-
Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen
oder chemischen Messgröße eines Messmediums, umfassend mindestens
eine Sensoreinheit zum Erfassen und/oder Erzeugen eines mit der
zu bestimmenden Messgröße korrelierten Sensorsignals
und eine Bedieneinheit, die dazu ausgestaltet ist, mit der Sensoreinheit
zu kommunizieren, insbesondere von der Sensoreinheit Daten zu empfangen
und zu verarbeiten und Daten an die Sensoreinheit zu senden.
-
In
der Prozessautomatisierungstechnik und in der industriellen Messtechnik
werden häufig Sensoren eingesetzt, die zur Messung von
physikalischen oder chemischen Messgrößen eines
Messmediums dienen. Ein derartiges Messmedium kann beispielsweise
Trinkwasser, Abwasser, ein Prozessmedium in einem chemischen Prozess
oder ein in der Lebensmitteltechnik hergestelltes Produkt sein.
In der Regel umfassen die Sensoren eine Sensoreinheit, die mit dem
Messmedium in Kontakt gebracht wird, zum Beispiel eine in das Messmedium
eintauchbare Messsonde. Eine derartige Sensoreinheit kann mit einer übergeordneten
Einheit, beispielsweise einem Messumformer verbunden werden, der
die Sensorsignale, d. h. die Signale der Sensoreinheit, verarbeitet
und gegebenenfalls an ein Prozessleitsystem weiterleitet. Falls
die Sensoreinheit selbst über eine gewisse Eigenintelligenz
verfügt, kann diese auch direkt mit dem Prozessleitsystem über
einen Buskoppler verbunden sein. Die Kommunikation mit dem Prozessleitsystem
erfolgt nach einem in der Prozessautomatisierungstechnik üblichen
Standard, wie zum Beispiel HART-Datenübertragung oder einem Feldbussystem
(Foundation Field Bus, Profibus etc.).
-
Sensoreinheiten,
die in das Messmedium eintauchbare Messsonden umfassen, sind häufig zweiteilig
aufgebaut. So ist die Messsonde häufig lösbar
mit einem Gegenstück verbunden, über das die Verbindung
zum Messumformer bzw. zum Prozessleitsystem gebildet ist. Die Messsonde
umfasst einen Messaufnehmer, beispielsweise eine pH-Wert-Glaselektrode,
eine ionenseleketive Elektrode, einen ISFET-Sensor mit Referenzelektrode,
einen Messkopf einer optischen, z. B. photometrischen, Sonde, eines Trübungssensors
oder eines Leitfähigkeitssensors. Weiterhin weist die Messsonde
ein mit dem Messaufnehmer fest verbundenes Elektronikmodul, im Folgenden
auch als Sensorkopf bezeichnet, auf, das eine elektronische Schaltung
zur Wandlung und Verarbeitung des Messaufnehmersignals umfasst.
Bei intelligenten Messsonden bzw. Sensoreinheiten weist diese elektronische
Schaltung einen Mikrocontroller und einen oder mehrere Daten- und/oder
Programmspeicher auf.
-
Der
Sensorkopf kann mechanisch lösbar, z. B. mittels eines
Bajonett-Verschlusses, mit einer Buchse verbunden werden, im Folgenden
auch als Sensorkopfgegenstück bezeichnet. Das Sensorkopfgegenstück
ist mit dem Messumformer oder einer anderen übergeordneten
Einheit, zum Beispiel dem Prozessleitsystem, verbunden. Das Sensorkopfgegenstück
umfasst ebenfalls eine elektronische Schaltung mit einem Mikrocontroller
und einer oder mehreren Speichereinheiten und dient zur Übertragung
von Mess- und/oder Sensordaten an den Messumformer bzw. die übergeordnete
Einheit.
-
Die
Zweiteilung der Sensoreinheit ist besonders vorteilhaft, falls die
Messsonde regelmäßig gewartet werden muss, Der
Datenaustausch zwischen dem Sensorkopf und dem Sensorkopfgegenstück kann
beispielsweise über einen induktiven Übertrager
in beide Richtungen erfolgen. Eine derartige Sensoreinheit ist beispielsweise
in
EP 1206012 A1 oder
DE 10218606 A1 beschrieben.
-
Da
eine Sensoreinheit meist vor Ort in Betrieb genommen und eingestellt
wird, ist eine am Messumformer integrierte Bedieneinrichtung vorgesehen,
die eine manuelle Eingabe von Daten erlaubt, die für das
einwandfreie Funktionieren der Sensoreinheit notwendig sind. In
der Regel umfasst die Bedieneinrichtung neben einer manuellen Eingabemöglichkeit
auch eine Anzeige, die zum Beispiel die Dateneingabe durch eine
entsprechende Menüführung erleichtert. Zusätzlich
erlaubt die Anzeige meist auch die Darstellung des aktuellen Messwerts
der Prozessvariablen in Zahlen oder in graphischer Form oder die
Darstellung von Informationen, die sich auf eine Bewertung des aktuellen
Sensorzustandes oder auf bevorstehende Wartungsmaßnahmen
beziehen. Die Bedienung einer Sensoreinheit mit Hilfe eines angeschlossenen
Messumformers hat verschiedene Nachteile:
Zum einen kann ein
fest installierter Messumformer nur entweder unmittelbar vor Ort
oder über eine entsprechende, z. B. über ein Feldbussystem
mit dem Messumformer verbundene übergeordnete Einheit, z.
B. das Prozessleitsystem, bedient werden. Zum anderen kann mit dem
Messumformer vor Ort jeweils nur die betreffende Sensoreinheit,
mit der der Messumformer verbunden ist, bedient werden. Es gibt deshalb
eine Reihe von Ansätzen eine Sensoreinheit mittels einer
tragbaren separaten Bedieneinheit zu bedienen, d. h. Daten von der
Sensoreinheit mittels einer tragbaren Bedieneinheit zu empfangen
bzw. Daten über eine solche tragbare Bedieneinheit an die Sensoreinheit
zu senden.
