DE202020107286U1

DE202020107286U1 - Sensorvorrichtung und Erweiterungsmodul

Info

Publication number: DE202020107286U1
Application number: DE202020107286.2U
Authority: DE
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2030-12-17

Abstract

Sensorvorrichtung (100) zur Prozessgrößenermittlung im industriellen Umfeld, aufweisend:
eine Sensorbasiseinheit (301) und ein erstes Erweiterungsmodul (120) wobei die Sensorbasiseinheit (101) aufweist:
eine Prozessgrößenermittlungseinheit (103) zum Ermitteln der Prozessgröße;
eine erste mechanische Schnittstelle (111) zum mechanischen Aufnehmen eines ersten Erweiterungsmoduls (120); und
eine erste Kommunikationsschnittstelle (112) zu dem ersten Erweiterungsmodul (120) zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten;
und wobei das erste Erweiterungsmodul (120) aufweist:
eine zweite mechanische Schnittstelle (121) zu der Sensorbasiseinheit (101);
eine dritte mechanische Schnittstelle (131) zum mechanischen Aufnehmen eines zweiten Erweiterungsmoduls (140);
eine zweite Kommunikationsschnittstelle (122) zu der Sensorbasiseinheit zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten; und
eine dritte Kommunikationsschnittstelle (132) zu dem zweiten Erweiterungsmodul (140) zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Prozessgrößenermittlung im industriellen Umfeld, ein Erweiterungsmodul für eine Sensorvorrichtung und die Verwendung des Erweiterungsmoduls für eine Sensorvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Sensoren, wie zum Beispiel Füllstandmessgeräte erfassen Prozessmessgrößen, die beispielsweise über einen Feldbus oder drahtlos an einen Server oder in ein Datennetz übertragen werden. Zur Energiebereitstellung dient ein an den Sensor angeschlossenes Stromkabel. Alternativ enthalten sie eine Batterie, so dass der Sensor autark arbeiten kann. In der Regel ist am Sensor allerdings keine Anzeige- und Bedieneinheit vorhanden. Manche Sensoren weisen jedoch die Möglichkeit auf, eine solche Anzeige- und Bedieneinheit nachträglich zu installieren. Die für diese Einheit notwendige Energieversorgung sowie der Datenaustausch mit dem Sensor erfolgt dabei z.B. mittels einer Drahtschnittstelle zwischen dem Sensor und der Anzeige- und Bedieneinheit. Weitere nachträgliche Funktionseinheiten könnten bedingt im Sensor oder in der Anzeige- und Bedieneinheit untergebracht werden, was aber eine Modifikation des bestehenden Sensors oder eine spezielle Ausführungsform der Anzeige- und Bedieneinheit mit sich brächte. Auch kann es aus Platzgründen oder anderen Gründen nicht möglich sein, nachträglich Funktionseinheiten in einen bestehenden Sensor oder der Anzeige- und Bedieneinheit zu integrieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es eine Lösung anzugeben, um kosteneffizient und mit geringem Aufwand einem Sensor zusätzliche Funktionen in kundenspezifischer Konfiguration zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Sensorvorrichtung zur Prozessgrößenermittlung im industriellen Umfeld zur Verfügung gestellt. Die Sensorvorrichtung weist eine Sensorbasiseinheit und ein erstes Erweiterungsmodul auf. Die Sensorbasiseinheit weist eine Prozessgrößenermittlungseinheit zum Ermitteln der Prozessgröße, eine erste mechanische Schnittstelle zum mechanischen Aufnehmen eines ersten Erweiterungsmoduls und eine erste Kommunikationsschnittstelle zu dem ersten Erweiterungsmodul zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten auf. Das erste Erweiterungsmodul weist eine zweite mechanische Schnittstelle zu der Sensorbasiseinheit auf sowie eine dritte mechanische Schnittstelle zum mechanischen Aufnehmen eines zweiten Erweiterungsmoduls, eine zweite Kommunikationsschnittstelle zu der Sensorbasiseinheit zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten und eine dritte Kommunikationsschnittstelle zu dem zweiten Erweiterungsmodul zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten.
Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
Unter „Sensor“ wird ein Gerät verstanden, das einen Messfühler, insbesondere in einem Gehäuse, zum Ermitteln der Prozessgrößen aufweist, sowie die, gegebenenfalls innerhalb des Gehäuses, vorhandenen Bauteile, wie z.B. Elektronikkomponenten, Anschlüsse und mechanische Elemente. Die Sensorvorrichtung des ersten Aspekts enthält einen solchen Sensor als Sensorbasiseinheit sowie ein erstes Erweiterungsmodul, das eine mechanische Schnittstelle und eine Kommunikationsschnittstelle bzw. Datenschnittstellen zu der Sensorbasiseinheit aufweist, sowie eine mechanische Schnittstelle und eine Datenschnittstelle zu einem zweiten Erweiterungsmodul. Durch die mechanische Schnittstelle kann das erste Erweiterungsmodul an der Sensorbasiseinheit angebracht werden. Im angebrachten Zustand können z.B. Messdaten und Steuerdaten über die Datenschnittstelle, hier als „zweite Kommunikationsschnittstelle“ bezeichnet, zwischen der Sensorbasiseinheit und dem Erweiterungsmodul ausgetauscht werden. Sowohl die Mess- als auch die Steuerdaten können digital oder analog übertragen werden. Das erste Erweiterungsmodul weist eine weitere Schnittstelle, hier als „dritte mechanische Schnittstelle“ und „dritte Kommunikationsschnittstelle“ bezeichnet, auf, mit der ein zweites Erweiterungsmodul an das erste Erweiterungsmodul mechanisch und bezüglich des Datenaustauschs angeschlossen werden kann.
Die zweiten und dritten Schnittstellen können beispielsweise so angeordnet sein, dass das zweite Erweiterungsmodul auf das erste gesetzt wird. Gemäß einer Ausführungsform wird das erste Erweiterungsmodul an einer Seite der Sensorbasiseinheit angebracht und ist eingerichtet, das zweite Erweiterungsmodul als finales Erweiterungsmodul oder einen Stapel bildend weitere Erweiterungsmodule aufzunehmen. Zum Beispiel wird das erste Erweiterungsmodul an der Oberseite der Sensorbasiseinheit befestigt und das zweite Erweiterungsmodul an der Oberseite des ersten Erweiterungsmoduls, so dass ein Stapel an Erweiterungsmodulen aufgebaut wird, der sich senkrecht zur Oberfläche der Sensorbasiseinheit erstreckt. In diesem Fall liegen die Kommunikationsschnittstellen des ersten Erweiterungsmoduls auf gegenüberliegenden Seiten, z.B. oben und unten. Sind die Erweiterungsmodule zylindrisch, entsteht durch das Stapeln der Erweiterungsmodule ein zylindrischer Stapel mit runder Querschnittsfläche, bei dem sich die Gesamthöhe aus der Höhe der einzelnen Erweiterungsmodule ergibt. Die einzelnen Erweiterungsmodule können hierbei eine gleiche oder eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
Ein finales Erweiterungsmodul muss nicht notwendigerweise zwei mechanische bzw. Kommunikationsschnittstellen aufweisen. Ist das finale Erweiterungsmodul beispielsweise eine Anzeigen- und Bedieneinheit, würde möglicherweise ein weiteres Erweiterungsmodul das Lesen der Anzeige oder das Bedienen der Sensorvorrichtung be- oder verhindern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste mechanische Schnittstelle ein Gewinde oder eine Schnappvorrichtung auf. Das Gewinde kann zum Beispiel ein Innen- oder Außengewinde des Gehäuses sein, oder ein zentrales Schraubengewinde. Die zweite mechanische Schnittstelle, also die mechanische Schnittstelle des ersten Erweiterungsmoduls um auf der Sensorbasiseinheit aufgenommen zu werden, ist das Gegenstück zu der ersten mechanischen Schnittstelle der Sensorbasiseinheit und ist somit entsprechend ausgestaltet. Gleiches gilt für die mechanischen Schnittstellen, um das zweite Erweiterungsmodul an dem ersten Erweiterungsmodul zu befestigen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Kommunikationsschnittstelle optisch, z.B. durch einen Optokoppler, elektrisch über eine Drahtverbindung, elektromagnetisch, d.h. drahtlos, oder induktiv, beispielsweise mittels NFC (Near Field Communication, Nahfeldkommunikation), ausgestaltet. Die Kommunikation über die Kommunikationsschnittstellen kann hierbei unidirektional in einer der beiden Richtungen stattfinden oder bidirektional. Beispielsweise fordert das zweite Erweiterungsmodul Daten von dem ersten Erweiterungsmodul an. Das erste Erweiterungsmodul leitet die Anforderung an die Sensorbasiseinheit weiter und erhält daraufhin Messdaten, die das erste Erweiterungsmodul wiederum an das anfragende zweite Erweiterungsmodul weiterleitet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorbasiseinheit weiterhin eine erste elektrische Schnittstelle zu dem ersten Erweiterungsmodul zum Bereitstellen von Energie auf. Das erste Erweiterungsmodul weist weiterhin eine zweite elektrische Schnittstelle zu der Basiseinheit zum Bereitstellen von Energie auf sowie eine dritte elektrische Schnittstelle zu dem zweiten Erweiterungsmodul zum Bereitstellen von Energie. Das Bereitstellen von Energie kann in einer Ausführungsform auch das Aufnehmen von Energie beinhalten. Es kann auch vorgesehen sein, an den Schnittstellen der Erweiterungsmodule ausschließlich Energie aufzunehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Schnittstelle induktiv oder drahtgebunden, und die Energie von dem ersten Erweiterungsmodul erhält oder die Energie an dieses abgibt.
