DE102019116636A1 - Sensorvorrichtung und Fluiddurchfluss-Messanordnung mit einer derartigen Sensorvorrichtung - Google Patents

Sensorvorrichtung und Fluiddurchfluss-Messanordnung mit einer derartigen Sensorvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (12) mit einem Erregermagneten (20) zur Erzeugung eines alternierenden Erregermagnetfelds, einem Energiegenerator (22) mit einem Impulsdraht-Modul (24), in dem durch das alternierende Erregermagnetfeld elektrische Energiepulse erzeugbar sind, mindestens einem Sensorelement (32,34) zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines Sensorsignals, einer Auswerteeinheit (36) zur Auswertung des mindestens einen Sensorsignals, und einer Funk-Datenschnittstelle (38), die über eine Datenverbindung mit der Auswerteeinheit verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (32,34) und die Auswerteeinheit (36) jeweils elektrisch mit dem Energiegenerator (22) verbunden sind und durch diesen mit elektrischer Energie versorgbar sind, sowie eine Fluiddurchfluss-Messandordnung (10) mit einer derartigen Sensorvorrichtung (12).Die erfindungsmäße Sensorvorrichtung (12) beziehungsweise Fluiddurchfluss-Messandordnung (10) erfordert weder zur Energieversorgung noch zur Datenübertragung eine externe Kabelverbindung und ist daher kostengünstig auch an schwer zugänglichen Messstellen installierbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einem Erregermagneten zur Erzeugung eines alternierenden Erregermagnetfelds, einem Energiegenerator mit einem Impulsdraht-Element, in dem durch das alternierende Erregermagnetfeld elektrische Energiepulse erzeugbar sind, mindestens einem Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines Sensorsignals, einer Auswerteeinheit zur Auswertung des Sensorsignals. Die Erfindung betrifft ferner eine Fluiddurchfluss-Messanordnung mit einer derartigen Sensorvorrichtung.
  • Derartige Sensorvorrichtungen beziehungsweise Fluiddurchfluss-Messanordnungen können beispielsweise in komplexen Industrieanlagen verwendet werden. Hierbei können derartige Sensorvorrichtungen beispielsweise zur Erfassung der Drehbewegung einer Maschinenwelle verwendet werden, und können derartige Fluiddurchfluss-Messanordnungen beispielsweise zur Erfassung des Durchflusses einer Gas- oder Flüssigkeitsleitung verwendet werden.
  • Aus der EP 2 479 542 B1 ist beispielsweise eine Fluiddurchfluss-Messanordnung mit einer derartigen Sensorvorrichtung bekannt, wobei der Erregermagnet der Sensorvorrichtung an einer durch einen Gasdurchfluss angetriebenen Welle angeordnet ist. Die offenbarte Sensorvorrichtung umfasst einen Positionssensor zur Erfassung eines aktuellen Drehwinkels der Welle sowie einen Temperatursensor und einen Drucksensor zur Erfassung der aktuellen Temperatur und des aktuellen Drucks des die Fluiddurchfluss-Messanordnung durchströmenden Gases. Bei der offenbarten Sensorvorrichtung werden im Betrieb durch das von dem Erregermagneten erzeugte alternierende Erregermagnetfeld in dem Impulsdraht-Element des Energiegenerators elektrische Energiepulse erzeugt. Die derart erzeugte elektrische Energie ist hierbei ausreichend, um sowohl die mehreren Sensorelemente als auch die Auswerteeinheit mit der jeweils für den Betrieb benötigten elektrischen Energie zu versorgen. Die Sensorvorrichtung der offenbarten Fluiddurchfluss-Messanordnung arbeitet folglich energieautark, sodass für den Betrieb der Fluiddurchfluss-Messanordnung keine externe Energiezufuhr erforderlich ist.