-
So
beschreibt die
WO
02/05241 A1 ein Feldgerät mit Funkverbindung,
bei dem die Bedieneinrichtung als separat tragbare Einheit ausgebildet
ist, die per Funk über kurze Entfernungen mit dem Feldgerät
in Verbindung steht. Dadurch muss ein unzugängliches Feldgerät
zur Bedienung nicht mehr unmittelbar aufgesucht werden. Weiterhin
können mit der Bedieneinrichtung auch mehrere Feldgeräte
per Funk bedient werden.
-
Die
DE 102005041862 A1 beschreibt
eine Anordnung zum Bedienen von Feldgeräten mittels einer
separaten tragbaren Bedieneinheit, die über eine Funkverbindung
mit jeweils einem Feldgerät kommuniziert, und bei der ein
einfacher und sicherer Verbindungsaufbau zwischen der Bedieneinheit
und einem jeweils ausgewählten Feldgerät dadurch
ermöglicht wird, dass das Feldgerät eine abtastbare
Identifizierung trägt und dass die Bedieneinheit eine Leseeinheit
zum Lesen der Identifizierung und Mittel zum Aufbau der Funkverbindung
zu dem Feldgerät in Abhängigkeit von der gelesenen
Identifizierung aufweist.
-
In
beiden Fällen erfolgt die Kommunikation zwischen der separaten
tragbaren Bedieneinheit und dem Feldgerät per Funk zwischen
der Bedieneinheit und einer Funkeinheit des Feldgeräts,
beispielsweise eines RFID-Transponders oder einer Nahfeld-Sende-/Empfangseinrichtung.
-
In
beiden Fällen erfolgt also eine Kommunikation über
ein Nahfeld zwischen der Bedieneinheit und der Sensoreinheit. Dies
hat jedoch den Nachteil, dass eine Bedienperson sich mit der Bedieneinheit im
Nahfeld-Bereich befinden muss, um die Daten der Sensoreinheit empfangen
zu können bzw. um Daten an die Sensoreinheit zu senden.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich, wenn mehrere über die
tragbare Bedieneinheit bedienbare Sensoreinheiten in unmittelbarer Nähe
zueinander, beispielsweise in einer Prozessanlage, angeordnet sind.
Falls die Reichweite der Funkverbindung zwischen der Bedieneinheit
und einer Sensoreinheit größer ist als der Abstand
zwischen den Sensoreinheiten in der Prozessanlage, kann es zu Störungen
bei der Datenübertragung zwischen der Bedieneinheit und
einer der Sensoreinheiten durch die in unmittelbarer Nähe
angeordnete weitere Sensoreinheit kommen.
-
Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der
Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine Messvorrichtung
zur Bestimmung einer physikalischen oder chemischen Messgröße
eines Messmediums, insbesondere in der industriellen Prozessmesstechnik,
angegeben werden, die von einer Bedienperson auch aus weiter Entfernung überwacht
und gesteuert werden kann und dabei eine hohe Zuverlässigkeit
der Datenverbindung und -übertragung bei der Kommunikation
zwischen einer Bedieneinheit und einer Sensoreinheit der Messvorrichtung
gewährleistet.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung
einer physikalischen oder chemischen Messgröße
eines Messmediums, umfassend:
mindestens eine Sensoreinheit
zum Erzeugen eines mit der zu bestimmenden Messgröße
korrelierten Sensorsignals; und
eine Bedieneinheit, die dazu
ausgestaltet ist, mit der Sensoreinheit zu kommunizieren, insbesondere
von der Sensoreinheit Daten zu empfangen und zu verarbeiten und
Daten an die Sensoreinheit zu senden,
wobei der Sensoreinheit
eine Transceiver-Einheit zugeordnet ist,
welche über
erste Kommunikationsmittel verfügt, um Daten von der Sensoreinheit
zu empfangen und Daten an die Sensoreinheit zu senden,
und
welche über zweite Kommunikationsmittel verfügt,
welche eine Schnittstelle zu einem Vermittlungsnetz umfassen, um über
das Vermittlungsnetz Daten an die Bedieneinheit zu senden und Daten
von der Bedieneinheit zu empfangen. Die Bedieneinheit umfasst dazu
ebenfalls eine Schnittstelle zu dem Vermittlungsnetz, über
die die Bedieneinheit von der Sensoreinheit über das Vermittlungsnetz
gesendete Daten empfangen kann und über die die Bedieneinheit
Daten über das Vermittlungsnetz an die Sensoreinheit senden
kann.
-
Der
Fachbegriff Transceiver-Einheit bezeichnet eine, vorzugsweise in
konstruktiver Baueinheit ausgeführte, Kombination aus Sender
und Empfänger, also eine Sender-/Empfänger-Einheit.
-
Das
Vermittlungsnetz dient der Vermittlung von Daten auch über
weite Entfernungen. Vorzugsweise ist das Vermittlungsnetz ein Telekommunikations-Vermittlungsnetz.
Das Vermittlungsnetz kann beispielsweise ein Mobilfunknetz sein.
