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)