  • Zum Auslesen der erfassten und/oder ermittelten Ausgabeparameter ist bei der offenbarten Sensorvorrichtung beziehungsweise Fluiddurchfluss-Messanordnung jedoch eine kabelgebundene Datenverbindung erforderlich. Es muss folglich entweder eine aufwendig installierte dauerhafte Kabelverbindung zu der Sensorvorrichtung beziehungsweise zu der Fluiddurchfluss-Messanordnung vorgesehen sein, oder die Sensorvorrichtung beziehungsweise Fluiddurchfluss-Messanordnung muss an einer relativ leicht zugänglichen Messteile installiert sein, sodass zum Auslesen bei Bedarf ein Kabel mit der Sensorvorrichtung beziehungsweise Fluiddurchfluss-Messanordnung verbindbar ist.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Sensorvorrichtung beziehungsweise eine Fluiddurchfluss-Messanordnung zu schaffen, die kostengünstig auch an schwer zugänglichen Messstellen installierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch eine Fluiddurchfluss-Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst einen Erregermagneten zur Erzeugung eines alternierenden Erregermagnetfelds. Typischerweise ist der permanentmagnetische Erregermagnet derart an einer drehbaren Welle angebracht, dass durch eine Drehbewegung der Welle das alternierende Erregermagnetfeld erzeugt wird. Alternativ kann der Erregermagnet jedoch auch an einer Vorrichtung angebracht sein, die sich linear vor und zurück oder auf einer beliebigen geschlossenen Kurvenbahn bewegt. In jedem Fall wird durch die Bewegung des permanentmagnetischen Erregermagneten ein alternierendes Erregermagnetfeld erzeugt, also ein Erregermagnetfeld, bei dem sich die Polarität kontinuierlich umkehrt, also die (effektive) Richtung der Feldlinien im zeitlichen Verlauf kontinuierlich wechselt.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst einen Energiegenerator mit einem Impulsdraht-Modul, in dem durch das alternierende Erregermagnetfeld elektrische Energiepulse erzeugbar sind. Das Impulsdraht-Modul weist im Allgemeinen einen Impulsdraht - auch als Wiegand-Draht bezeichnet - und eine den Impulsdraht-Draht radial umschließende Spulenanordnung auf. Die Magnetisierungsrichtung des Impulsdrahts klappt unter Einwirkung eines externen Magnetfelds schlagartig um, sobald eine spezifische Auslösefeldstärke überschritten wird. Hierdurch wird in der Spulenanordnung ein kurzer Spannungspuls mit einer definierten elektrischen Energie erzeugt. Das Umklappen der Magnetisierungsrichtung des Impulsdrahts wird nachfolgend auch als „Auslösen““ des Impulsdraht-Moduls bezeichnet. Das Impulsdraht-Modul weist typischerweise einen einzigen Impulsdraht auf, kann jedoch auch mehrere Impulsdrähte aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines Sensorsignals. Das Sensorelement kann beispielweise ein Temperatursensor zur Erfassung einer Vorrichtungstemperatur und/oder einer Fluidtemperatur sein, oder ein Drucksensor zur Erfassung eines Fluiddrucks sein. Das Sensorelement kann beispielsweise auch ein Bewegungs- und/oder Beschleunigungssensor zur Erfassung der Bewegung - auch von Vibrationen oder kurzzeitigen Erschütterungen - und/oder der räumlichen Ausrichtung einer Vorrichtung sein. Auch denkbar sind beispielsweise ein Kraftsensor, ein Magnetfeldsensor, ein Feuchtigkeitssensor, ein Schalldrucksensor und/oder ein Helligkeitssensor. Grundsätzlich kann das Sensorelement jede beliebige Art von Sensor sein, der ausgebildet ist, eine physikalische Größe zu erfassen und ein von der erfassten Größe abhängiges Sensorsignal bereitzustellen. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann ein einziges Sensorelement aufweisen, oder kann mehrere verschiedenartige oder gleichartige Sensorelemente aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit zur Auswertung des mindestens einen Sensorsignals. Für die Sensorsignal-Übertragung ist die Auswerteeinheit vorzugsweise elektrisch mit dem mindestens einen Sensorelement verbunden. Die Auswerteeinheit kann jedoch grundsätzlich über jede Art von Datenverbindung mit dem mindestens einen Sensorelement verbunden sein. Die Auswerteeinheit wertet das empfangene Sensorsignal auf eine vordefinierte Art und Weise aus, um mindestens einen Ausgabeparameter zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann einen Microkontroller aufweisen oder vollständig durch einen Microkontroller ausgebildet sein. Die Auswerteeinheit kann jedoch grundsätzlich durch jede beliebige elektrische Schaltung gebildet sein, die geeignet ist, das mindestens eine Sensorsignal auszuwerten und einen Ausgabeparameter zu bestimmen.