Der Begriff „Mobilfunknetz” bezeichnet die technische
Infrastruktur, auf der die Übertragung von Signalen für
den Mobilfunk stattfindet. Das Mobilfunknetz umfasst im Wesentlichen
ein Mobilvermittlungsnetz, in dem die Übertragung und Vermittlung
der Signale zwischen ortsfesten Einrichtungen und Plattformen des
Mobilfunknetzes stattfinden, sowie ein Zugangsnetz, in dem die Übertragung
der Signale zwischen einer Mobilfunkantenne und der Bedieneinheit
bzw. der Transceiver-Einheit stattfindet. Das Zugangsnetz wird hier
und im Folgenden auch als Schnittstelle zum Mobilfunknetz bzw. als
Mobilfunk-Schnittstelle bezeichnet. Die Übertragung im
Mobilvermittlungsnetz findet typischerweise kabelgebunden statt,
nur die Schnittstelle zum Mobilfunknetz wird durch eine Funkverbindung
gebildet. Zur Kommunikation über ein Mobilfunknetz weisen
die Bedieneinheit und die Transceiver-Einheit jeweils eine Mobilfunk-Schnittstelle
auf.
-
Das
Vermittlungsnetz kann auch ein internes Netz, z. B. ein firmeninternes
Telekommunikationsnetz des Prozessanlagenbetreibers sein. Der Zugang
zum internen Telekommunikationsnetz kann kabellos mit der DECT-Technologie
(DECT = Digital Enhanced Cordless Telecommunications, deutsch: Digitale,
verbesserte schnurlose Kommunikation) über eine Basisstation
(engl. Fachbegriff: Gateway) erfolgen. Im Extremfall kann das Vermittlungsnetz aus
einer einzigen derartigen Basisstation bestehen. Dies ist ausreichend,
wenn die Kommunikation nur über Übertragungsstrecken
bis zu 300 m erfolgen soll. Für Übertragungen über
weitere Strecken kann über die Basisstation eine Anbindung
an ein internes Vermittlungsnetz oder ein öffentliches
Telefonnetz, z. B. ein Mobilfunk- oder Festnetz vorgesehen sein.
Zur Kommunikation über ein internes Netz mittels des DECT-Standards
weisen die Bedieneinheit und die Transceiver-Einheit jeweils eine
Schnittstelle nach dem DECT-Standard zum internen Telekommunikationsnetz
auf.
-
Indem
die Kommunikation zwischen der Bedieneinheit und der Transceiver-Einheit über
ein Vermittlungsnetz, insbesondere ein Mobilfunknetz oder ein internes
Netzwerk, erfolgt, ist es für die Kommunikation zwischen
der Bedieneinheit und der Transceiver-Einheit somit nicht wie im
Stand der Technik erforderlich, eine vorgegebene, begrenzte Reichweite
(z. B. Nahfeld) einzuhalten, innerhalb derer eine Funkverbindung
aufrecht erhalten werden kann. Stattdessen kann die Bedieneinheit
an die Sensoreinheit zu übertragende Daten auch aus weiterer
Entfernung zunächst über ihre Schnittstelle in
das Vermittlungsnetz übertragen. Wenn es sich bei dem Vermittlungsnetz
um ein Mobilfunknetz handelt, kann die Bedieneinheit die zu übertragenden
Daten über ihre Mobilfunk-Schnittstelle in das Mobilvermittlungsnetz des
verwendeten Mobilfunknetzes übertragen. Über das
Vermittlungsnetz werden die Daten über die entsprechende
Schnittstelle der Transceiver-Einheit übertragen. Im Beispielfall
des Mobilfunknetzes werden die Daten über das Mobilvermittlungsnetz
und über die Mobilfunk-Schnittstelle der Transceiver-Einheit
an diese übertragen. Eine entsprechende Datenübertragung
ist selbstverständlich auch in der umgekehrten Richtung
möglich. Damit ist ein Datenaustausch zwischen der Bedieneinheit
und der Transceiver-Einheit auch über weite Strecken möglich.
-
Die
etablierte Technologie der Mobilfunknetze und des Mobilfunks bzw.
der Schnurlos-Telefone nach dem DECT-Standard erlauben es, mittels
einer Bedieneinheit eine größere Anzahl von Transceiver-Einheiten
sicher zu adressieren, indem zum einen die Transceiver-Einheiten
eindeutig adressierbar sind (zum Beispiel durch spezielle Adressen,
insbesondere Telefonnummern), und zum anderen ein sicherer Datenaustausch
mit Hilfe von den Transceiver-Einheiten zugeordneter Passwörter
und PIN-Codes möglich ist.
-
Vorzugsweise
ist das Vermittlungsnetz ein Mobilfunknetz, welches einem Mobilfunk-Standard, insbesondere
einem internationalen Mobilfunk-Standard, entspricht. In Europa
gibt es zur Zeit beispielsweise den Standard „Global System
for Mobile Communications” (GSM) als wichtigsten Standard
für Mobilfunknetze der zweiten Generation, sowie den Standard „General
Packet Radio Service” (GPRS) als Zwischengeneration zur
schrittweisen Einführung der Mobilfunknetze dritter Generation,
für die der derzeit wichtigste Standard das „Universal
Mobile Telecommunications System” (UMTS) ist. Daneben existieren
weitere Standards.
-
Vorteilhaft
an der Verwendung eines Mobilfunknetzes nach einem, insbesondere
internationalen, Mobilfunkstandards ist, dass als Bedieneinheit
in diesem Fall ein geeignetes konventionelles Gerät, das über
eine Mobilfunkschnittstelle verfügt, verwendet werden kann,
wie beispielsweise ein herkömmliches Mobiltelefon oder
ein geeignetes Festnetz-Telefon. Auf diese Weise kann die bestehende
Mobilfunk-Infrastruktur genutzt werden, um über weite Strecken,
insbesondere auch aus dem Ausland, mittels einer Bedieneinheit auf
die Sensoreinheit zugreifen zu können.
