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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messanordnung gemäß Patentanspruch 9.
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Bisher werden Sensoren dauerhaft oder in einem fest vorgegebenen oder einem einstellbarem Zeitraster betrieben. Manche Messungen werden nur wenige Male pro Tag, Woche oder Jahr oder sogar nie ausgeführt. Dies kann bspw. bei einer Messanordnung mit einer zusätzlichen Überfüllsicherung, bspw. einer Grenzstanderfassung, die als Redundanz zu einer kontinuierlichen Füllstandmessung eingesetzt wird, der Fall sein.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Messanordnungen bekannt, die bspw. zyklisch oder nach einem fest vorgegebenen Zeitraster betrieben werden, d. h. dass die Messanordnung in festen Zeitabständen oder nach einem vorgegebenen Zeitplan zur Durchführung einer Messung aktiviert und nach Abschluss der Messung wieder in einen Standby-Betrieb versetzt wird. Durch dieses Vorgehen kann gegenüber einem durchgehenden Betrieb der Messanordnung bereits ein Großteil der von der Messanordnung verbrauchten Energie eingespart werden.
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Dennoch verbrauchen die dafür eingesetzten Sensoren sowie deren Messelektronik deutlich mehr Energie als eigentlich notwendig wäre. Aus diesem Grund ist bspw. bei batteriebetriebenen Messgeräten ein regelmäßiger Austausch von verbrauchten Batterien oder Akkumulatoren notwendig, was zusätzlich zu den Kosten für die auszutauschenden Energiespeicher, auch zusätzlichen Wartungsaufwand verursacht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung so weiterzubilden, dass der notwendige Wartungsaufwand und die dadurch verursachten Kosten weiter reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem Messgerät zur Erfassung einer Messgröße und einer Aktivierungseinrichtung wobei das Messgerät von der Aktivierungseinrichtung durch ein Aktivierungssignal aktivierbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Aktivierungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie das Aktivierungssignal bei einer vorgegebenen Zustandsänderung des Mediums erzeugt und an das Messgerät überträgt.
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Ein Messgerät zur Erfassung einer Messgröße kann bspw. ein Feldgerät der Prozessautomatisierung sein. Solche Feldgeräte können bspw. als Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte, Druckmessgeräte oder dergleichen ausgebildet sein.
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Unter einer Zustandsänderung des Mediums soll in der vorliegenden Anmeldung jede erfassbare Änderung eines Zustands des in einem Prozessraum zu überwachenden Mediums verstanden werden. Solche Zustandsänderungen können bspw. Temperaturänderungen, Änderungen des Füllstandes über/unter einen vorgegebenen Füllstand und Änderungen des Drucks sein. Die Zustandsänderung steht bevorzugt in Zusammenhang mit der von dem Messgerät zu überwachenden Messgröße, d. h. wenn das Messgerät einen Grenzstand überwacht, kann die Zustandsänderung das Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Füllstandes sein, wenn das Messgerät eine Grenztemperatur überwacht, kann die Zustandsänderung ein Über- oder Unterschreiten einer Temperatur sein. Die von der Aktivierungseinrichtung überwachte Zustandsänderung liegt dabei vorzugsweise in einem Sicherheitsabstand zu der von dem Messgerät zu überwachenden Messgröße.
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Dadurch, dass von der Aktivierungseinrichtung die Zustandsänderung erfasst und basierend darauf das Aktivierungssignal erzeugt und an das Messgerät übermittelt wird, kann das Messgerät grundsätzlich in einem Zustand mit reduziertem Energieverbrauch betrieben werden, bspw. einem Standby-Zustand, in dem wesentliche Energieverbraucher des Messgeräts, bspw. ein Sensor zur Erfassung der Messgröße, eine Messelektronik zur Verarbeitung des Sensorsignals und bspw. Schnittstellen zu übergeordneten Einheiten, außer Betrieb sein können. Es muss lediglich eine Aufweckschaltung betrieben werden, die bei Empfang des Aktivierungssignals das Messgerät in einen Messzustand überführt.
