodulator, microcontroller, external memory elements ⁇ eg EEPROM), analog amplifier, analog-to-digital converter
- All of the above-mentioned circuit parts are used to determine the measured value, to calculate and to transfer on request via the inductively coupling connector coupling to a higher-level module. Furthermore, balance values, calibration values, operating hours etc. are stored in the microcontroller or in the external memory element. A sensor module saves a relatively large amount of data during its lifetime. These data can then be retrieved from the higher-level module, be it a transmitter or an interface to a process control system, as required.
- a microcontroller is necessary to realize the measured value recording, the communication and the data storage. It requires a sufficient number of I / O pins, a powerful CPU and a large amount of program memory (Flash) and RAM.
- Flash program memory
- the external or internal memory elements of such a sensor module are dimensioned as the longest expected service life of the sensor module makes it necessary. If the sensor modules are used at measuring points with a high load of the sensor module, for example by aggressive media, then the life is considerably reduced and the sensor module has more memory available than it will ever use. Thus, then held storage capacity with the sensor module! disposed of.
- microcontroiler is disposed of with the sensor module.
- the object is achieved by the sensor module according to claim 1, the modular measuring device according to independent claim 6 and the method for determining a measured variable according to claim 11.
- the sensor module comprises: a sensor element with a transducer for outputting a measured variable-dependent analog primary signal;
- circuit assembly for processing the primary signal and for unidirectional data communication of a digital signal dependent on the primary signal to a higher-level unit connected to the sensor module,
- circuit assembly comprises the following components:
- a secondary side inductively coupling connector element having a secondary coil for connection to a primary side inductively coupling connector element of the parent unit for receiving an inductively transmitted power signal from the primary side inductively coupling connector element and transmitting a measurement signal to the primary side inductively coupling connector element;
- a power supply circuit that rectifies the received power signal and provides at least one DC voltage to power the circuit package and, if applicable, the sensor element;
- an analog signal conditioning circuit for conditioning the received primary signal to an analog secondary signal
- an analog-to-digital converter for converting the analog secondary signal into a digital measurement signal
- a modulator for modulating the received energy signal by means of Load modulation for transmitting the digital measurement signal to a higher-level unit
- a microcontroller for controlling the components of the circuit board.
- a demodulator and external storage elements i. Memory elements outside the microcontroller omitted.
- the sensor module is therefore unable to receive information from the transmitter, it can only send data.
- All important data relating to the sensor module are stored centrally or decentrally in a higher-level unit or in a network to which the sensor module is connected. To uniquely associate the associated data, the sensor module has a unique identification number IDN.
- the IDN, the digital measurement signal and possibly a checksum or status information are transmitted from the sensor module in the form of a communication message frame with each measurement data transmission.
- the status information is used, for example, for error detection or error signaling.
- the modular measuring device comprises a sensor module according to the invention and a higher-level unit to which the sensor module is connected, wherein the higher-level unit is provided to receive a digital measurement signal from the sensor module, and to calculate a measured value based on the measurement signal taking into account calibration data associated with the sensor module, the calibration data being provided exclusively outside the sensor module.
- the higher-level unit comprises a measuring transducer which communicates with a database via a bus system or a network in order to retrieve the calibration data assigned to the sensor module.
- the higher-level unit comprises a control system which communicates with a database via a bus system or a network in order to control the sensor mode! retrieve associated calibration data.
- the sensor module can transmit the digital measuring signal, for example, at a data rate as permitted by the measured value recording. A predetermined by the parent unit time regime is therefore not required.
- an encrypted transmission of the communication telegram is provided.
- the sensor module or the measuring device according to the invention has the following advantages, for example:
- Short-lived sensor modules z. As sensor modules with pH glass electrodes, can be made cheaper because fewer electronic components are used.
- the Mikronochriler used can be much smaller dimensions, because this only has to manage a very simple MedunikationsprotokoN.
- All sensor data is available outside the sensor module in the higher-level unit or in a network connected to the higher-level unit. This means that data from the sensor modules that are currently being used in a process unit are available at any time. Also, the sensor modules can be calibrated in the laboratory, whereby the sensor module! associated calabration data are provided after calibration in the network.
- the calculation algorithms can still be adapted or optimized during the sensor sieve time. This will immediately get the data of all At the time of updating, sensors (including older sensors) used optimized algorithms.