-
Zur
Kommunikation mit der Transceiver-Einheit kann die Sensoreinheit
eine erste Funkeinheit aufweisen, welche insbesondere einen RFID-Transponder
umfasst, und wobei die ersten Kommunikationsmittel der Transceiver-Einheit
eine zweite Funkeinheit zur Kommunikation mit der Sensoreinheit umfassen,
wobei die zweite Funkeinheit insbesondere ein RFID-Schreib/Lese-Gerät umfasst.
Alternativ kann die Sensoreinheit zur Kommunikation mit der Transceiver-Einheit
eine optische Schnittstelle aufweisen, wobei die ersten Kommunikationsmittel
der Transceiver-Einheit dann zur Kommunikation mit der Sensoreinheit
eine komplementäre optische Schnittstelle umfassen. Beide
Ausgestaltungen ermöglichen eine drahtlose Kommunikation
zwischen der Sensoreinheit und der Transceiver-Einheit. Gleichzeitig
sind die Sende-/Empfangs-Einrichtungen, die für eine Funkkommunikation
oder eine optische Kommunikation zwischen Sensoreinheit und Transceiver
erforderlich sind, relativ kompakt, so dass Sensor- und Transceiver-Einheit
Platz sparend, beispielsweise in einem Gehäuse, angeordnet
werden können.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Sensoreinheit einen
mit einem in das Messmedium eintauchenden Messwandler fest verbundenen Sensorkopf
und ein Sensorkopfgegenstück, wobei der Sensorkopf und/oder
das Sensorkopfgegenstück einen Mikrocontroller zur Verarbeitung
und zur Ausgabe des Sensorsignals und/oder daraus abgeleiteter Signale,
umfassen, wobei der Sensorkopf mit dem Sensorkopfgegenstück über
eine Kommunikationsschnittstelle verbunden ist, über die,
insbesondere digitale, Daten und/oder Energie übertragbar
sind, und wobei das Sensorkopfgegenstück mit einer übergeordneten
Einheit, insbesondere einem Prozessleitsystem oder einem Messumformer,
verbunden ist. Die Sensoreinheit kann weiterhin im Sensorkopf und/oder
im Sensorkopfgegenstück einen Datenspeicher umfassen, in
dem Kalibrierdaten, Parametrierdaten, sensorspezifische Daten, Kalibrierzyklen, Hilfsparameter
zur Zustandsbewertung oder zur vorausschauenden Wartung gespeichert
sind. Dabei handelt es sich insbesondere um digitale Daten. Das vom
Mikrocontroller verarbeitete Sensorsignal, daraus abgeleitete Daten,
im Datenspeicher abgespeicherte oder aus diesen abgeleitete Daten
können gesteuert durch den Mikrocontroller über
die Funkeinheit bzw. über die optische Schnittstelle an
die Transceiver-Einheit gesendet werden.
-
Die
Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Sensorkopf und dem Sensorkopfgegenstück kann
beispielsweise eine im Sensorkopf angeordnete Primärseite
eines induktiven Übertragers und eine im Sensorkopfgegenstück
angeordnete Sekundärseite des induktiven Übertragers
zur Übertragung von Daten und Energie zwischen dem Sensorkopf und
dem Sensorkopfgegenstück umfassen. Eine derart ausgestaltete
Kommunikationsschnittstelle gewährleistet eine galvanische
Trennung zwischen Sensorkopf und Sensorkopfgegenstück.
Sie kann im Detail beispielsweise ausgestaltet werden, wie in
EP 1206012 A2 beschrieben.
-
In
einer Ausgestaltung ist die Sensoreinheit im Inneren eines Gehäuses,
insbesondere in einer Prozessarmatur, untergebracht, um die Sensoreinheit
an einer Messstelle zu fixieren und bezüglich des Messmediums,
dessen Messgröße ermittelt werden soll, zu orientieren
und zu positionieren. In diesem Fall ist die Transceiver-Einheit
an oder zumindest teilweise in einer Wand des Gehäuses
untergebracht, wobei die Transceiver-Einheit mindestens über
eine Öffnung in der Wand mit dem Inneren des Gehäuses
in Kontakt steht. Indem die Transceiver-Einheit mit dem Inneren
des Gehäuses in Kontakt steht, kann ein Funksignal oder
ein optisches Signal zwischen der Sensoreinheit und der Transceiver-Einheit übertragen
werden.
-
Die
Transceiver-Einheit kann einen Mikrocontroller zur Verarbeitung
von über die ersten Kommunikationsmittel von der Sensoreinheit
empfangenen Daten, insbesondere zur Weiterleitung über
die zweiten Kommunikationsmittel an die Bedieneinheit, und/oder
zur Verarbeitung von über die zweiten Kommunikationsmittel
von der Bedieneinheit empfangenen Daten, insbesondere zur Weiterleitung über
die ersten Kommunikationsmittel an die Sensoreinheit, umfassen.
-
Als
zweite Kommunikationsmittel, welche eine Schnittstelle zum Vermittlungsnetz
umfassen, kann die Transceiver-Einheit einen dem Standard des Vermittlungsnetzes
genügenden Transceiver umfassen, sowie eine Antenne zur Übertragung
von von der Sensoreinheit erhaltenen Daten in das Vermittlungsnetz.
Ist das Vermittlungsnetz beispielsweise ein Mobilfunknetz, kann
die Transceiver-Einheit entsprechend einen Mobilfunk-Transceiver
umfassen, der einem Mobilfunktechnologie-Standard, wie GMS, GPRS
oder UMTS genügt, sowie eine Antenne zur Übertragung
von von der Sensoreinheit erhaltenen Daten in das Mobilfunknetz,
insbesondere in das Mobilvermittlungsnetz, des entsprechenden Standards.