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst eine Funk-Datenschnittstelle, die über eine Datenverbindung mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Die Funk-Datenschnittstelle ermöglicht eine kabellose Kommunikation mit einem externen EDV-System mit einer geeigneten Empfangsschnittstelle, und ermöglicht insbesondere ein kabelloses Auslesen beziehungsweise Übermitteln des von der Auswerteeinheit ermittelten Ausgabeparameters. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist somit grundsätzlich auch für eine Anbindung an das sogenannte „Internet der Dinge“ (IoT: Internet of Things) geeignet. Die Funk-Datenschnittstelle kann beispielsweise auf den bekannten Schnittstellen-Standards/-Spezifikationen „(Passive) Wi-Fi“, „LoRa (Backscatter)“, „Bluetooth““, „SigFox“, „ZigBee““ oder „RFID““ basieren. Grundsätzlich kann die Funk-Datenschnittstelle jedoch durch jede beliebige Art von elektrischer Schaltung gebildet sein, die eine kabellose Datenübertragung ermöglicht. Vorzugsweise ist die Funk-Datenschnittstelle derart ausgebildet, dass die für den Betrieb der Funk-Datenschnittstelle benötigte elektrische Energie von der Funk-Datenschnittstelle selbst erzeugbar ist, beispielweise aus einfallender elektromagnetischer Strahlung. Alternativ kann die Funk-Datenschnittstelle jedoch auch derart ausgebildet sein, dass sie durch den Energiegenerator mit der benötigten elektrischen Energie versorgbar ist.
  • Erfindungsgemäß sind das mindestens eine Sensorelement und die Auswerteeinheit jeweils elektrisch mit dem Energiegenerator verbunden und durch diesen mit der jeweils benötigten elektrischen Energie versorgbar. Die einzelnen Komponenten können direkt elektrisch mit dem Energiegenerator verbunden sein, oder können indirekt - beispielsweise über einen Spannungswandler oder eine andere Sensorvorrichtungs-Komponente mit dem Energiegenerator verbunden sein. In jedem Fall wird die für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Sensorvorrichtung benötigte elektrische Energie vollständig von dem Energiegenerator erzeugt und bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung arbeitet vollständig energieautark und benötigt somit keine externe Energieversorgung, weder über ein Kabel noch durch das Einsetzen einer Batterie.
  • Bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung muss weder für die Energieversorgung noch für das Übertragen der Ausgabeparameter eine Kabelverbindung vorgesehen werden. Ferner muss die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung weder für die Energieversorgung (Batteriewechsel), noch für das Auslesen der Ausgabeparameter relativ leicht zugänglich sein. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist daher kostengünstig auch an schwer zugänglichen Messstellen installierbar.
  • Die erfindungsgemäße Fluiddurchfluss-Messanordnung umfasst eine Welle, deren aktuelle Drehzahl proportional zu dem aktuellen Fluiddurchfluss ist. Typischerweise weist die Fluiddurchfluss-Messanordnung ein drehfest mit der Welle verbundenes Flügelrad auf, das von dem durch die Fluiddurchfluss-Messanordnung fließenden Fluid angeströmt wird, sodass das Flügelrad und folglich auch die Welle von dem Fluid rotatorisch angetrieben sind.
  • Die erfindungsgemäße Fluiddurchfluss-Messanordnung umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Sensorvorrichtung, wobei der Erregermagnet an der Welle befestigt ist und somit durch den Fluiddurchfluss angetrieben ist. Hierbei ist die Alternierungsfrequenz des von dem Erregermagneten erzeugten Erregermagnetfelds direkt proportional zu der Drehzahl der Welle und somit zu dem aktuellen Fluiddurchfluss.