- parts of the analog circuit and / or the microcontroller in FPGAs or ASICs o.a. be summarized. This further reduces costs and space requirements.
- the method according to the invention for determining a measured variable may have the following sequence:
- the sensor module is connected to a venezmärseitek inductively coupling connector coupling and the microcontroller is initialized.
- the first measured data are sent by means of a simple communication telegram containing a digital measuring signal, the IDN and possibly a checksum and / or
- Fig.1 A schematic representation of a modular meter in a network.
- the network 5 in FIG. 1 may comprise, for example, a fieldbus or an Ethernet network.
- a sensor module 11 Connected to the network is a sensor module 11, which has a circuit assembly 21 and a sensor element 31.
- the sensor element 31 comprises a pH glass electrode in the form of a combination electrode.
- the circuit package 21 includes a secondary side inductively coupling connector element 211 having a secondary coil for receiving an AC power signal and a power supply unit for converting the AC power signal into at least one DC voltage for powering the components of the sensor module 11.
- the circuit assembly 21 further includes an analog circuit 212 for conditioning the pH-dependent potential of the combination electrode which is supplied as the primary signal to the analog circuit 212. Furthermore, the circuit module 21 has an analog / digital converter 213, which digitizes the conditioned analog secondary signal and feeds it to a microcontroller 214. The digitized measurement signal is transmitted together with an identification number IDN of the sensor module and a checksum and status information in the form of a communication telegram by a modulator 215 by means of load modulation of the AC energy signal to a primary-side inductively coupling connector element 41.
- the primary-side inductively coupling connector element 41 feeds the sensor module! 21 with the AC power signal and is connected to the network, wherein the secondary-side connector element 41 has a processing unit with a demodulator to convert the received communication telegram in the protocol of the network and output.
- the required calibration values for zero point and slope of the combination electrode 31 from the assigned calibration data record 61 of a sensor database 6 are retrieved from the process control system 7 via the network 5 on the basis of the IDN of the sensor module.
- the process control system uses the calibration data record and the digital measurement signal to determine the current value of the measured variable.
- the progress data of the continuously determined measured values can be stored in a suitable place in the network, for example in the sensor database 6.
- Connector elements 42, 43, 44 connected to the network.
- the sensor database contains the calibration data of all sensor modules operating in the network.
- calibration data can also be provided by sensors in the database, whose commissioning is imminent.
Abstract
Ein Sensormodul umfasst ein Sensorelement mit einem Wandler zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen elektrischen analogen Primärsignals; und eine Schaltungsbaugruppe zur Aufbereitung des Primärsignals und zur unidirektionalen Datenkommuniation eines von dem Primärsignal abhängigen Digitalsignals an eine übergeordnete Einheit; wobei die Schaltungsbaugruppe die folgenden Komponenten aufweist: einen Signaleingang zum Empfangen des messgrößenabhängigen Primärsignals; ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement zum Anschluss an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement der übergeordneten Einheit zum Empfangen eines Energiesignals und zum Übertragen eines Messignals; eine Energieversorgungsschaltung, welche das Energiesignal gleichrichtet und mindestens eine Gleichspannung zum Versorgen der Sensormodulkomponenten bereitstellt; eine analoge Signalaufbereitungsschaltung zum Aufbereiten des Primärsignals zu einem Sekundärsignal, einen Analog-Digital-Wandler, zum Wandeln des Sekundärsignals in ein digitales Messsigna!, einen Modulator zum Modulieren des empfangenen Energiesignals mittels Lastmoduiation zum Übertragen des Messsignals an eine übergeordnete Einheit, und einen Mikrokontroller, zum Steuern der Komponenten der Schaltungsbaugruppe.