Ein Mobilfunktransceiver ist eine Sende- und Empfangsbaugruppe,
welche Mobilfunksignale empfangen und senden kann.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Transceiver-Einheit eine
Telefonnummer zugeordnet, die von der Bedieneinheit angewählt
werden kann, um eine Kommunikation zwischen der Transceiver-Einheit
und der Bedieneinheit über das Vermittlungsnetz, beispielsweise
das bereits erwähnte Mobilfunknetz, einzuleiten. In einer
speziellen Ausgestaltung kann die Messvorrichtung mehrere Sensoreinheiten
umfassen, welchen jeweils einer eigene Transceiver-Einheit zugeordnet
ist, und wobei jeder Transceiver-Einheit eine eigene Telefonnummer
zugeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, mit der Bedieneinheit
eindeutig, nämlich definiert durch die jeweilige Telefonnummer,
eine Transceiver-Einheit, und damit die zugeordnete Sensoreinheit
zur Kommunikation auszuwählen. Auf diese Weise ist es ausgeschlossen,
dass Daten, die von der Bedieneinheit auf die Transceiver-Einheit
und von dieser auf die zugeordnete Sensoreinheit übertragen
werden, gleichzeitig auf eine nahe bei der Sensoreinheit angeordnete
weitere Sensoreinheit übertragen werden.
-
In
einem Datenspeicher der Bedieneinheit kann eine Liste von Tag-Nummern
der ansprechbaren Transceiver-Einheiten abgelegt sein. Diese Liste ist
vorzugsweise über eine Benutzerschnittstelle der Bedieneinheit
abrufbar, wobei über die Benutzerschnittstelle eine Tag-Nummer
aus der Liste auswählbar ist und wobei die Bedieneinheit
so konfiguriert ist, dass bei Auswählen einer Tag-Nummer
automatisch die Telefonnummer der zugehörigen Transceiver-Einheit
gewählt wird.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Bedieneinheit ein Mobiltelefon.
Herkömmliche Mobiltelefone verfügen bereits über
große Speicher- und Rechenkapazität, so dass es
möglich ist, eine entsprechende Datenverarbeitungs- und
Steuersoftware für die Bedienung und das Auslesen von Daten
der Sensoreinheit auf einem Mobiltelefon zur Verfügung zu
stellen. Weiterhin sind Mobiltelefone so weit verbreitet, dass die
meisten Menschen bereits über grundsätzliche Erfahrungen
in der Bedienung eines Mobiltelefons verfügen. Eine Bedienperson
benötigt somit keine umfangreichen Einweisungen zur Bedienung
der als Mobiltelefon ausgestalteten Bedieneinheit.
-
Um
sicherzustellen, dass die Transceiver-Einheit jederzeit über
ausreichende Energie verfügt, kann sie eine insbesondere
autarke Energieversorgungseinheit umfassen. Beispielsweise kann
es sich dabei um eine Batterie oder eine Brennstoffzelle handeln,
aber auch um eine nach dem Prinzip des „energy harvesting” funktionierende
Energieversorgungseinheit, die Strom beispielsweise aus der Umgebungstemperatur,
aus Vibrationen, aus Luftströmungen oder aus elektromagnetischer
Strahlung, wie z. B. Solarzellen, erzeugt.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im Detail erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung des Zusammenwirkens zwischen einer Sensoreinheit,
einer Transceiver-Einheit und einer Bedieneinheit;
-
2 eine
schematische Detail-Darstellung einer Sensoreinheit;
-
3 eine
schematische Darstellung einer in einer Gehäusewand angeordneten
Transceiver-Einheit;
-
4 eine schematische Darstellung einer als
Mobiltelefon ausgebildeten Bedieneinheit.
-
1 zeigt
schematisch eine Messvorrichtung 1 zur Bestimmung einer
physikalischen oder chemischen Messgröße eines
Messmediums in der industriellen Prozessmesstechnik. Die Messvorrichtung 1 umfasst
eine Sensoreinheit 3, eine Transceiver-Einheit 5 sowie
eine Bedieneinheit 7. Die Sensoreinheit 3 weist
einen Messaufnehmer 9 auf, der zumindest teilweise in das
(nicht dargestellte) Messmedium eingetaucht wird, um einen Messwert
der zu bestimmenden Messgröße zu erfassen. Bei
dem Messaufnehmer 9 kann es sich beispielsweise um einen potentiometrischen
oder amperometrischen Sensor, speziell eine pH-Glaselektrode, eine
ionen- bzw pH-sensitive Halbleiterelektrode oder eine ionenselektive
Membranelektrode, um einen optischen Sensor, einen Trübungssensor
oder einen konduktiven oder induktiven Leitfähigkeitssensor
handeln. Mittels einer im fest mit dem Messaufnehmer 9 verbundenen Sensorkopf 11 angeordneten
elektronischen Schaltung wird, wie im Zusammenhang mit 2 weiter unten
noch ausführlicher beschrieben wird, ein Sensorsignal erzeugt,
das mit der zu bestimmenden Messgröße korreliert
und so den momentan ermittelten Messwert der physlkalischen oder
chemischen Messgröße repräsentiert. Mit
dem Sensorkopf 11 ist das Sensorkopfgegenstück 13 lösbar
verbunden, welches über eine weiter unten detailliert beschriebene
Kommunikationsschnittstelle vom Sensorkopf 11 das Sensorsignal
oder ein davon abgeleitetes Signal erhält und weiterverarbeitet,
wobei die Weiterverarbeitung, insbesondere die Weiterleitung des
Sensorsignals oder eines daraus abgeleiteten Signals, an eine übergeordnete
Einheit 17 über die Kabelverbindung 15 erfolgt.
Die übergeordnete Einheit 17 kann beispielsweise
ein Messumformer, aber auch ein über einen Buskoppler unmittelbar
mit dem Sensorkopfgegenstück 13 verbundenes Prozessleitsystem (hier
nicht gezeigt) sein.
