WO2004049281A2 - Modularer messumformer mit galvanisch getrenntem messfühler - Google Patents

Modularer messumformer mit galvanisch getrenntem messfühler Download PDF

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    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link

Definitions

  • the present invention relates to a modular transmitter which has a sensor module and an electronics module coupled to the sensor module, the sensor module being coupled to the electronics module via a contactless interface, via which the energy supply to the sensor module and the data exchange between the sensor module and the electronics module take place.
  • the interface can be designed in the manner described in European Patent Application No. EP 1 206 012 A2, inductive interfaces appearing particularly suitable.
  • German patent application DE 13 703 854 discloses a modular transmitter, in which a sensor with a
  • the measuring head is screwed, the measuring head being a transmitting and
  • Receiving unit to be wireless with a central Communicate data acquisition unit.
  • the sensors for example pH electrodes, are not electrically isolated from the measuring head. Rather, it can be assumed that there is a normal metallic contact between the measuring head and the sensors.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an electronic module for a modular transmitter, which overcomes the disadvantages of the prior art described.
  • the object is achieved according to the invention by the electronic module according to independent claim 1 and the modular transmitter according to independent claim 5.
  • the modular measuring transducer comprises a sensor module for recording a measured variable and the electronic module according to the invention, the sensor module and the electronic module being coupled to one another via a contactless interface, via which the energy supply of the sensor module and the data exchange between the sensor module and the electronic module take place, the electronic module furthermore has a transmitting or transmitting and receiving unit for wireless data exchange with a complementary receiving or receiving and transmitting station.
  • the power supply of the electronic module can either be via a supply cable or self-sufficient, i.e. z. B. by photocells, using a
  • the wireless data exchange between the electronics module and the complementary receiving or transmitting and receiving unit can take place, for example, by radio, ultrasound or light, in particular by means of infrared light.
  • the type of data transmission chosen depends on the particular circumstances of the area of application. Infrared data transmission appears to be particularly suitable for use in laboratory operations with short ranges, with radio transmission being preferred for systems with larger ranges. Data transmission via a mobile network or via satellite is also suitable for special applications.
  • the invention can generally be implemented with any sensors, in particular with potentiometric sensors, turbidity sensors, gas sensors, pressure sensors, fill level sensors, flow sensors, spectroscopic sensors, photometric sensors,
  • Fig. 1 A measuring arrangement with a transmitter according to the present invention.
  • the measuring arrangement shown in FIG. 1 comprises two modular transmitters, namely a modular opacimeter 1a and a modular pH transmitter 1b.
  • the two modular transmitters 1a, 1b exchange data with a base station 2.
  • the modular opacimeter 1a comprises an electronic module 10a, which has a circuit 8a for processing one received by the sensor module 7a Includes sensor signal. If appropriate, the circuit 8a can further comprise means for reading out device parameters of the electronic module 10a and the sensor module 7a.
  • the electronic module 10a comprises a transmission unit 9a for transmitting and receiving data to the base station 2.
  • the data transmission unit comprises an infrared transmitter 3a and an infrared receiver 5a, the base station 2 having a complementary receiver 4 or transmitter 6.
  • the data exchange can take place, for example, according to the IrDA standard.
  • the electronics module 10a is supplied with energy via a supply line 13a.
  • the supply line 13a is used exclusively for energy supply, and in a further embodiment the supply line 13a is also redundant for data transmission z.
  • a contactless plug connection is provided, which has a socket 11a, which is provided on the underside of the sensor module 10a, and a plug 12a, which is connected to the sensor module 7a, and engages with the bush 11a.
  • the plug connection is preferably detachable.
  • the plug connection can also be designed the other way round. That A plug extends from the underside of the electronic module, and the sensor module has a plug head for receiving the plug.
  • a first cylindrical coil can be arranged in the lateral surface of the bushing 11a, the
  • Plug 12a has a second cylindrical coil which is coaxial with the first cylindrical coil is arranged.
  • the plug 12a and the socket 11b each have a coil with a ring core half, the end faces of the ring core halves being positioned flush with one another when the plug is arranged in the socket.
  • the inductive energy transfer from the electronics module to the sensor module takes place via an AC signal which is fed by the electronics module.
  • the amplitude of the AC signal is preferably modulated for data exchange between the sensor module and the electronic module (ASK according to the English term amplitude shift keying), but other types of modulation such as pulse width and frequency modulation are also conceivable.
  • the data is transmitted to the sensor module by direct modulation of the AC signal fed in, with load modulation of the AC signal taking place for data transmission from the sensor module to the electronic module.
  • FIG. 1 also shows a modular transmitter 1b, which is designed as a pH transmitter. It has essentially the same structure as the modular opacimeter 1a, so that only differences from the opacimeter described above are referred to below.
  • the sensor module 7b comprises a pH electrode, which is connected to the electronics module 10b by means of the plug head 12b in the socket 11b of the contactless plug connection.
  • the power supply to the modular transmitter 1b is decentralized, for which purpose a battery 13b is provided in the housing of the electronic module 10b.
  • the local energy supply takes place via a fuel cell or via a photocell. The assignment of the energy supply types to the different sensor types is selected for illustration purposes only and does not describe a mandatory technical connection.