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Auf diese Weise kann im Vergleich zu einem dauerhaften oder zyklischen Betrieb des Messgeräts ein erheblicher Anteil an Energie eingespart werden und so insbesondere eine Betriebsdauer von batteriebetriebenen Messgeräten erheblich verlängert werden. Notwendige Wartungsintervalle zum Austausch der Batterien werden dadurch verlängert, was personal- und kostenintensive Wartungsarbeiten einspart.
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Das Messgerät kann eine Überwachungseinrichtung zum Empfang des Aktivierungssignals aufweisen. Eine solche Überwachungseinrichtung kann bei einer kabelgebundenen Verbindung zwischen der Aktivierungseinrichtung und dem Messgerät bspw. als Komparator, als Externer Interrupt am Controller, der eine Änderung eines Pegels detektiert oder eine spezielle Flanke überwacht, bspw. eine steigende Flanke, oder eine sinkende Flanke, ausgebildet sein. Alternativ kann an einem Eingang eines Analog-Digital-Konverters des Controllers oder an einer Universal Asynchronous Receiver Transmitter Schnittstelle des Controllers eine Flanken- oder Pegelüberwachung stattfinden, je nachdem welcher Schlafmodus aktiviert worden ist, d. h. insbesondere, welche Schnittstellen noch aktiv sind, um ein Aktivierungssignal zu empfangen. Ferner können Relais, Transistoren oder Optokoppler zum Einsatz kommen. Bei einer kabellosen Verbindung kann die Überwachungseinrichtung bspw. ein Empfänger für Funksignale nach einem der Standards Bluetooth-Low-Energy, ZigBee, WirelessHART, EnOcean, Lorawan oder Sigfox ausgebildet sein.
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Die Aktivierungseinrichtung kann in einer Ausgestaltungsform ein Funkmodul zur drahtlosen Übertragung des Aktivierungssignals aufweisen. Das Funkmodul kann bspw. ein Nahdistanzfunkmodul mit geringem Energieverbrauch sein. Solche Funkmodule arbeiten bspw. nach den oben genannten Standards.
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Die Aktivierungseinrichtung weist bevorzugt eine Energy-Harvesting-Einheit auf, die ausreichend Energie zur Erzeugung und Übertragung des Aktivierungssignals bereitstellt. Durch eine solche Energy-Harvesting-Einheit kann die Aktivierungseinrichtung energieautark, d. h. ohne externe Energieversorgung, bspw. durch ein Netzgerät betrieben werden. Batterien oder Akkus können, müssen aber nicht eingesetzt werden.
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Insbesondere kann die Energy-Harvesting-Einheit einen Energiewandler aufweisen, der ausreichend Energie zur Erzeugung und Übertragung des Aktivierungssignals bereitstellt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Energy-Harvesting-Einheit einen Energiespeicher mit zusätzlicher Energie und/oder zur Speicherung von Energie aus dem Energiewandler aufweisen. Mit einem Energiespeicher kann so bspw. Energie aus dem Energiewandler zum Betrieb der Aktivierungseinrichtung zwischengespeichert und gesammelt werden. Auf diese Weise kann die Aktivierungseinrichtung auch betrieben werden, wenn der Energiewandler zeitweise nicht genug Energie zum Betreiben der Aktivierungsanordnung zur Verfügung stellt. Der Energiespeicher kann bspw. als Akkumulator, als Batterie oder als Kondensator ausgebildet sein und als Backup, d. h. für den Fall, dass der Energiewandler zu dem Zeitpunkt, an dem das Aktivierungssignal erzeugt werden soll, nicht genug Energie zur Verfügung stellt, und/oder Energiezwischenspeicher oder Puffer, der durch den Energiewandler auch wieder geladen wird, ausgebildet sein.