-
Die
Sensoreinheit 3 ist in einem Gehäuse 25 angeordnet,
beispielsweise in einem Gehäuse einer Prozessarmatur, die
dazu dient, den Messaufnehmer 9 gegenüber dem
Messmedium zu orientieren und zu positionieren, z. B. den Messaufnehmer 9 in
das Messmedium einzutauchen. Das Gehäuse 25 kann beispielsweise
aus Edelstahl bestehen. In der Wand des Gehäuses 25 ist
die Transceiver-Einheit 5 angeordnet. Die Transceiver-Einheit 5 umfasst
eine Funkeinheit 20, die zur Kommunikation mit einer Funkeinheit 23 im
Sensorkopfgegenstück 13 ausgelegt ist. Die Funkeinheit 23 kann
alternativ auch im Sensorkopf 11 angeordnet sein. Über
die Funkverbindung zwischen der Funkeinheit 23 und der
komplementären Funkeinheit 20 können
Daten von der Sensoreinheit 3 an die Transceiver-Einheit 5 bzw.
von der Transceiver-Einheit 5 an die Sensoreinheit 3 übertragen
werden. Die Funkeinheiten können beispielsweise als RFID-Systeme
ausgestaltet sein. Dann umfasst beispielsweise die Funkeinheit 20 der
Transceiver-Einheit 5 ein RFID-Schreib/Lese-Gerät
und die Funkeinheit 23 der Sensoreinheit 3 einen RFID-Transponder.
Es ist auch möglich statt der Funkeinheiten 23 und 20 eine
optische Schnittstelle (nicht dargestellt) vorzusehen, über
den Daten bidirektional zwischen der Transceiver-Einheit 5 und dem
Sensorkopf 11 bzw. dem Sensorkopfgegenstück 13 übertragen
werden können.
-
Die
Transceiver-Einheit 5 umfasst weiterhin einen Mobilfunk-Transceiver 19 sowie
eine Mobilfunkantenne 21. Diese bilden eine Schnittstelle
zu einem Mobilfunknetz 27, in das die Transceiver-Einheit 5 Daten,
insbesondere über die Funkeinheit 20 von der Sensoreinheit 3 erhaltene
Daten, in ein Mobilfunknetz 27 senden kann. Das Mobilfunknetz 27 genügt
einem internationalen Standard, zum Beispiel GSM, GPRS oder UMTS. Über
das Mobilfunknetz 27 werden die Daten weiter an die als
Mobiltelefon ausgestaltete Bedieneinheit 7 gesendet. Die
Bedieneinheit 7 kann umgekehrt auch Daten über
das Mobilfunknetz 27 an den Mobilfunk-Transceiver 19 senden.
Die Transceiver-Einheit 5 kann diese Daten dann über
die Funkeinheit 20 ins Innere des Gehäuses 25 an
die Funkeinheit 23 des Sensorkopfgegenstücks 13 weiterleiten.
Auf diese Weise ist eine bidirektionale Kommunikation zwischen der
Bedieneinheit 7 und der Sensoreinheit 3 gewährleistet,
bei der Daten über sehr weite Strecken über das
Mobilfunknetz 27 transferiert werden können.
-
Die
Kommunikation zwischen der Bedieneinheit 7 und der Transceiver-Einheit 5 kann
alternativ auch über ein internes Netz des Nutzers der
Messstelle erfolgen. Beispielsweise kann als Bedieneinheit ein Schnurlostelefon
nach dem DECT-Standard verwendet werden. Die Datenübertragung
erfolgt per Funk über eine Basisstation in das interne
Netz und von diesem über eine weitere Basisstation an einen entsprechenden
DECT-Transceiver, der in die Transceiver-Einheit integriert ist,
bzw. in umgekehrter Richtung. Für eine interne Kommunikation über
relativ kurze Entfernungen unter 300 m kann das interne Netz aus
einer einzigen Basisstation bestehen.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung der Sensoreinheit 3 mit dem
Messaufnehmer 9, dem mit dem Messaufnehmer 9 fest
verbundenen Sensorkopf 11 und dem lösbar mit dem
Sensorkopf 11 verbindbaren Sensorkopfgegenstück 13.
Der Sensorkopf 11 und das Sensorkopfgegenstück 13 sind
beispielsweise über eine Bajonettverschraubung miteinander
verbindbar.
-
Der
Sensorkopf 11 umfasst eine mit dem Messaufnehmer 9 zur Übertragung
des vom Messaufnehmer generierten analogen Messsignals verbundene
Signalverarbeitungseinheit SV, in der das analoge Messsignal vorverarbeitet,
zum Beispiel gefiltert oder verstärkt, wird. Über
einen Analog/Digital-Wandler A/D1 wird das Messsignal einem Mikrocontroller μC1
zugeführt, in dem eine weitere Verarbeitung des Messsignals
stattfindet. Über eine Kommunikationsschnittstelle S1 kann
der Mikrocontroller μC1 Daten senden und empfangen. Die
Kommunikationsschnittstelle S1 besteht aus einem Wandler W1 und
einer Spule L1 sowie einer Spannungsversorgungseinheit SVE1.