  • Die Auswerteeinheit der Sensorvorrichtung der erfindungsgemäßen Fluiddurchfluss-Messanordnung ist ausgebildet, durch Auswertung der Energiepulse des Impulsdraht-Elements eine Drehbewegung der Welle zu erfassen. Unter Auswertung der Energiepulse ist hierbei grundsätzlich jede Art von Verarbeitung einer Energiepuls-Information zu verstehen, insbesondere auch ein einfaches Zählen der erzeugten Energiepulse. Typischerweise wertet die Auswerteeinheit den zeitlichen Verlauf der Energiepulse des Impulsdraht-Elements aus, um daraus die Alternierungsfrequenz des Erregermagnetfelds zu bestimmen, wobei über die aktuelle Alternierungsfrequenz wiederum die aktuelle Wellendrehzahl und somit der aktuelle Fluiddurchfluss bestimmbar sind. Die Auswertung der Energiepulse kann hierbei entweder fortlaufend erfolgen, oder kann auch rückwirkend anhand eines gespeicherten Energiepuls-Verlaufs erfolgen.
  • Mindestens ein Sensorelement der Sensorvorrichtung der erfindungsgemäßen Fluiddurchfluss-Messanordnung ist derart angeordnet und ausgebildet, dass durch das mindestens eine Sensorelement eine physikalische Eigenschaft des die Fluiddurchfluss-Messandordnung durchströmenden Fluids erfassbar ist. Über die erfindungsgemäße Fluiddurchfluss-Messanordnung ist somit neben dem aktuellen Fluiddurchfluss auch mindestens eine physikalische Eigenschaft des Fluids erfassbar. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung der erfindungsgemäßen Fluiddurchfluss-Messanordnung einen Temperatursensor und/oder einen Drucksensor zur Erfassung der aktuellen Fluidtemperatur und/oder des aktuellen Fluiddrucks aufweisen. Dies schafft eine vielseitig einsetzbare Fluiddurchfluss-Messanordnung. Durch Korrelation mit den erfassten physikalischen Fluid-Eigenschaften ist ferner eine besonders exakte Erfassung des Fluiddurchflusses möglich.
  • Da bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung weder für die Energieversorgung, noch für das Auslesen beziehungsweise das Übertragen der Ausgabeparameter eine Kabelverbindung vorgesehen werden muss, ist die erfindungsgemäße Fluiddurchfluss-Messanordnung kostengünstig auch an schwer zugänglichen Messstellen - beispielsweise innerhalb einer komplexen Industrieanlage - installierbar.
  • Da beim Auslösen des Impulsdraht-Moduls lediglich relativ kurze Energiepulse erzeugt werden, weist der Energiegenerator in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung einen Energiespeicher auf, der elektrisch mit dem Impulsdraht-Modul verbunden ist, und in dem die elektrische Energie der Energiepulse zwischengespeichert werden kann. Dies ermöglicht - ab einer bestimmten Alternierungsfrequenz des Erregermagnetfelds - eine im Wesentlichen kontinuierliche Energieversorgung der Sensorvorrichtungs-Komponenten. Ferner ermöglicht der Energiespeicher auch bei fehlendem Erregermagnetfeld und somit bei ausbleibender Energieerzeugung einen kurzzeitigen Betrieb der Sensorvorrichtung, beispielsweise zum Auslesen der Sensorvorrichtung über die Funk-Datenschnittstelle. Der Energiespeicher ist typischerweise derart ausgebildet, dass seine Speicherkapazität größer ist als die elektrische Energie eines einzelnen Energiepulses. Der Energiespeicher ermöglicht es folglich - sofern die elektrische Energie der erzeugten Energiepulse nicht vollständig für den Betrieb der Sensorvorrichtung benötigt wird - kurzzeitig eine elektrische Energie bereitzustellen, die größer ist als die elektrische Energie eines einzelnen Energiepulses. Der Energiespeicher kann beispielweise als kostengünstiger Keramikkondensator ausgebildet sein.