Description
Modulares Messgerät mit verteilten Daten und Algorithmen
Modulare Messgeräte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Messgeräte mit einem Sensormodul und mindestens einem übergeordneten Modul, beispielsweise einem Messumformermodul, wobei das Sensormodul mit dem übergeordneten Modul über eine Schnittstelle gekoppelt ist. Ein Beispiel für ein modulares Messgerät ist beispielsweise ein pH-Messgerät, bei dem das Sensormodul eine pH-Elektrode, insbesondere in Form einer Einstabmesskette umfasst, wobei das Sensormodul an ein Messumformermodul angeschlossen ist, welches ein Signa! des Sensormoduls aufbereitet und ein dem Messwert entsprechendes Signal an eine übergeordnete Einheit, beispielsweise ein Leitsystem, überträgt. Die Anmelderin fertigt und vertreibt modulare pH-Messgeräte, bei denen das Sensormodui über eine Schnittstelle in Form einer induktiv koppelnden Steckverbinderkuppiung mit dem übergeordneten Modul verbunden ist, wobei dem Messumformermodul ein primärsettiges Steckverbinderelement und dem Sensormodul ein sekundärseitiges Steckverbinderelement zugeordnet ist. Das Grundprinzip dieser Schnittstelle ist im Europäischen Patent 1 206 012 B1 beschrieben. Demnach erfolgen die Energieversorgung des Sensormoduls und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Messumformermodul über die induktive Steckverbinderkuppiung. Eine induktiv koppelnde Steckverbinderkuppiung realisiert die Speisung eines Verbrauchers bzw. Sensormoduls mittels eines Energiesignals beispielsweise eines AC-Signals. Die Übertragung von Daten, also
Messdaten bzw. Konfigurier- und Parametrierdaten, kann beispielsweise durch Modulation des Energiesignals erfolgen, wobei die Übertragung von Daten vom Energie empfangenden (sekundärseitigen) SteckverbindereJement zum Energie abgebenden (primärseitigen) Steckverbinderelement durch Lastmodulation des Energiesignals erfolgen kann. Zur Trennung von Daten und Energie sind gewöhnlich entsprechende
Demodulatoren vorgesehen. Einzelheiten hierzu sind beispielsweise in dem Patent DE 197 19 730 C1 offenbart. Induktiv koppelnde Sensormodule nach dem Stand der Technik weisen die folgende Schaltungsteile auf: Spannungsversorgung, inklusive Sekundärspule, Modulator, Demodulator, Mikrokontroller, Externe Speicherelemente {z.B. EEPROM), Analoge Verstärker, Analog-Digital-Wandler
All diese oben genannten Schaltungsteile werden dafür verwendet, den Messwert zu ermitteln, zu verrechnen und auf Anfrage über die induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung an ein übergeordnetes Modul zu übertragen. Weiterhin werden Abgieichwerte, Kalibrierwerte, Betriebsstunden usw. im Mikrokontrolier oder im externen Speicherelement gespeichert. Ein Sensormodul speichert so im Laufe seines Lebens eine relativ große Datenmenge ab. Diese Daten können dann je nach Bedarf vom übergeordneten Modul, sei es ein Messumformer oder eine Schnittstelle zu einem Prozessleitsystem abgerufen werden.
Es ist jedoch zu bedenken, dass zur Kommunikation der genannten Daten zwischen Messumformer und Sensormodul ein Kommunikationsprotokoll benötigt wird. Dieses muss vom Sensor komplett in einem Protokollstapel umgesetzt werden. Dies benötigt Speicherplatz und eine entsprechende Hardware im Mikrokontroller. Des Weiteren ist ein Demodulator notwendig, der die Anfragen des Messumformers demoduliert und dem Mikrokontroller zugänglich macht.
Zur Verwaltung und Durchführung der genannten Aufgaben des Sensormoduls ist ein Mikrokontroller notwendig der die Messwertaufnahme, die Kommunikation und die Datenspeicherung realisiert. Dieser benötigt eine ausreichende Anzahl an I/O-Pins, eine leistungsstarke CPU und eine große Menge an Programmspeicher (Flash) und Arbeitsspeicher RAM.
Die externen oder internen Speicherelemente eines solchen Sensormoduls werden so dimensioniert, wie die längste zu erwartende Einsatzdauer des Sensormoduls es erforderlich macht. Werden die Sensormodule an Messstellen mit einer hohen Belastung des Sensormoduls eingesetzt, beispielsweise durch aggressive Medien, dann sinkt die Lebensdauer beträchtlich und das Sensormodul hat mehr Speicher zur Verfügung als er jemals verwenden wird. Somit wird dann vorgehaltene Speicherkapazität mit dem Sensormodu! entsorgt.