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Abstract

Zur galvanischen Trennung von Messumformermodulen und zur Vermeidung von Datenleitungen umfasst der erfindungsgemäße modulare Messumformer 1a, 1b ein Sensormodul 7a, 7b zum Erfassen einer Messgröße und ein Elektronikmodul 8a, 8b, wobei das Sensormodul 7a, 7b und das Elektronikmodul über eine kontaktlose Schnittstelle 11a, 11b, 12a, 12b miteinander gekoppelt sind, über welche die Energieversorgung des Sensormoduls 7a, 7b und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Elektronikmodul erfolgt, wobei das Elektronikmodul 8a, 8b weiterhin eine Sende- bzw. Sende- und Empfangseinheit 9a, 9b zum drahtlosen Datenaustausch mit einer komplementären Empfangs- bzw. Empfangs- und Sendestation 2 aufweist.

Description

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

Claims

Patenansprüche
1. Elektronikmodul (8a; 8b) für einen modularen Messumformer (1a; 1 b) mit einem Sensormodul (7a; 7b) und einem Elektronikmodul (8a; 8b), wobei das Sensormodul und das Elektronikmodul (8a; 8b) über eine kontaktlose Schnittstelle (11a, 12a; 11 b, 12b) miteinander koppelbar sind, über welche die Energieversorgung des Sensormoduls (7a; 7b) und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Elektronikmodul (8a; 8b) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikmodul (8a; 8b) weiterhin eine Sende- bzw. Sende- und
Empfangseinheit (9a; 9b) zum drahtlosen Datenaustausch mit einer komplementären Empfangs- bzw. Empfangs- und Sendestation (2) aufweist.
2. Elektronikmodul (8a) nach Anspruch 1 , wobei das Elektronikmodul einen Anschluss für eine Versorgungsleitung (13a) zur Energieversorgung des Elektronikmoduls aufweist.
3. Elektronikmodul (8b) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Elektronikmodul zur Energieversorgung eine Photozelle, eine Batterie (13b) oder eine
Brennstoffzelle aufweist.
4. Elektronikmodul (8a; 8b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der drahtlose Datenaustausch zwischen dem Elektronikmodul und einer komplementären Empfangs- bzw. Sende- und Empfangseinheit über
Funk, Ultraschall oder Licht, insbesondere Infrarotlicht erfolgt.
5. Modularer Messumformer (1), umfassend ein Elektronikmodul (8a; 8b) nach einem der bisherigen Ansprüche und ein komplementäres Sensormodul (7a; 7b) zum Erfassen einer Prozessgröße.
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