-
Das
Sensorkopfgegenstück 13 weist eine zur Kommunikationsschnittstelle
S1 entsprechende komplementäre Schnittstelle, die Kommunikationsschnittstelle
S2, auf. Diese umfasst eine Spule 12, einen optionalen
Verstärker V und einen Wandler W2. Der Wandler W2 ist mit
einem zweiten Mikrocontroller μC2 verbunden. Die Kommunikation
mit der übergeordneten Einheit 17 erfolgt kabelgebunden über eine
Kommunikationsschnittstelle S3, die zum Beispiel aus einem RS-485-Baustein
besteht. Das Kabel 15, das das Sensorkopfgegenstück 13 mit
der übergeordneten Einheit verbindet, weist vier Leitungen LG1,
LG2, LG3, LG4 auf, die von einer Abschirmung AS umgeben sind. Zwei
dieser Leitungen dienen der Kommunikation, während die
beiden anderen Leitungen der Energieübertragung zum Sensorkopfgegenstück 13 dienen.
Zur Energieversorgung des Sensorkopfgegenstücks 13 dient
eine Spannungsversorgungseinheit SVE2, die über die Leitungen
LG1 und LG2 von der übergeordneten Einheit 17 aus
versorgt wird.
-
Die
Datenübertragung zwischen den beiden komplementären
Kommunikationsschnittstellen S1 und S2 erfolgt über induktive
Kopplung. Gleichzeitig wird über diese Verbindung auch
Energie kabellos zum Sensorkopf 11 übertragen.
Diese Energie wird in der Spannungsversorgungseinheit SVE1 gewandelt und
in eine entsprechende Versorgungsspannung für die einzelnen
Bauelemente umgewandelt.
-
Zwischen
der übergeordneten Einheit 17 und der Sensoreinheit 3 werden
verschiedene Messdaten, Parametrierdaten oder sensorspezifische
Daten übertragen, wie zum Beispiel Messwerte mit Hauptmesswert
und Nebenmesswert (zum Beispiel als Hauptmesswert ein pH-Messwert
und als Nebenmesswert die Temperatur des Messmediums), Kalibrierdaten
wie Nullpunkt und Steigung, Datum/Uhrzeit der letzten Kalibrierung,
eine Kennung der verwendeten Kalibrationsmethode, Daten zum Sensorzustand,
Anzahl der bereits erfolgten Kalibrierzyklen, Hilfsparameter zur
Zustandsbewertung der Sensoreinheit, insbesondere zur prädiktiven
Diagnose, eine Sensorkennung mit Seriennummer, das Produktionsdatum,
die aktuell vorliegenden Hardware- und Software-Versionen, sowie
Informationen zur Messstelle, wie zum Beispiel eine Tag-Nummer,
Informationen zum Messwandler, wie zum Beispiel Messumfang oder
Erstinbetriebnahme.
-
Der
Sensorkopf 11 weist weiterhin eine Funkeinheit 23 auf.
Die Funkeinheit kann, wie in 1 dargestellt,
auch im Sensorkopfgegenstück 13 untergebracht
sein. Die Funkeinheit 23 ist mit dem Mikrocontroller μC1
verbunden. Wenn die Funkeinheit 23 im Sensorkopfgegenstück 13 untergebracht
ist, ist sie entsprechend mit dem Mikrocontroller μC2 verbunden.
Die Funkeinheit 23 entspricht beispielsweise einem Transponder,
wie sie vielfach in der RFID-Technologie eingesetzt werden. Sie
ist dafür ausgelegt, ohne fremde Energieversorgung nur
mit Hilfe der Funkenergie zu arbeiten. Die Funkeinheit 23 weist
eine Antenne A1 auf. Zusätzlich kann die Funkeinheit 23 wie
im vorliegenden Fall noch mit der Spannungsversorgungseinheit SVE1
verbunden sein. Dadurch können Daten aus einem in der Funkeinheit 23 vorgesehenen
Speicher, zum Beispiel einem EEPROM-Speicher auch ausgelesen werden, wenn
gerade keine Funkenergie zur Verfügung steht.
-
Sensorkopf 11 und
Sensorkopfgegenstück 13 umfassen jeweils mindestens
einen zusätzlichen Datenspeicher D1 bzw. D2, in denen beispielsweise die
oben genannten sensorspezifischen Daten gespeichert werden können.
Daten zur Übertragung durch die Funkeinheit 23 an
die Transceiver-Einheit 5 kann die Funkeinheit 20 beispielsweise über
eine elektrisch leitfähige Verbindung, zum Beispiel eine serielle
Schnittstelle, vom Mikrocontroller μC1 erhalten oder über
einen vom Mikrocontroller μC1 und der Funkeinheit 20 gemeinsam
genutzten Datenspeicher.
-
In 3 ist
die Transceiver-Einheit 5, die in der Wand des Gehäuses 25 angeordnet
ist, im Detail dargestellt. Die Transceiver-Einheit 5 umfasst
eine Funkeinheit 20, die beispielsweise als RFID-Schreib/Lese-Gerät
ausgestaltet ist. Diese Funkeinheit 20 besitzt eine Antenne 22,
die Kontakt mit dem Inneren des Gehäuses 25 hat.
Somit ist eine ungehinderte, insbesondere durch das aus Edelstahl bestehende
Gehäuse 25 nicht behinderte, Funkübertragung
zwischen der Funkeinheit 20 der Transceiver-Einheit 5 und
der in 1 gezeigten Funkeinheit 23 der Sensoreinheit 3 sichergestellt.
Alternativ kann die Funkverbindung zwischen dem Sensorkopf 11 bzw.
dem Sensorkopfgegenstück 13 und der Transceiver-Einheit 5 auch über
eine WLAN- oder bluetooth-Schnittstelle erfolgen. Anstelle der Funkeinheit 20 kann,
wie weiter oben bereits erwähnt, auch eine optische Schnittstelle
zur Kommunikation mit der Sensoreinheit 3 vorgesehen sein.
Auch eine kabelgebundene Kommunikation zwischen der Sensoreinheit 3 und
der Transceiver-Einheit 5 ist denkbar.