Selbstverständlich wird auch der Mikrokontroiler mit dem Sensormodul entsorgt.
Ali dies führt zu unnötig hohen Kosten, beim Kauf und bei der Entsorgung von kurzlebigen Sensormodulen, z. B, von pH-Sensoren mit einer pH-Glas-E!ektrode.
Korrekturen von Fehlern oder Anpassungen in der Software eines Sensormoduls sind entweder nicht möglich oder erfordern eine aufwendige Neuprogrammierung jedes einzelnen Sensormoduis.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein modulares Messgerät bereitzustellen, weiches die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Sensormodul gemäß Patentanspruch 1 , das modulare Messgerät gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 und das Verfahren zum bestimmen einer Messgröße gemäß Anspruch 11.
Das erfindungsgemäße Sensormodul umfasst:
ein Sensorelement mit einem Wandler zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen analogen Primärsignals; und
eine Schaitungsbaugruppe zur Aufbereitung des Primärsignals und zur unidirektionalen Datenkommuniation eines von dem Primärsignal abhängigen Digitalsignals an eine an das Sensormodul angeschlossene übergeordnete Einheit,
wobei die Schaltungsbaugruppe die folgenden Komponenten aufweist:
einen Signaleingang zum Empfangen des messgrößenabhängigen Primärsignals;
ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement mit einer Sekundärspule zum Anschluss an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement der übergeordneten Einheit zum Empfangen eines induktiv übertragenen Energiesignals von dem primärseitigen induktiv koppelnden Steckverbinderelement und zum Übertragen eines Messignals an das primärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement;
eine Energieversorgungsschaltung, welche das empfangene Energiesignal gleichrichtet und mindestens eine Gleichspannung zum Versorgen der Schaltungsbaugruppe und ggf, des Sensorelements bereitstellt;
eine analoge Signalaufbereitungsschaltung zum Aufbereiten des empfangenen Primärsignals zu einem analogen Sekundärsignal
einen Analog-Dägital-Wandler, zum Wandeln des analogen Sekundärsignals in ein digitales Messsignal,
einen Modulator zum Modulieren des empfangenen Energiesignals mittels
Lastmodulation zum Übertragen des digitalen Messsignals an eine übergeordnete Einheit, und
einen Mikrokontroller, zum Steuern der Komponenten der Schaitungsbaugruppe.
Mit den o. g. Schaltungsteiien ist das Sensormodu! in der Lage, einen Messwert zu ermitteln und die gewonnenen Messdaten an einen übergeordneten Messumformer zu senden.
Hierbei wird insbesondere auf einen Demodulator und externe Speicherelemente, d.h. Speicherelemente außerhalb des Mikrokontrollers verzichtet. Das Sensormodul ist somit nicht in der Lage, Informationen vom Messumformer entgegen zu nehmen, es kann nur Daten senden.
Alle wichtigen Daten, die das Sensormodui betreffen, werden zentral oder dezentral in einer übergeordneten Einheit bzw. in einem Netzwerk gespeichert, an welches das Sensormodul angeschlossen ist. Um die dazugehörigen Daten eindeutig zuzuordnen, weist das Sensormodul eine eindeutige identifizierungsnummer IDN.
Beispielsweise werden bei jeder Messdatenübertragung die IDN, das digitale Messsignal und ggf. eine Prüfsumme bzw. Statusinformationen vom Sensormodul in Form eines Kommunikationstelegramms übertragen.
Die Statusinformationen dienen beispielsweise zur Fehlererkennung bzw. zur Fehlersignalisierung.
Das erfindungsgemäße modulare Messgerät umfasst ein erfindungsgemäßes Sensormodul und eine übergeordnete Einheit, an die dass Sensormodul angeschlossen ist, wobei die übergeordnete Einheit
dazu vorgesehen ist, ein digitales Messsignal von dem Sensormodul zu empfangen, und anhand des Messsignals unter Berücksichtigung von dem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten einen Messwert zu berechnen, wobei die Kalibrierdaten ausschließlich außerhalb des Sensormoduls bereitgestellt sind.
In einer Weiterbildung des Messgerätes, umfasst die übergeordnete Einheit einen Messumformer, welcher über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank kommuniziert, um die dem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten abzurufen.