  • Vorteilhafterweise ist mindestens ein resistives Sensorelement vorgesehen, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit der zu erfassenden physikalischen Größe verändert. Das resistive Sensorelement ist einfach und kostengünstig realisierbar und benötigt für eine zuverlässige Funktion nur eine relativ geringe elektrische Energie. Beispielsweise kann das resistive Sensorelement ein resistiver Temperatursensor, ein resistiver Drucksensor oder ein resistiver Kraftsensor sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind mehrere Sensorelement vorgesehen, wobei jedes Sensorelement zur Erfassung einer unterschiedlichen physikalischen Größe ausgebildet ist, und wobei jedes Sensorelement durch den Energiegenerator mit elektrischer Energie versorgbar ist. Die Sensorvorrichtung ist somit geeignet, verschiedene physikalische Größen zu erfassen und insbesondere auch bei der Auswertung miteinander zu korrelieren. Dies ermöglicht eine besonders exakte Auswertung und schafft somit eine zuverlässige und vielseitig einsetzbare energieautarke Sensorvorrichtung.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung arbeitet die Funk-Datenschnittstelle nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung. Dies bedeutet, dass die Funk-Datenschnittstelle keine eigenen Funksignale erzeugt, sondern eingehende Funksignale reflektiert und dabei - in der Regel durch gegenphasige Feldschwächung - moduliert. Hierfür ist im Vergleich zum aktiven Erzeugen von Funksignalen deutlich weniger elektrische Energie erforderlich. Besonders bevorzugt ist die Funk-Datenschnittstelle hierbei derart ausgebildet, dass die für die Modulierung erforderliche elektrische Energie aus einfallender elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird, sodass für den Betrieb der Funk-Datenschnittstelle keine externe Energiezufuhr erforderlich ist. Dies schafft folglich eine besonders energieeffiziente Funk-Datenschnittstelle, die ohne externe Energieversorgung oder mit nur relativ geringer externer Energieversorgung eine zuverlässige Datenübertragung ermöglicht.
  • Vorzugsweise ist die Funk-Datenschnittstelle elektrisch mit dem Energiegenerator verbunden. Die Funk-Datenschnittstelle kann direkt elektrisch mit dem Energiegenerator verbunden sein, oder kann indirekt - beispielsweise über einen Spannungswandler oder eine andere Sensorvorrichtungs-Komponente mit dem Energiegenerator verbunden sein. In jedem Fall ist eine Energieübertragung - also eine Übertragung von elektrischer Energie - zwischen der Funk-Datenschnittstelle und dem Energiegenerator möglich. Vorzugsweise ist die elektrische Verbindung hierbei derart ausgebildet, dass eine bidirektionale Energieübertragung möglich ist, also sowohl eine Übertragung von elektrischer Energie aus dem Energiegenerator zu der Funk-Datenschnittstelle als auch eine Übertragung von elektrischer Energie aus der Funk-Datenschnittstelle zu dem Energiegenerator. Falls die Funk-Datenschnittstelle derart ausgebildet ist, dass in der Funk-Datenschnittstelle mehr elektrische Energie erzeugt wird, als für den Betrieb der Funk-Datenschnittstelle benötigt wird, dann kann diese Energie an den Energiegenerator bereitgestellt und somit für die Energieversorgung der Sensorvorrichtung verwendet werden. Falls die Funk-Datenschnittstelle keine elektrische Energie erzeugt oder die in der Funk-Datenschnittstelle erzeugte elektrische Energie für deren Betrieb nicht ausreichen sollte, dann ist die benötigte elektrische Energie über die elektrische Verbindung von dem Energiegenerator an die Funk-Datenschnittstelle bereitstellbar. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Funktion der Funk-Datenschnittstelle sichergestellt. Die elektrische Verbindung zwischen dem Energiegenerator und der Funk-Datenschnittstelle schafft somit eine besonders zuverlässige und energieeffiziente Sensorvorrichtung.
  • Vorteilhafterweise ist ein Datenspeicher vorgesehen, der über eine Datenverbindung mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Der Datenspeicher ermöglicht ein Speichern der von der Auswerteeinheit ermittelten Ausgabeparameter, sodass diese nicht kontinuierlich übertragen werden müssen, sondern bei Bedarf gesammelt auslesbar und/oder übertragbar sind. Vorzugsweise ist der Datenspeicher hierbei als nicht-flüchtiger Datenspeicher - beispielsweise als ferroelektrischer Speicher - ausgebildet, sodass die Daten auch nach einer Unterbrechung der Energieversorgung noch auslesbar sind. Dies schafft eine energieeffiziente und zuverlässige Sensorvorrichtung.