-
Die
Funkeinheit 20, die einen EEPROM-Speicher 31 umfasst,
kann entweder direkt mit dem Mobilfunk-Transceiver 19 und/oder
mit einem in der Transceiver-Einheit 5 angeordneten Mikrocontroller 29 verbunden
sein. Von der Sensoreinheit 3 empfangene Daten können
somit entweder an den Mobilfunk-Transceiver 19 oder an
den Mikrocontroller 29 überfragen werden. Im Mikrocontroller 29 empfangene
Daten können dort weiterverarbeitet werden und die daraus
abgeleiteten Daten oder die Originaldaten im EEPROM-Speicher 31 abgelegt, und
aus diesem von dem Mobilfunk-Transceiver 19 ausgelesen
werden. Der Mobilfunk-Transceiver 19 umfasst eine Mobilfunkantenne 21, über
die Daten in ein Mobilfunknetz übertragen werden können.
Die Übertragung erfolgt über eine Mobilfunk-Schnittstelle der
eingangs beschriebenen Art.
-
Zur
Versorgung der Transceiver-Einheit 5 mit Energie ist eine
Energieversorgungseinheit 35 vorgesehen. Diese ist vorzugsweise
als autarke Energieversorgungseinheit, zum Beispiel als Batterie
oder als Brennstoffzelle ausgestaltet oder als nach dem Prinzip
des sog. „Energy Harvesting” funktionierende autarke
Energieversorgungseinheit, die beispielsweise Strom aus der Umgebungstemperatur,
aus Vibrationen oder aus Luftströmungen erzeugt. Es kann sich
bei der Energieversorgungseinheit auch um eine Solarzelle handeln.
Im Beispiel der 3 umfasst die Energieversorgungseinheit 35 ein
Peltierelement, das Temperaturerhöhungen innerhalb des
Gehäusesinnenraums des Gehäuses 25 in
elektrische Energie umwandelt, um die Funkeinheit 20, den
Mobilfunk-Transceiver 19 und gegebenenfalls den Mikrocontroller 29 mit
Strom zu versorgen.
-
In 4a)
und b) ist die als Mobiltelefon ausgestaltete Bedieneinheit 7 gezeigt.
In der Bedieneinheit 7 ist eine Datenbank gespeichert,
in der die zu überwachenden und zu steuernden Messstellen
abgelegt sind. Jede Messstelle umfasst eine Sensoreinheit 3,
der genau eine Transceiver-Einheit 5 zugeordnet ist. Der
Transceiver-Einheit ist eine eindeutige Telefonnummer zugeordnet,
die sich einer Messstellenkennzeichnung oder einer Tag-Nummer der
zugehörigen Sensoreinheit 3 zuordnen lässt.
Durch Auswahl der Messstellenkennzeichnung in einem im Display 33 der
Bedieneinheit 7 dargestellten Liste wird automatisch das
Anwählen der zur entsprechenden Messstelle gehörigen
Transceiver-Einheit-Telefonnummer ausgelöst. Auf diese
Weise wird über das Mobilfunknetz 27 eine Kommunikation
mit der Transceiver-Einheit 5 und der entsprechend zugeordneten Sensoreinheit 3 angestoßen.
-
Sobald
die Verbindung zwischen der Bedieneinheit 7 und der Transceiver-Einheit 5 hergestellt ist,
erscheint im Display 33 der Bedieneinheit 7 die Anzeige
eines Benutzerinterface zur Anzeige von Sensordaten der Sensoreinheit 3 und
wahlweise zur Eingabe von Befehlen oder Daten, wie zum Beispiel Parametrierdaten,
die an die Sensoreinheit 3 gesendet werden sollen. In der
Darstellung der 4b) werden beispielsweise im
Display 33 der Bedieneinheit 7 der aktuelle Hauptmesswert,
hier ein pH-Messwert, und der von der Sensoreinheit als Nebenmesswert
erfasste aktuelle Temperaturwert angezeigt. Über eine Menüsteuerung
im Display 33 können weitere Daten aus der Sensoreinheit 3 abgerufen
und im Display 33 dargestellt werden. Weiterhin können über
eine Menüführung Daten und Steuerbefehle an die
Sensoreinheit 3 weitergeleitet werden.
-
Die
Anwahl einer Messstelle über die in 4a) dargestellte
in der Bedieneinheit 7 hinterlegte Liste kann mit einem
Passwort belegt sein. Auf diese Weise kann eine Bedienperson erst
dann mit der Transceiver-Einheit 5 der Messstelle aufnehmen, wenn
sie das entsprechende Passwort eingegeben hat.
-
Bei
der Kommunikation zwischen einer Bedieneinheit 7, insbesondere
einem Mobiltelefon, und der Transceiver-Einheit 5 über
ein Mobilfunknetz ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der
Aufbau der Verbindung zwischen der Bedieneinheit 7 und
der Transceiver-Einheit 5. Sobald eine Verbindung aufgebaut
ist, kann die Kommunikation sehr schnell, d. h. nahezu in Echtzeit
erfolgen. Um zu vermeiden, dass eventuell auftretende Störungen
während der Übertragung eines Datenpaketes von
der Bedieneinheit 7 an die Sensoreinheit 3 dazu
führen, dass nur ein Teil des Datenpakets übermittelt
wird und auf diese Weise gegebenenfalls ein gesendeter Steuerbefehl
falsch interpretiert wird und zu Schaden an der Sensoreinheit 3 führen
kann, kann vorgesehen werden, dass der entsprechende Steuerbefehl erst
umgesetzt wird, wenn das gesamte Datenpaket übermittelt
ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1206012
A1 [0005]
- - DE 10218606 A1 [0005]
- - WO 02/05241 A1 [0007]
- - DE 102005041862 A1 [0008]
- - EP 1206012 A2 [0022]