In einer Weiterbildung des Messgerätes, umfasst die übergeordnete Einheit ein Leitsystem, welches über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank kommuniziert, um die dem Sensormodu! zugeordneten Kalibrierdaten abzurufen.
Das Sensormodul kann das digitale Messsignal beispielsweise mit einer solchen Datenrate übertragen, wie es die Messwertaufnahme erlaubt. Ein von der übergeordneten Einheit vorgegebenes Zeitregime ist somit nicht erforderlich.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine verschlüsselte Übertragung des Kommunikationstelegramms vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Sensormodul bzw. das Messgerät weisen im Ergebnis beispielsweise die folgenden Vorteile auf:
Kurzlebige Sensormodule, z. B. Sensormodule mit pH-Glas-Elektroden, können billiger gefertigt werden, weil weniger elektronische Bauelemente verwendet werden.
Der verwendete Mikrokontroiler kann sehr viel kleiner dimensioniert werden, weil dieser nur noch ein sehr einfaches KommunikationsprotokoN verwalten muss.
Es treten geringe bzw. keine Anforderungen hinsichtlich Datenspeicherung im Sensormodul auf.
Alle Sensordaten stehen außerhalb des Sensormoduis in der übergeordneten Einheit oder in einem mit der übergeordneten Einheit verbundenen Netzwerk zur Verfügung. Damit stehen jederzeit Daten von den Sensormodulen zur Verfügung, die gerade in einer Prozessaniage verwendet werden. Auch können die Sensormodule im Labor kalibriert werden, wobei die einem Sensormodu! zugeordneten Kaläbrierdaten nach der Kalibrierung im Netzwerk bereitgestellt werden.
Solange ein Sensormodul Daten sendet, können diese Daten nach einer Weiterbildung der Erfindung in einer Datenbank gesichert werden.
Nach dem Entsorgen der verbrauchten oder defekten Sensoren können alle Daten archiviert werden und stehen somit für nachträgliche Untersuchungen zur Verfügung.
Langlebigen Sensoren steht im Netzwerk quasi unbegrenzter Speicherplatz zur Verfügung. Generell steht für jeden Sensor so viel Speicher zur Verfügung, wie dieser auch tatsächlich benötigt.
Die Entwicklung der Sensoren wird schneller erfolgen können, weil weniger Tests, speziell Kommunäkationstests, durchgeführt werden müssen.
Die Berechnungsalgorithmen können noch während der Sensoriebenszeit angepasst bzw. optimiert werden. So gelangen sofort die Daten aller zur
Zeit einer Aktualisierung verwendeten Sensoren (auch die Daten älterer Sensoren) in den Genuss optimierter Algorithmen.
In einer Weiterbildung der Erfindung können Teile der Analogschaltung und/oder des Mikrokontrollers in FPGAs oder ASICs o.a. zusammengefasst werden. Dies reduziert weiter die Kosten und den Platzbedarf.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Messgröße kann den folgenden Ablauf aufweisen:
i. Das Sensormodul wird an ein prämärseitiges induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung angeschlossen und der Mikrokontroller wird initialisiert.
ii. Unmittelbar nach dem initialisieren des Mikrokontrollers beginnt die Messwertaufnahme begonnen.
iii. Sobald die ersten Messdaten ermittelt wurden, werden diese mittels eines einfachen Kommunikationstelegramms, welches ein digitales Messsignal, die IDN und ggf. eine Prüfsumme und/oder
Statusinformationen enthält, mittels des Modulators über das primärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement an eine übergeordnete Einheit gesendet.
iv. Die übergeordnete Einheit erkennt anhand der IDN das
Sensormodul und übernimmt das digitale Messsignal des Sensors.
Anhand von für dieses Sensormodul hinterlegten Abgleich- und Kalibrierwerten kann nun mithilfe von Berechnungsalgorithmen der eigentliche Messwert berechnet und ggf, ausgegeben werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:
Fig.1 : Eine schematische Darstellung eines modularen Messgerätes in einem Netzwerk.
Das Netzwerk 5 in Fig.1 kann beispielsweise ein Feldbus- oder ein Ethernet-Netzwerk umfassen. An das Netzwerk angeschlossen ist ein Sensormodul 11 , welches eine Schaltungsbaugruppe 21 und ein Sensorelement 31 aufweist. Das Sensorelement 31 umfasst insbesondere eine pH-Glaselektrode in Form einer Einstabmesskette.