  • Typischerweise ist der Erregermanget der Sensorvorrichtung an einer drehbaren Welle angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist hierbei die Auswerteeinheit ausgebildet, durch Auswertung der Energiepulse des Impulsdraht-Elements eine Drehbewegung der Welle zu erfassen. Unter Auswertung der Energiepulse ist hierbei grundsätzlich jede Art von Verarbeitung einer Energiepuls-Information zu verstehen, insbesondere auch ein einfaches Zählen der erzeugten Energiepulse. Die Auswertung der Energiepulse kann hierbei entweder fortlaufend erfolgen, oder kann auch rückwirkend anhand eines gespeicherten Energiepuls-Verlaufs erfolgen. Typischerweise wertet die Auswerteeinheit den zeitlichen Verlauf der Energiepulse des Impulsdraht-Elements aus, um daraus die Alternierungsfrequenz des Erregermagnetfelds zu bestimmen. Der Erregermagnet ist hierbei derart an der Welle angeordnet, dass die aktuelle Alternierungsfrequenz des Erregermagnetfelds direkt proportional zu einer aktuellen Wellendrehzahl ist. Für die Erfassung der Wellen-Drehbewegung ist somit kein zusätzliches Sensorelement erforderlich. Dies schafft eine kostengünstige und energieeffiziente Sensorvorrichtung, die vielseitig einsetzbar ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluiddurchfluss-Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur beschrieben, die eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Fluiddurchfluss-Messanordnung mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zeigt.
  • Die Figur zeigt eine Fluiddurchfluss-Messanordnung 10 mit einer Sensorvorrichtung 12 und einer Welle 14. Die Welle 14 ist drehfest mit einem Laufrad 16 verbunden, das in einem Fluidkanal 18 angeordnet, der von einem Fluid durchflossen ist. Das Laufrad 16 ist derart ausgebildet, dass das Laufrad 16 - und folglich auch die Welle 14 - von dem durch den Fluidkanal 18 strömenden Fluid rotatorisch angetrieben werden.
  • Die Sensorvorrichtung 12 umfasst einen permanentmagnetischen Erregermagneten 20, der an einem von dem Laufrad 16 abgewandten Ende der Welle 14 befestigt ist. Der Erregermagnet 20 ist drehfest mit der Welle 14 verbunden und ist derart ausgebildet und angeordnet, dass von dem Erregermagneten 20 bei rotierender Welle 14 ein alternierendes Erregermagnetfeld erzeugt wird.
  • Die Sensorvorrichtung 12 umfasst ferner einen Energiegenerator 22 mit einem Impulsdraht-Modul 24 und einem Energiespeicher 26. Der Energiespeicher 26 ist elektrisch mit dem Impulsdraht-Modul 24 verbunden und kann beispielsweise durch einen einfachen Kondensator gebildet sein. Auf Grund des alternierenden Erregermagnetfelds wechselt die Magnetisierungsrichtung eines Impulsdrahtes 28 (Wiegand-Draht) des Impulsdraht-Moduls 24 kontinuierlich, wobei bei jedem Wechsel der Magnetisierungsrichtung ein elektrischer Energiepuls in einer den Impulsdraht 28 radial umschließenden Spulenanordnung 30 erzeugt wird. Durch die elektrische Energie der erzeugten Energiepulse wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Energiespeicher 26 geladen. Die erzeugte elektrische Energie wird also in dem Energiespeicher 26 zwischengespeichert. Der Energiespeicher 26 ist hierbei derart ausgebildet, dass seine Speicherkapazität größer ist als die elektrische Energie eines einzelnen Energiepulses.
  • Die Sensorvorrichtung 12 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Sensorelemente 32,34, die in dem Fluidkanal 18 angeordnet sind, um eine physikalische Eigenschaft des den Fluidkanal 18 durchströmenden Fluids zu erfassen. Die zwei Sensorelemente 32,34 sind zur Energieversorgung jeweils elektrisch mit dem Energiegenerator 22 verbunden, wobei der Energiegenerator 22 den zwei Sensorelementen 32,34 jeweils sämtliche für den Betrieb benötigte elektrische Energie bereitstellt.
  • Das erste Sensorelement 32 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein resistiver Temperatursensor, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Das erste Sensorelement 32 stellt daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei Anlegen einer konstanten elektrischen Spannung ein Temperatur-Sensorsignal bereit, dessen Stromstärke proportional zur erfassten Temperatur ist. Alternativ kann das erste Sensorelement 32 auch mit einem konstanten elektrischen Strom bestromt werden, wobei in diesem Fall eine elektrische Spannung des Temperatur-Sensorsignals proportional zur erfassten Temperatur ist.