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Als Energy Harvesting bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie mittels Energiewandlern aus der Umgebung. Dies können bspw. Energiewandler zur Gewinnung elektrischer Energie durch die Energieumwandlung aus in der Umgebung vorhandener kinetischer, thermischer, elektromagnetischer Energie sein
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So kann bspw. ein in einem Tank steigender oder sinkender Pegel mittels eines Schwimmers in kinetische Energie und die kinetische Energie mittels eines Piezoelements in elektrische Energie umgewandelt werden. Analog kann bspw. eine Temperaturdifferenz zwischen einem Medium und der Umgebung oder zwischen dem Medium und einem Messelement mit Hilfe eines Peltier-Elements in elektrische Energie umgewandelt werden. Alternativ kann eine Energieumwandlung auch durch elektromagnetische Induktion erfolgen.
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Die Aktivierungsanordnung kann einen Schwimmer zur Betätigung des Energiewandlers und/oder zur Überwachung der Zustandsänderung aufweisen. Ein solcher Schwimmer kann in Flüssigkeiten bspw. einen Grenzstand der Flüssigkeit überwachen und die Erzeugung und Übermittlung des Aktivierungssignals auslösen, wenn der Schwimmer über einen bestimmten Pegel aufschwimmt, und/oder unter einen bestimmten Pegel absinkt. Gleichzeitig kann der Schwimmer mit dem Energiewandler gekoppelt sein und durch die auf ihn wirkende Auftriebskraft oder Gewichtskraft den Energiewandler speisen, der dann die Energie zum Betrieb der Aktivierungsanordnung generiert.
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Durch einzelne oder eine Kombination der vorstehenden Maßnahmen ist es möglich, dass das Messgerät batteriebetrieben ausgebildet ist. Dadurch, dass das Messgerät nur aktiviert wird, wenn es tatsächlich notwendig ist, wird der Energieverbrauch so weit reduziert, dass ein Batteriebetrieb ermöglicht wird.
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Die Aktivierungsanordnung kann gleichzeitig auch zur Deaktivierung des Messgeräts ausgebildet sein, wenn die Zustandsänderung des Mediums in umgekehrter Richtung stattfindet. Alternativ kann das Messgerät auch nach einer vorgegebenen Zeitdauer wieder in den Zustand mit reduziertem Energieverbrauch versetzt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren, bei dem das Messgerät in einem Zustand mit verringertem Energieverbrauch betrieben wird, die Aktivierungseinrichtung ein Aktivierungssignal erzeugt und an das Messgerät überträgt, wenn eine vorgegebene Zustandsänderung des Mediums auftritt, und das Messgerät bei Empfang des Aktivierungssignals in einen Messzustand überführt wird.
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Dadurch, dass das Messgerät in einem Zustand mit verringertem Energieverbrauch betrieben wird, kann ein Energieverbrauch des Messgerätes deutlich reduziert werden. Insbesondere bei batteriebetriebenen Messgeräten werden dadurch Wartungsintervalle aufgrund eines Batteriewechsels deutlich verlängert, sodass ein deutlich reduzierter Wartungsaufwand erreicht wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erzeugt die Aktivierungseinrichtung auch ein Deaktivierungssignal und überträgt dieses an das Messgerät, wenn eine zweite vorgegebene Zustandsänderung des Mediums, insbesondere eine der ersten Zustandsänderung entgegengesetzte Zustandsänderung des Mediums, auftritt, wobei das Messgerät bei Empfang des Deaktivierungssignals in einen Zustand mit verringertem Energieverbrauch überführt wird.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Messgerät nach einer ersten Aktivierung nicht in dem Zustand mit erhöhtem Energieverbrauch verbleibt, sondern sobald wie möglich wieder in den Zustand mit reduziertem Energieverbrauch versetzt wird.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung mit abgesetzter Aktivierungseinrichtung,
- 2 das Ausführungsbeispiel aus 1 bei Eintritt der Zustandsänderung des Mediums,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung mit in das Messgerät integrierter Aktivierungseinrichtung und externer Energieversorgung und
- 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 100 gemäß der vorliegenden Anmeldung mit einem als Radarfüllstandmessgerät 12 ausgebildete Messgerät und einer von dem Radarfüllstandmessgerät 12 abgesetzten Aktivierungseinrichtung 13. Das Radarfüllstandmessgerät 12 und die Aktivierungseinrichtung 13 sind an einem Behälter 10, der zur Aufnahme eines Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit, ausgebildet ist, angeordnet. Das Radarfüllstandmessgerät 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel oberseitig an dem Behälter 10 angeordnet und dort beispielsweise über einen als Flansch ausgebildeten Prozessanschluss mit dem Behälter 10 verbunden. Das Radarfüllstandmessgerät 12 misst einen Füllstand des in dem Behälter 10 befindlichen Mediums durch Bestimmung einer Laufzeit von mittels eines Sensors 4 ausgesendeten Radarsignalen.