Die Schaltungsbaugruppe 21 umfasst ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbänderelement 211 mit einer Sekundärspule zum Empfangen eines AC-Energiesignals und einer Energieversorgungseinheit zum Wandeln des AC-Energiesignals in mindestens eine Gleichspannung zum Speisen der Komponenten des Sensormoduls 11.
Die Schaltungsbaugruppe 21 umfasst weiterhin eine Analogschaltung 212 zum Konditionieren des pH-abhängigen Potentials der Einstabmesskette, welches als Primärsignal der Analogschaltung 212 zugeführt wird. Weiterhin weist die Schaltungsbaugruppe 21 einen Analog/Digital-Wandler 213 auf, welcher das konditionierte analoge Sekundärsignal digitalisiert und einem Mikrokontrolier 214 zuführt. Das digitalisierte Messsignal wird zusammen mit einer Identifikationsnummer IDN des Sensormoduls sowie einer Prüfsumme und einer Statusinformation in Form eines Kommunikationstelegramms durch einen Modulator 215 mittels Lastmodulation des AC-Energiesignals an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement 41 , übertragen.
Das primärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement 41 speist das Sensormodu! 21 mit dem AC-Energiesignal und ist an das Netzwerk angeschlossen, wobei das sekundärseitige Steckverbinderelement 41 eine Verarbeitungseinheit mit einem Demodulator aufweist, um das empfangene Kommunikationstelegramm in das Protokoll des Netzwerks umzusetzen und auszugeben.
Zum Ermitteln des tatsächlichen Messwerts werden anhand der IDN des Sensormoduls die erforderlichen Kaiibherwerte für Nullpunkt und Steilheit der Einstabmesskette 31 aus dem zugeordneten Kalibrierdatensatz 61 einer Sensordatenbank 6 von dem Prozessleitsystem 7 über das Netzwerk 5 abgerufen. Das Prozessleitsystem ermittelt anhand des Kalibrierdatensatzes und des digitalen Messsignals den aktuellen Wert der Messgröße. Die Verlaufsdaten der fortlaufend ermittelten Messwerte können an geeigneter stelle im Netzwerk abgelegt werden, beispielsweise in der Sensordatenbank 6.
Neben dem detailliert beschriebenen Sensormodu! 11 können weitere Sensormodule 12, 13, 14 über induktiv koppelnde primärseitige
Steckverbinderelemente 42, 43, 44 an das Netzwerk angeschlossen sein.
In der Sensordatenbank liegen die Kalibrierdaten sämtlicher Sensormodule bereit, die in dem Netzwerk in Betrieb sind. Selbstverständlich können auch Kalibrierdaten von Sensoren in der Datenbank bereitgestellt werden, deren Inbetriebnahme bevorsteht.
Claims
1. Sensormodul, umfassend:
ein Sensorelement mit einem Wandler zum Ausgeben eines messgrößenabhängigen elektrischen analogen Primärsignals; und
eine Schaltungsbaugruppe zur Aufbereitung des Primärsignals und zur unidirektionalen Datenkommuniation eines von dem Primärsignal abhängigen Digitalsignals an eine übergeordnete Einheit, wenn das
Sensormodu! im Messbetrieb an die übergeordnete Einheit angeschlossen ist;
wobei die Schaltungsbaugruppe die folgenden Komponenten aufweist:
einen Signaleingang zum Empfangen des messgrößenabhängigen Primärsignals;
ein sekundärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement mit einer Sekundärspuie zum Anschluss an ein primärseitiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement der übergeordneten Einheit zum Empfangen eines induktiv übertragenen Energiesignals von dem primärseitigen induktiv koppelnden Steckverbinderelement und zum Übertragen eines Messignals an das prϊmärseitige induktiv koppelnde Steckverbinderelement;
eine Energieversorgungsschaltung, welche das empfangene Energiesigna! gleichrichtet und mindestens eine Gleichspannung zum Versorgen der Schaltungsbaugruppe und ggf. des Sensorelements bereitstellt;
eine analoge Signalaufbereitungsschaltung zum Aufbereiten des empfangenen Primärsignais zu einem analogen Sekundärsignal einen Analog-Digitat-Wandler, zum Wandeln des analogen Sekundärsignals in ein digitales Messsignal,
einen Modulator zum Modulieren des empfangenen Energiesignals mitteis Lastmodulation zum Übertragen des digitalen Messsignals an eine übergeordnete Einheit, und
einen Mikrokontroller, zum Steuern der Komponenten der Schaltungsbaugruppe.