Die Energie kann zum Beispiel dem ersten Erweiterungsmodul von dem zweiten Erweiterungsmodul zur Verfügung gestellt werden, und von dem ersten an die Sensorbasiseinheit. Alternativ kann ein mittleres Erweiterungsmodul eines Erweiterungsmodulstapels Energie für die weiteren Erweiterungsmodule zur Verfügung stellen. Beispielsweise kann das Erweiterungsmodul einen Energiezwischenspeicher aufweisen, der über eine gewisse Zeitspanne Energie aus der Sensorbasiseinheit aufnimmt und speichert, bis genügend Energie zum Absetzen eines Funkpakets zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Erweiterungsmodul eingerichtet, als kabelgebundenes Stromanschlussmodul, d.h. über ein Kabel, das an eine externe Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle angeschlossen werden kann, oder als Batteriemodul Energie für die Sensorbasiseinheit zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung ein oberstes Erweiterungsmodul eines Stapels an Erweiterungsmodul als finales Modul eine Photovoltaikeinheit auf, eine Bedienvorrichtung und/oder eine Anzeigevorrichtung. Das heißt, das erste Erweiterungsmodul wird als „unterstes“ Erweiterungsmodul betrachtet, auf das n weitere Erweiterungsmodule gestapelt werden, wobei n=1...N, so dass das N+1-te Erweiterungsmodul das letzte Modul, also das oberste Modul des Stapels ist. Dieses finale Modul kann so gestaltet sein, dass keine weiteren Erweiterungsmodule mehr auf dieses Modul gestapelt werden können. Beispielsweise kann dies bei einem Modul, das eine Bedienvorrichtung und/oder eine Anzeigevorrichtung oder eine Photovoltaikeinheit mit Photozellen beinhaltet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Erweiterungsmodul eingerichtet, als Erweiterungsadapter ein kontaktlos arbeitendes Sensormodul aufzunehmen. Somit kann ein vorhandenes Erweiterungsmodul, das kontaktlos arbeitet, einfach z.B. in den Erweiterungsadapter eingeschoben werden. Durch einen Erweiterungsadapter kann das kontaktlos arbeitende Sensormodul somit auch verwendet werden, wenn die Sensorbasiseinheit keine kontaktlosen Schnittstellen hat.
Gemäß einer Ausführungsform weist das erste Erweiterungsmodul einen Datenspeicher und/oder eine Kommunikationseinheit für eine externe Kommunikationsverbindung auf. Messwerte können somit erst in dem Datenspeicher aufgenommen und gesammelt werden und über die Kommunikationsverbindung in ein Netzwerk oder ein Smartphone übertragen werden. Der Datenspeicher und die Kommunikationseinheit können hierbei auf eigenständigen Erweiterungsmodulen untergebracht sein oder auf einem gemeinsamen Erweiterungsmodul. Die externe Kommunikation kann beispielsweise nach einem oder mehreren der Standards WLAN, Bluetooth, Zigbee, NB-IOT, GSM, CAT-M, LoRa, Sigfox oder anderen Protokollen zur Datenübertragung erfolgen. Die Kommunikationseinheit kann auch eine drahtgebundene Verbindung, z.B. eine Feldbusverbindung unterstützen und das Erweiterungsmodul die entsprechende Hardware und Software, wie zum Beispiel auch eine entsprechende Steckverbindung oder sonstigen Anschluss zur Verfügung stellen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das erste Erweiterungsmodul einen Beschleunigungssensor, einen Drucksensor, einen Erdmagnetfeldsensor, einen Gassensor, einen Abstandsensor, einen Helligkeitssensor und/oder einen Temperatursensor auf. Abstandsensoren wie Lidar, Radar und Ultraschall sowie Bewegungssensoren und Helligkeitssensoren sind insbesondere in den finalen Erweiterungsmodulen zur Anwendung geeignet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Erweiterungsmodul ein Montagemodul, das eine Befestigungseinrichtung aufweist, um die Sensorvorrichtung an einem externen Objekt befestigen zu können. Unter einem „externem Objekt“ ist zur Unterscheidung von einem weiteren Erweiterungsmodul oder einer Sensorbasiseinheit ein Objekt gemeint, das nicht Teil der Sensorvorrichtung ist. Beispielsweise kann das externe Objekt eine Wand oder ein Deckel z.B. eines Behälters sein oder eine Wand eines Gebäudes sein oder ein Rohr. Das Montagemodul kann beispielsweise ein Endmodul sein, dessen eine flache Seite auf der Basiseinheit oder einem Erweiterungsmodul sitzen kann und dessen gegenüberliegende Seite z.B. an einer Wand befestigt werden kann. Die Befestigungseinrichtungen können z.B. Halterungen sein, die Gewinde aufweisen, sodass die Sensorvorrichtung als Ganzes in ein entsprechendes Gegengewinde eingedreht werden kann, oder Ösen, die über die Grundflächen des Moduls überstehen, durch die das Sensormodul mit Schrauben an der Wand befestigt werden