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Dem Sensor 4, vorliegend einem Radarsensor, ist eine Messelektronik 3 zur Verarbeitung der von dem Sensor 4 ermittelten Messsignale sowie zur Steuerung und der Messabläufe nachgeschaltet und über eine Überwachungseinrichtung 2 mit einer in das Radarfüllstandmessgerät 12 integrierten Spannungsversorgung 1 verbunden. Die Überwachungseinrichtung 2 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine als Schalter 9 symbolhaft dargestellte Unterbrechungseinrichtung auf, die eine Spannungsversorgung der Messelektronik 3 und des Sensors 4 unterbrechen kann. Alternativ zu einer Unterbrechung der Spannungsversorgung können die Messelektronik 3 und der Sensor 4 auch in einen lowpower StandbyBetrieb, d. h. einen Betriebszustand mit stark reduziertem Energiebedarf, versetzt werden.
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Die Überwachungseinrichtung 2 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Funkempfänger auf, der mit einem Funkmodul, das in der Aktivierungseinrichtung 13 angeordnet ist, kommunizieren kann.
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Die Aktivierungseinrichtung 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel seitlich an dem Behälter 10 angeordnet und weist einen dem Funkmodul 8 vorgeschalteten Energiewandler 5 auf. Der Energiewandler 5 kann auch Bestandteil eines Energy-Harvesting-Moduls zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Umgebung der Aktivierungseinrichtung 13 sein. Ein solches Energy-Harvesting-Modul kann zusätzlich zu dem Energiewandler 5 auch einen Energiespeicher 7, beispielsweise eine Batterie oder einen Kondensator aufweisen. Der Energiewandler 5 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer mechanischen Einheit 15, die den Energiewandler 5 betätigt, gekoppelt. Die mechanische Einheit 15 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Schwimmer ausgebildet, der den Energiewandler 5 einerseits bei einem Absinken des Flüssigkeitspegels in dem Behälter 10 unter einer Füllhöhe, an der die Aktivierungseinrichtung 13 angeordnet ist durch die auf ihn wirkende Schwerkraft betätigt und andererseits bei einem Ansteigen des Flüssigkeitspegels über eine Füllhöhe, an der die Aktivierungseinrichtung 13 angeordnet ist, durch die auf den Schwimmer wirkende Auftriebskraft betätigt.
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In 2 ist das Ausführungsbeispiel aus 1 bei Eintritt der Zustandsänderung des Mediums 6, d. h. im vorliegenden Fall bei einem Ansteigen des Flüssigkeitspegels in dem Behälter 10 über eine Füllhöhe, an der die Aktivierungseinrichtung 13 angeordnet ist, gezeigt.