2. Sensormodul nach Anspruch 1 , wobei das Sensormodul eine eindeutige Identifizierungsnummer IDN aufweist, und wobei das Sensormodul dazu vorgesehen ist, bei einer Messdatenübertragung ein Kommunikationstelegramm, welches die IDN und das digitale Messsignal enthält, zu einer übergeordneten Einheit zu übertragen, wenn das Sensormodul an diese angeschlossen ist.
3. Sensormodu! nach Anspruch 2, wobei das Kommunikations- telegramm weiterhin eine Prüfsumme und/oder Statusinformationen enthält.
4. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltungsbaugruppe ein FPGA oder ASIC aufweist, in welchem Teile der Analogschaitung und/oder des Mikrokontrollers zusammengefasst sind.
5. Sensormodui nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensorelement einen potentiometrischen Sensor, insbesondere eine pH-Glas-Eiektrode oder einen ionenselektiven Sensor zur bestimmung eines Redox-Potentials umfasst.
6. Modulares Messgerät, umfassend ein Sensormodu! nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und eine übergeordnete Einheit, an die das Sensormodui angeschlossen ist,
wobei die übergeordnete Einheit dazu vorgesehen ist, ein digitales Messsignal von dem Sensormodul zu empfangen, und anhand des Messsignals unter Berücksichtigung von dem Sensormodul zugeordneten Kalibrierdaten einen Messwert zu berechnen,
wobei die Kalibrierdaten und/oder Abgteichdaten ausschließlich außerhalb des Sensormoduls bereitgestellt sind.
7. Messgerät nach Anspruch 6, wobei die übergeordnete Einheit einen Messumformer umfasst, welcher dazu vorgesehen ist, über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank zu kommunizieren, um die dem Sensormodul anhand der IDN zugeordneten Kalibrierdaten und/oder Abgleichdaten abzurufen.
8. Messgerät nach Anspruch 6( wobei die übergeordnete Einheit ein Leitsystem umfasst, welches dazu vorgesehen ist, über ein Bussystem bzw. ein Netzwerk mit einer Datenbank zu kommunizieren, um die dem Sensormodul anhand der IDN zugeordneten Kalibrierdaten und/oder Abgleichdaten abzurufen.
9. Messgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Sensormodul dazu vorgesehen ist, das digitale Messsignal mit einer solchen Datenrate zu übertragen, wie es die Schaltungsbaugruppe ermöglicht, wobei die Datenrate nicht von der übergeordneten Einheit vorgegeben wird.
10. Messgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Sensormodui dazu geeignet ist, eine verschlüsselte Übertragung des Digitalsignals bzw. des Kommunikationstelegramms durchzuführen.
11. Verfahren zum Bestimmen einer Messgröße, insbesondere mit einem Messgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, umfassend die folgenden Schritte:
i. Anschließen eines Sensormoduls an ein primärseätiges induktiv koppelndes Steckverbinderelement und initialisieren des Sensormoduls;
iL Beginn der Messwertaufnahme unmittelbar nach dem Initialisieren des Sensormoduls;
iii. Senden der ermittelten Messdaten mittels eines KommunikationsteSegramms an eine übergeordnete Einheit, wobei das Kommunikationstelegramm ein digitales Messsignal und die IDN enthält;
iv. Erkennen des Sensormoduls anhand der IDN durch die übergeordnete Einheit;
Berechnen des Messwerts aus dem Messsignal mithälfe von Berechnungsaigorithmen anhand der für dieses Sensormodul hinterlegten Abgleich- und Kalibrierwerte.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei das Kommunäkationstelegram weiterhin eine Prüfsumme und/oder Statusinformationen, beispielsweise zur Fehlererkennung, enthält.
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| DE102008043336.5 | 2008-10-30 |
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| DE (1) | DE102008043336B4 (de) |
| WO (1) | WO2010049408A1 (de) |
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