kann. Weitere mögliche Befestigungen können beispielsweise auf Magneten beruhen oder einer Vorrichtung, die zunächst an der Wand montiert, z.B. geklebt oder verschraubt wird, und auf die das Montagemodul z.B. geklipst, geschraubt oder eingeschraubt wird oder mit oder ohne Federverschluss, z.B. einem Bajonettverschluss eingehängt wird. Das Montagemodul kann auch als mittleres Sensormodul ausgestaltet sein und an seiner Außenseite Befestigungsvorrichtungen aufweisen. In diesem Fall könnte das Montagemodul mechanische und elektrische Schnittstellen wie oben beschrieben aufweisen. Z.B. würden die elektrische Schnittstellen die Signale und/oder Versorgungspannungen eines Nachbarmoduls aufnehmen und die Leitungen, z.B. eine Busleitung des Montagemoduls würden die Signale und/oder Versorgungspannungen zur weiteren Schnittstelle zum anderen Nachbarmodul hin durch das Montagemodul hindurchleiten. Im Falle, dass das Montagemodul ein Endmodul ist, kann die Sensorvorrichtung so ausgestaltet sein, dass die Sensorbasiseinheit ein mittleres Modul ist und beispielsweise beidseitig ein Endmodul aufweist. Das Montagemodul kann weiterhin so ausgestaltet sein, dass es zwei Stapel an Erweiterungsmodulen aufnehmen kann, wobei das Montagemodul eine Brücke für die beiden Stapel bildet, die die beiden Stapel elektrisch und mechanisch miteinander verbindet.
Insbesondere ist das Haltemodul somit nicht das Sensor-Basismodul, sondern ein optionales zusätzliches Modul, auf das die Sensorvorrichtung nicht für seine grundlegende Funktion zum Messen und Bereitstellen der Daten oder Signale angewiesen ist. Durch die Eigenschaft, dass das Montagemodul ein Erweiterungsmodul ist, kann insbesondere auch ein Pool an verschiedenen Montagemodulen mit jeweils unterschiedlichen Befestigungsarten bzw. Befestigungsvorrichtungen bereitgestellt werden, aus dem ein Benutzer das für ihn passende auswählen kann. So kann ein Monteur z.B. vor Ort entscheiden, welches Befestigungsmodul er einsetzt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Erweiterungsmodul einen Taster auf. Das Erweiterungsmodul kann somit ein spezielles Tastermodul sein. Der Taster kann insbesondere ein Prüftaster zur Prüfung einer Überfüllsicherung sein. Solch eine Überfüllsicherung ist nach dem Wasserhaushaltsgesetz für Behälter für wassergefährdende Flüssigkeiten vorgeschrieben. Die Überfüllsicherung muss in angemessenen Zeitabständen, z.B. mindestens einmal im Jahr auf ihr Funktionieren hin geprüft werden. Hierbei wird z.B. der zulässige Füllungsgrad und die Übereinstimmung der Ansprechhöhe und Nachlaufmenge überprüft, sowie eine Funktionsprüfung des Sensors und der nachgeschalteten Komponenten durchgeführt. Durch die Prüftaste kann eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss der Verbindungsleitung zwischen Standaufnehmer und Messumformer erzeugt werden. Der Taster kann aber auch ein weiterer zusätzlicher Taster für spezielle Funktionen sein.
Der Taster kann somit nachträglich die Funktionalität der Sensorvorrichtung erweitern oder kann beispielsweise nur bei Bedarf auf die Sensorvorrichtung montiert werden, so dass z.B. im Regelfall ein Bedienmodul das Endmodul ist und im Bedarfsfall das Bedienmodul mit dem Tastermodul getauscht wird. Das Tastermodul kann beispielsweise, wenn es nur bei Bedarf eingesetzt wird, auch für weitere modulare Sensorvorrichtungen verwendet werden, so dass Vorhandensein eines Tastermoduls für mehrere Sensorvorrichtungen ausreicht.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Stapel von Erweiterungsmodulen einen Deckel auf. Der Deckel wird an der Sensorbasiseinheit angebracht und überdeckt somit alle Erweiterungsmodule. Der Deckel kann beispielsweise über ein Gewinde oder eine Schnappvorrichtung an der Sensorbasiseinheit befestigt werden und kann eine Dichtvorrichtung, wie z.B. einen Dichtungsring aufweisen. Alternativ weisen die mechanischen Schnittstellen der Erweiterungsmodule einen Stapel von Erweiterungsmodulen eine Dichtigkeit auf. Zum Beispiel sind sie mechanisch und bezüglich des Materials so konzipiert, dass sie wasserdicht, staubdicht und/oder luftdicht sind. Die Erweiterungsmodule können auch ein Gehäuse mit den entsprechenden mechanischen Schnittstellen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Prozessgrößenermittlungseinheit eingerichtet, einen Druck, einen Füllstand, einen Grenzstand oder eine Dichte zu ermitteln.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Erweiterungsmodul mit den oben ausgeführten Eigenschaften für die beschriebene Sensorvorrichtung bereitgestellt.