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Durch die auf die mechanische Einheit 15 wirkende Auftriebskraft wird dem Energiewandler 5 mechanische Energie zugeführt, die durch den Energiewandler 5 in elektrische Energie zur Aussendung eines Aktivierungssignals gewandelt wird. Mit der durch den Energiewandler 5 erzeugten elektrischen Energie wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Funkmodul 8 der Aktivierungseinrichtung 13 betätigt und das Aktivierungssignal über das Funksignal 17 an die Überwachungseinrichtung 2 des Messgeräts 12 gesendet. Auf das Aktivierungssignal hin wird das Messgerät 12 bzw. dessen Messelektronik 3 und Radarsensor 4 mit der Spannungsversorgung 1 verbunden und damit in einen Messbetrieb versetzt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Messgerät 12 mit einer als Batterie ausgebildeten und in das Messgerät 12 integrierten Spannungsversorgung 1 versehen.
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Sinkt in dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Pegel der Flüssigkeit 6 in dem Behälter 10 wieder unter die Füllhöhe, an der die Aktivierungseinrichtung 13 angeordnet ist, so wird erneut ein Funksignal 17 von der Aktivierungseinrichtung 13 ausgesendet, dass das Messgerät 12 wieder in den Zustand mit reduziertem Energieverbrauch versetzt. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden also die Messelektronik 3 und der Radarsensor 4 von der Spannungsversorgung 1 getrennt und lediglich die Überwachungseinrichtung 2 bleibt weiterhin mit Energie versorgt.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 100 gemäß der vorliegenden Anmeldung. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielhaft ein Grenzstandmessgerät 11 gezeigt. Das Grenzstandmessgerät 11 weist abgesehen von der Sensorik die gleichen Komponenten auf, wie das Radarfüllstandmessgerät 12 der 1 und 2, wobei in 3 eine Ausgestaltung mit einer in das Grenzstandmessgerät 11 integrierten Aktivierungseinrichtung 13 und einer externen Spannungsversorgung 1, die beispielsweise durch ein Netzgerät realisiert sein kann, gezeigt ist.
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Das Grenzstandmessgerät 11 ist ebenfalls von oben her an dem Behälter 10 angeordnet. Eine Aktivierung des Messgeräts 12 erfolgt, wenn ein Pegel des in dem Behälter 10 befindlichen Mediums 6 einen Pegel überschreitet, bei dem die mechanische Einheit 15 der Aktivierungseinrichtung 13 in das Medium 6 eintaucht. Die mechanische Einheit 15 wird in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Wellenbewegung des Mediums 6, das vorliegend eine Flüssigkeit ist, in Bewegung versetzt und betätigt damit den Energiewandler 5, der aus der durch die Wellen hervorgerufenen Bewegung der mechanischen Einheit 15 elektrische Energie zur Aktivierung der Überwachungseinrichtung 2 und damit zur Verbindung der Messelektronik 3 und des Sensors 4 des Messgeräts 11 mit der Energieversorgung 1 erzeugt.
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In einer alternativen Ausgestaltung des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels kann anstelle der mechanischen Einheit 15 auch eine Leitfähigkeitsmessung stattfinden, sodass bei einem leitenden Medium ein elektrischer Kontakt hergestellt wird und damit die Aktivierungseinrichtung 13 ein Aktivierungssignal an die Überwachungseinrichtung 2 übermittelt.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 100 gemäß der vorliegenden Anmeldung, wobei diese im Wesentlichen der Ausgestaltung gemäß 3 entspricht, wobei im Unterschied zu 3 die Spannungsversorgung 1 in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel in das Grenzstandmessgerät 11 integriert ist. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist damit wieder eine Batterie oder ein Akkumulator als Spannungsversorgung 1 des Messgeräts vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannungsversorgung
- 2
- Überwachungseinrichtung
- 3
- Messelektronik
- 4
- Sensor
- 5
- Energieumwandler
- 6
- Medium/Füllgut
- 7
- Energiespeicher
- 8
- Funkmodul
- 9
- Schalter
- 10
- Behälter
- 11
- Grenzstandmessgerät
- 12
- Radarmessgerät
- 13
- Aktivierungseinrichtung
- 15
- mechanische Einheit, Schwimmer
- 17
- Funksignal
- 100
- Messanordnung