  • Das zweite Sensorelement 34 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein resistiver Drucksensor, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks ändert. Das zweite Sensorelement 34 stellt daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei Anlegen einer konstanten elektrischen Spannung ein Druck-Sensorsignal bereit, dessen Stromstärke proportional zum erfassten Umgebungsdruck ist, oder stellt bei Bestromung mit einem konstanten elektrischen Strom ein Druck-Sensorsignal bereit, dessen elektrische Spannung proportional zum erfassten Umgebungsdruck ist.
  • Die Sensorvorrichtung 12 umfasst ferner eine Auswerteeinheit 36, die zur Energieversorgung elektrisch mit dem Energiegenerator 22 verbunden ist, wobei der Energiegenerator 22 der Auswerteeinheit 36 sämtliche für den Betrieb benötigte elektrische Energie bereitstellt. Die Auswerteeinheit 36 ist zur Sensorsignal-Übertragung jeweils elektrisch mit den zwei Sensorelementen 32,34 verbunden. Alternativ kann die Auswerteeinheit 36 zur Sensorsignal-Übertragung auch über eine beliebige Art von Datenschnittstelle mit den Sensorelementen 32,34 verbunden sein. Die Auswerteeinheit 36 ist ausgebildet, die von den zwei Sensorelementen 32,34 empfangenen Sensorsignale auszuwerten und entsprechende Ausgabeparameter zu bestimmen und bereitzustellen. Die Auswerteeinheit 36 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ferner ausgebildet, den zeitlichen Verlauf der in dem Impulsdraht-Element 24 des Energiegenerators 22 erzeugten Energiepulse auszuwerten und dadurch eine aktuelle Drehzahl und/oder einen aktuellen Drehwinkel der Welle 14 zu bestimmen und bereitzustellen.
  • Die Sensorvorrichtung 12 umfasst ferner eine Funk-Datenschnittstelle 38, die elektrisch mit dem Energiegenerator 22 verbunden ist. Die Funk-Datenschnittstelle 38 ist über eine Datenverbindung mit der Auswerteeinheit 36 verbunden, wobei die Datenverbindung vorzugsweise als einfache elektrische Verbindung ausgeführt ist. Die Funk-Datenschnittstelle ermöglicht beispielsweise eine drahtlose Übertragung der von der Auswerteeinheit 36 bestimmten Ausgabeparameter an ein nicht gezeigtes externes EDV-System mit einer korrespondierenden Empfangsschnittstelle. Die Funk-Datenschnittstelle 38 arbeitet im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung, beispielweise nach der bekannten „LoRa Backscatter“-Spezifikation. Hierbei wird die für den Betrieb der Funk-Datenschnittstelle 38 benötigte elektrische Energie - idealerweise vollständig - aus empfangener elektromagnetischer Strahlung erzeugt. Für den Betrieb der Funk-Datenschnittstelle 38 muss daher im Idealfall gar keine elektrische Energie von dem Energiegenerator 22 an die Funk-Datenschnittstelle 38 bereitgestellt werden, vielmehr kann die Funk-Datenschnittstelle 38 sogar elektrische Energie an den Energiegenerator 22 bereitstellen, falls die Funk-Datenschnittstelle 38 mehr elektrische Energie erzeugt, als für ihren Betrieb benötigt wird. Falls die in der Funk-Datenschnittstelle 38 erzeugte elektrische Energie zeitweise nicht für den Betrieb der der Funk-Datenschnittstelle 38 ausreichen sollte, dann kann die fehlende elektrische Energie jedoch auch von dem Energiegenerator 22 an die Funk-Datenschnittstelle 38 bereitgestellt werden.