Gemäß einem dritten Aspekt wird das Erweiterungsmodul für eine wie oben beschriebene Sensorvorrichtung verwendet.
Weitere Optionen entsprechen und ergeben sich aus den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Somit wird eine Sensorvorrichtung zur Prozessgrößenermittlung mit einer Sensorbasiseinheit und einer Prozessgrößenermittlungseinheit bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung modular durch mehrere stapelbare Erweiterungsmodule erweiterbar ist.
Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „ein“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Hierbei zeigt

1 ein Diagramm einer Sensorbasiseinheit und einer Anzeige- und Bedieneinheit,
2 ein Diagramm einer Sensorbasiseinheit mit eingesetzter Anzeige- und Bedieneinheit,
3 ein Diagramm einer Sensorvorrichtung mit einem Erweiterungsmodul für einen autarken Betrieb,
4 unterschiedliche Ausführungsformen von Erweiterungsmodulen,
5 ein Diagramm einer Sensorvorrichtung mit zwei Erweiterungsmodulen,
6 eine Anordnung mit einem Basissensor, Zwischenmodulen und einem Finalisierungsmodul,
7 ein weiteres Diagramm einer Sensorvorrichtung mit Dichtungsringen,
8 ein generisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung mit einem Erweiterungsmodul.

Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt einen Sensor bzw. eine Sensorbasiseinheit 101, die über eine Feldbusschnittstelle 102 mit Energie versorgt wird. Mit Hilfe einer Messwertbestimmungseinheit 103 bestimmt das Messgerät 101 eine prozessrelevante Messgröße, beispielsweise einen Druck, einen Füllstand, einen Grenzstand oder auch eine Dichte. Der Messwert wird dann in analoger Form, z.B. über eine 4 ... 20mA Schnittstelle, und/oder in digitaler Form über die Feldbusschnittstelle 102 nach außen hin zur Verfügung gestellt. Eine Vor-Ort-Anzeige des ermittelten Messwertes oder auch eine Vor-Ort-Bedienung des Sensor 101 ist in der Basiskonfiguration einer Sensoreinheit 101 zunächst nicht vorgesehen.
Wünscht ein Kunde eine Anzeige- und Bedienmöglichkeit direkt am Sensor, so kann er nachträglich ein Anzeige- und Bedienmodul 104 bestellen, und nach erfolgter Lieferung eigenständig in die dafür vorgesehene Öffnung 105 des Sensors einsetzen. Der Sensor 101 besitzt in seiner Erweiterungsöffnung 105 drahtförmig ausgebildete Schleifkontakte 106, welche eingerichtet sind, mit einer in die Öffnung 105 eingebrachten Erweiterungselektronik Energien und/oder Daten auszutauschen.
2 zeigt die Sensorbasiseinheit 101 mit der in Form eines Erweiterungsmoduls 104, z.B. des genannten Anzeige- und Bedienmoduls 104, eingebrachten Erweiterungselektronik. Nach dem Einbringen eines Erweiterungsmoduls 104 in die Öffnung 105 wird der Sensor 101 durch Aufschrauben eines Deckels 201 hermetisch dicht verschlossen. Durch speziell angebrachte Abdichtringe 204 im Bereich 202 zwischen Deckel und Sensorgehäuse kann sichergestellt werden, dass während der anschließenden Betriebsphase keine Feuchtigkeit und kein Staub in das Innere des Sensors eindringen kann.
3 zeigt ein Beispiel, bei dem ein autarker Betrieb von Sensoren ermöglicht wird. Der Sensor 301 ist im Hinblick auf seine Erweiterungsschnittstelle 304 ausgebildet, in Abhängigkeit vom angeschlossenen Erweiterungsmodul einen über die Schnittstelle 304 einfließenden Energiefluss zur Versorgung der eigenen Elektronikkomponenten zu verwenden. Zu diesem Zwecke ist in den Erweiterungsschacht 105 ein mit Batterien 305 bestücktes Energiemodul 303 eingesetzt, welches den Sensor 301 über die Schnittstelle 304 mit Energie versorgen kann. Das Einbringen drahtgebundener Versorgungsleistung über die Feldbusschnittstelle 306 kann somit entfallen. Der ehemals drahtgebundene Sensor 101 kann somit auf einfache Art zu einem autark messenden Sensor umgebaut werden.
4 zeigt unterschiedliche Ausführungsformen von Erweiterungsmodulen. Allen gezeigten Ausführungsformen ist gemein, dass über die Schleifkontakte 400 Daten und / oder Energie mit einem Sensor 301 ausgetauscht werden können.
Das Batteriemodul 401 weist mehrere Energiereservoirs 408, beispielsweise Batterien oder Akkumulatoren 408, auf, welche geeignet sind, den Sensor 301 nach Einbringen in dessen Erweiterungsschacht 105 mit Energie zu versorgen.
Das Drahtloskommunikationsmodul 402 weist zumindest einen Drahtloskommunikationschip 411 und eine Antenne 412 auf, welche Messwerte und/oder Steuerbefehle in drahtloser Form mit einer externen Stelle, beispielsweise einem Funkmast oder einem Smartphone, austauschen. Hierfür können verschiedene Drahtloskommunikationsstandards nach dem Stand der Technik verwendet werden, beispielsweise WLAN, Bluetooth, Zigbee, NB-IOT, GSM, CAT-M, LoRa, Sigfox oder auch andere bekannte Standards. In Abhängigkeit vom Energiebedarf für eine solche Kommunikation kann vorgesehen sein, das Modul 402 mit zusätzlichen Energiereservoirs 410 zu bestücken. Es kann auch vorgesehen sein, während der Betriebsphase zunächst Energie von der Sensorbasiseinheit 301 zu beziehen, und in einem Energiespeicher 409 anzusammeln, bis genügend Energie zum Absetzen eines Funkpakets zur Verfügung steht.
Der Erweiterungsadapter 403 ermöglicht es, kontaktlos arbeitende Erweiterungsmodule 413, wie sie bei autark arbeitenden Füllstandsensoren verwendet werden können, auf Sensoren mit drahtgebundenen Erweiterungsschnittstellen 304 zu verwenden. Der Erweiterungsadapter 403 weist hierzu eine drahtlos arbeitende Energieübertragungsschnittstelle 414, beispielsweise eine Induktionsspule, sowie eine drahtlos arbeitende Kommunikationsschnittstelle 415, beispielsweise eine NFC-Schnittstelle, auf.
Das Photovoltaikmodul 404 kann nach Einsetzen in den Erweiterungsschacht 105 eines Sensors 301 dazu verwendet werden, die Messwiederholrate drahtgebundener Sensoren durch zusätzlich eingebrachte Energie einer Solarzelle 416 zu erhöhen, oder aber auch die gesamte Versorgungsleistung eines Sensors 301 bereitzustellen. In letzterem Fall wird ein ursprünglich drahtgebunden ausgeführter Sensor 101 zu einem autark arbeitenden Sensor 301 fortentwickelt.
Das Anzeige- und Bedienmodul 405 weist neben einer Anzeige 417 eine Eingabeeinheit 418, beispielsweise einen Tastknopf 418, auf, und ermöglicht nach Einsetzen in einen Sensor 301 eine Vor-Ort-Bedienung direkt an der Messstelle ohne Hinzunahme weiterer Bedienelemente wie Smartphone oder PC.
Das Servicemodul 406 kann zur Langzeitdiagnose bei problembehafteten Messstellen verwendet werden. Es beinhaltet einen Langzeitdatenspeicher 419, beispielsweise eine SD-Karte 419, der dazu dient, die vom Sensor 301 gelieferten Diagnosedaten über längere Zeiträume hinweg aufzuzeichnen. Die Daten können anschließend die Diagnose und Fehlersuche durch geschulte Servicemitarbeiter erleichtern.
Das Kabelmodul 407 bzw. Stromanschlussmodul 407 schließlich kann immer dann verwendet werden, wenn ein Sensorbasiseinheit 301 nachträglich doch mit zusätzlicher Leistung drahtgebunden versorgt werden soll, oder wenn schnellere, drahtgebundene Kommunikationsschnittstellen ergänzt werden sollen. Hierzu stellt das Kabelmodul 407 zumindest eine Schnittstelle 421 zum Anschluss eines Kabels 420 bereit, welches der Sensorbasiseinheit 301 zusätzliche Energie übermitteln kann und/oder Informationen aus der Sensorbasiseinheit 301 auslesen oder in diese von außen einbringen kann, wie beispielsweise Messwerte oder ein Softwareupdate. Es kann vorgesehen sein, im Kabelmodul 407 weitere drahtgebundene Feldbusstandards durch den Einbau von Hard- und Softwarekomponenten zu realisieren, und somit den Sensor für zukünftige Standards nachrüstbar auszugestalten.