  • Die Sensorvorrichtung 12 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel ferner einen Datenspeicher 40, der zur Energieversorgung elektrisch mit dem Energiegenerator 22 verbunden ist, wobei der Energiegenerator 22 dem Datenspeicher 40 sämtliche für den Betrieb benötigte elektrische Energie bereitstellt. Der Datenspeicher 40 ist vorzugsweise als nicht-flüchtiger ferroelektrischer Datenspeicher ausgebildet. Der Datenspeicher 40 ist über eine Datenverbindung - vorzugsweise über eine einfache elektrische Verbindung - mit der Auswerteeinheit 36 verbunden und ermöglicht beispielsweise ein Abspeichern der von der Auswerteeinheit 36 bestimmten Ausgabeparameter.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Fluiddurchfluss-Messanordnung
    12
    Sensorvorrichtung
    14
    Welle
    16
    Laufrad
    18
    Fluidkanal
    20
    Erregermagneten
    22
    Energiegenerator
    24
    Impulsdraht-Modul
    26
    Energiespeicher
    28
    Impulsdrahtes
    30
    Spulenanordnung
    32
    erstes Sensorelement
    34
    zweites Sensorelement
    36
    Auswerteeinheit
    38
    Funk-Datenschnittstelle
    40
    Datenspeicher
  • 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 2479542 B1 [0003]

Claims (9)

  1. Sensorvorrichtung (12) mit - einem Erregermagneten (20) zur Erzeugung eines alternierenden Erregermag netfelds, - einem Energiegenerator (22) mit einem Impulsdraht-Modul (24), in dem durch das alternierende Erregermagnetfeld elektrische Energiepulse erzeugbar sind, - mindestens einem Sensorelement (32,34) zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines Sensorsignals, - einer Auswerteeinheit (36) zur Auswertung des mindestens einen Sensorsignals, und - einer Funk-Datenschnittstelle (38), die über eine Datenverbindung mit der Auswerteeinheit verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (32,34) und die Auswerteeinheit (36) jeweils elektrisch mit dem Energiegenerator (22) verbunden sind und durch diesen mit elektrischer Energie versorgbar sind.
  2. Sensorvorrichtung (12) nach Anspruch 1, wobei der Energiegenerator (22) einen Energiespeicher (26) aufweist, der elektrisch mit dem Impulsdraht-Modul (24) verbunden ist.
  3. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein resistives Sensorelement (32,34) vorgesehen ist, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit der zu erfassenden physikalischen Größe verändert.
  4. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Sensorelement (32,34) vorgesehen sind, wobei jedes Sensorelement (32,34) zur Erfassung einer unterschiedlichen physikalischen Größe ausgebildet ist und durch den Energiegenerator (22) mit elektrischer Energie versorgbar ist.
  5. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funk-Datenschnittstelle (38) nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung arbeitet.
  6. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Datenspeicher (40) vorgesehen ist, der über eine Datenverbindung mit der Auswerteeinheit (36) verbunden ist.
  7. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funk-Datenschnittstelle (38) elektrisch mit dem Energiegenerator (22) verbunden ist, derart, dass eine Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Funk-Datenschnittstelle (38) und dem Energiegenerator (22) möglich ist.
  8. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Erregermanget (20) an einer drehbaren Welle (14) angeordnet ist, und wobei die Auswerteeinheit (36) ausgebildet ist, durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Energiepulse des Impulsdraht-Elements (24) eine Drehbewegung der Welle (14) zu erfassen.
  9. Fluiddurchfluss-Messandordnung (10) mit - einer Welle (14), deren aktuelle Drehzahl proportional zu dem aktuellen Fluiddurchfluss ist, und - einer Sensorvorrichtung (12) mit • einem an der Welle (14) befestigten Erregermagneten (20) zur Erzeugung eines alternierenden Erregermagnetfelds, • einem Energiegenerator (22) mit einem Impulsdraht-Modul (24), in dem durch das alternierende Erregermagnetfeld elektrische Energiepulse erzeugbar sind, • mindestens einem Sensorelement (32,34) zur Erfassung einer physikalischen Eigenschaft eines die Fluiddurchfluss-Messandordnung durchströmenden Fluids und zur Bereitstellung eines Sensorsignals, • einer Auswerteeinheit (36) zur Auswertung des mindestens einen Sensorsignals, wobei die Auswerteeinheit (36) ausgebildet ist, durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Energiepulse des Impulsdraht-Elements (24) eine Drehbewegung der Welle (14) zu erfassen, und • einer Funk-Datenschnittstelle (38), die über eine Datenverbindung mit der Auswerteeinheit (36) verbunden ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (32,34), die Auswerteeinheit (36) und die Funk-Datenschnittstelle (38) jeweils elektrisch mit dem Energiegenerator (22) verbunden sind und durch diesen mit elektrischer Energie versorgbar sind.
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