Weiterhin (ohne Figur) kann vorgesehen sein, Erweiterungsmodule mit zusätzlicher Sensorik auszustatten, um die Einsatzmöglichkeiten eines Sensors zu erweitern. Es kann vorgesehen sein, in den Zwischen- und/oder Finalisierungsmodulen Sensoren ausgewählt aus der Gruppe von Beschleunigungssensoren, Drucksensoren, Temperatursensoren, Erdmagnetfeldsensoren, Gassensoren oder anderen Sensoren zu integrieren. In den Finalisierungsmodulen kann darüber hinaus vorgesehen sein, Sensoren wie Abstandsensoren, z.B. Lidar, Radar, Ultraschall, Bewegungssensoren, Helligkeitssensoren oder auch andere Sensoren zu integrieren.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung für die Ausgestaltung der Erweiterungsmodule 401, 402, 403, 406, 407. Die Sensorbasiseinheit 301 wird im Bereich ihres Erweiterungsschachtes 105 mechanisch derart ausgebildet, dass sie eine mechanische Fixierung eines Erweiterungsmoduls ermöglicht, beispielsweise mit einem Schnappmechanismus 504, 505 oder auch einer Gewindeaufnahme oder anderen bekannten Ausführungen zur Fixierung zweier Bauteile. Das Erweiterungsmodul 502 weist an seiner Oberseite die gleiche Fixierungskontur 504 wie der Basissensor 301 auf, und bietet darüber hinaus auch die funktional zur Kontaktierungsstelle 304 identische Schnittstelle 505 an seiner Oberseite an. Die Kombination dieser beiden Merkmale erlaubt es erfindungsgemäß, das System mit weiteren Erweiterungsmodulen, welche quasi aufeinandergestapelt angeordnet sind, zu erweitern, beispielsweise mit einem Modul 503. Es ist offensichtlich, dass nicht alle Module 401 bis 407 für alle Positionen in einem Stapel geeignet sind. Als Zwischenmodule 502 lassen sich jedoch alle Module verwenden, welche an ihrer Oberseite nicht frei zugänglich sein müssen, also insbesondere das Batteriemodul 401, das Funkmodul 402, der Erweiterungsadapter 403, das Servicemodul 406 sowie das Kabelmodul 407. Als Finalisierungsmodul 503 lassen sich insbesondere das Photovoltaikmodul 404 sowie das Anzeige- und Bedienmodul 405 ausbilden. Jedoch kann prinzipiell jedes Erweiterungsmodul auch als Finalisierungsmodul ausgebildet sein.
Die mit mehreren Modulen 402, 503 ergänzte Sensorbasiseinheit 301 wird durch einen entsprechend hoch ausgestalteten Deckel 501 verschlossen, welcher die Komplettanordnung nach außen hin abschließt und somit vor Staub und Feuchtigkeit schützt.
6 zeigt eine weitere Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit der Sensorbasiseinheit 601, Zwischenmodulen 603, 604 und Finalisierungsmodul 602. Die Zwischenmodule 603, 604 sind erfindungsgemäß ausgeführt, durch mechanische Ausgestaltung und Materialwahl an ihrer jeweiligen Mantelfläche das Gehäuse des Sensors 601 direkt zu ergänzen und weiterzuführen. Das Finalisierungsmodul 602 ist sowohl an seiner Mantelfläche, als auch an seiner Oberseite durch mechanische Ausgestaltung und Materialwahl ausgeführt, das Gehäuse des Sensors zu ergänzen, und somit komplett abzuschließen. Im Vergleich zur 5 kann ein Anbringen eines Deckels, dessen Größe von der Anzahl ergänzter Module 502, 503 abhängt, verzichtet werden. Beispielhaft, aber keinesfalls ausschließend, wird im Beispiel der 6 ein Schnappmechanismus 605, 606 vorgesehen, um die mechanische Stabilität der Komplettanordnung sicherzustellen.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensorvorrichtung. Das Zwischenmodul 702 und das Finalisierungsmodul 703 sind hierbei ausgeführt, durch umlaufende Dichtringe 704, 705 den Hohlraum 706, 707 im Bereich der Kontaktierung 708, 709 hermetisch dicht gegenüber der Umgebungsatmosphäre zu trennen. Diese Ausführung kann insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen einen sicheren Betrieb der Komplettanordnung ermöglichen. Beispielhaft, aber keinesfalls ausschließend, wird im Beispiel der 7 ein umlaufendes Gewinde 710, 711 vorgesehen, um die mechanische Stabilität der Komplettanordnung sicherzustellen.
8 zeigt zusammenfassend ein generisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung (100) zur Prozessgrößenermittlung im industriellen Umfeld mit einer Sensorbasiseinheit (101) und einem Erweiterungsmodul (120). Die Sensorbasiseinheit (101) weist folgende Komponenten auf: Eine Prozessgrößenermittlungseinheit (103) zum Ermitteln der Prozessgröße, eine erste mechanische Schnittstelle (111) zum mechanischen Aufnehmen eines ersten Erweiterungsmoduls (120) und eine erste Kommunikationsschnittstelle (112) zu dem ersten Erweiterungsmodul (120) zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten. Das erste Erweiterungsmodul (120) weist hierbei eine zweite mechanische Schnittstelle (121) zu der Sensorbasiseinheit (101) auf, eine dritte mechanische Schnittstelle (131) zum mechanischen Aufnehmen eines zweiten Erweiterungsmoduls, eine zweite Kommunikationsschnittstelle (122) zu der Sensorbasiseinheit (101) zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten und eine dritte Kommunikationsschnittstelle (132) zu dem zweiten Erweiterungsmodul zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten.
Somit können mehrere Erweiterungsmodule bei entsprechendem Bedarf vor Ort eingesetzt werden. Weiterhin ist möglich, die Sensorbasiseinheit sowie Erweiterungsmodule von einem Erweiterungsmodul aus kommend mit Energie zu versorgen.

Claims

Sensorvorrichtung (100) zur Prozessgrößenermittlung im industriellen Umfeld, aufweisend: eine Sensorbasiseinheit (301) und ein erstes Erweiterungsmodul (120) wobei die Sensorbasiseinheit (101) aufweist: eine Prozessgrößenermittlungseinheit (103) zum Ermitteln der Prozessgröße; eine erste mechanische Schnittstelle (111) zum mechanischen Aufnehmen eines ersten Erweiterungsmoduls (120); und eine erste Kommunikationsschnittstelle (112) zu dem ersten Erweiterungsmodul (120) zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten; und wobei das erste Erweiterungsmodul (120) aufweist: eine zweite mechanische Schnittstelle (121) zu der Sensorbasiseinheit (101); eine dritte mechanische Schnittstelle (131) zum mechanischen Aufnehmen eines zweiten Erweiterungsmoduls (140); eine zweite Kommunikationsschnittstelle (122) zu der Sensorbasiseinheit zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten; und eine dritte Kommunikationsschnittstelle (132) zu dem zweiten Erweiterungsmodul (140) zum Übertragen von Mess- und/oder Steuerdaten.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das erste Erweiterungsmodul (120) an einer Seite der Sensorbasiseinheit (101) angebracht ist und eingerichtet ist, das zweite Erweiterungsmodul (140) als finales Erweiterungsmodul oder einen Stapel an weiteren Erweiterungsmodulen aufzunehmen.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste mechanische Schnittstelle (111) ein Gewinde oder eine Schnappvorrichtung aufweist.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kommunikationsschnittstelle (112) optisch, elektrisch, elektromagnetisch oder induktiv ist.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Sensorbasiseinheit (101) weiterhin eine erste elektrische Schnittstelle (112) zu dem ersten Erweiterungsmodul (120) zum Bereitstellen von Energie aufweist; und wobei das erste Erweiterungsmodul (120) weiterhin aufweist: eine zweite elektrische Schnittstelle (122) zu dem ersten Erweiterungsmodul (120) zum Bereitstellen von Energie; und eine dritte elektrische Schnittstelle (132) zu dem zweiten Erweiterungsmodul (140) zum Bereitstellen von Energie.
Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei die erste elektrische Schnittstelle (112) induktiv oder drahtgebunden ist, und die Energie von dem ersten Erweiterungsmodul (120) erhält oder die Energie an dieses abgibt.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erweiterungsmodul (120) eingerichtet ist, als kabelgebundenes Stromanschlussmodul (407) oder als Batteriemodul (401) Energie für die Sensorbasiseinheit (101) zur Verfügung zu stellen.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein oberstes Erweiterungsmodul eines Stapels an Erweiterungsmodulen als finales Modul eine Photovoltaikeinheit (416), eine Bedienvorrichtung (418) und/oder eine Anzeigevorrichtung (417).
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erweiterungsmodul (120) eingerichtet ist, als Erweiterungsadapter (403) ein kontaktlos arbeitendes Sensormodul aufzunehmen.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erweiterungsmodul (120) einen Datenspeicher (419) und/oder eine Kommunikationseinheit (411) für eine externe Kommunikationsverbindung aufweist.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erweiterungsmodul (120) einen Beschleunigungssensor, einen Drucksensor, einen Erdmagnetfeldsensor, einen Gassensor, einen Abstandsensor, einen Helligkeitssensor und/oder einen Temperatursensor aufweist.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erweiterungsmodul ein Montagemodul ist, das Befestigungseinrichtungen aufweist, um die Sensorvorrichtung an einem externen Objekt befestigen zu können.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erweiterungsmodul einen Taster aufweist.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Stapel von Erweiterungsmodulen einen Deckel (501) aufweist, oder wobei die mechanischen Schnittstellen der Erweiterungsmodule eines Stapels von Erweiterungsmodulen eine Dichtigkeit aufweisen.
Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessgrößenermittlungseinheit (103) eingerichtet ist, einen Druck, einen Füllstand, einen Grenzstand oder eine Dichte zu ermitteln.
Erweiterungsmodul (120) für eine Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1-15.
Verwendung eines Erweiterungsmoduls (120) nach Anspruch 16 für eine Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1-15.