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Die
Erfindung betrifft ein schnittstellenneutrales Funktionsmodul für
ein modulares Messgerät und ein modulares Messgerät
mit einem schnittstellenneutralen Funktionsmodul.
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Modulare
Messgeräte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Messgeräte
mit einem Sensormodul und einem Messumformermodul, wobei das Sensormodul
mit dem Messumformermodul über eine Schnittstelle gekoppelt
ist. Ein Beispiel für ein modulares Messgerät
ist beispielsweise ein pH-Messgerät, bei dem das Sensormodul
eine pH-Elektrode, insbesondere in Form einer Einstabmesskette umfasst,
wobei das Sensormodul an ein Messumformermodul angeschlossen ist,
welches ein Signal des Sensormoduls aufbereitet und ein dem Messwert
entsprechendes Signal an eine übergeordnete Einheit, beispielsweise
ein Leitsystem, überträgt. Die Anmelderin fertigt
und vertreibt modulare pH-Messgeräte, bei denen das Sensormodul über eine
Schnittstelle in Form einer induktiv koppelnden Steckverbinderkupplung
verbunden ist, wobei dem Messumformermodul ein primärseitiges
Steckverbinderelement und dem Sensormodul ein sekundärseitiges
Steckverbinderelement zugeordnet ist. Das Grundprinzip dieser Schnittstelle
ist im
Europäischen Patent
1 206 012 B1 beschrieben. Demnach erfolgen die Energieversorgung
des Sensormoduls und der Datenaustausch zwischen dem Sensormodul
und dem Messumformermodul über die induktive Steckverbinderkupplung.
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Ein
induktiv koppelndes Verbindungskabel ist in der Offenlegungsschrift
DE 102 20 450 A1 offenbart.
Das Verbindungskabel weist erstens ein sekundärseitiges
Steckverbinderelement zum Anschluss an das primärseitige
Steckverbinderelement des Messumformermoduls und zweitens ein primärseitiges
Steckverbinderelement zum Anschluss an ein Sensormodul auf. Das
Verbindungskabel ist schnittstellenneutral, denn das Sensormodul
könnte auch ohne zwischengeschaltetes Verbindungskabel direkt
an das Umformermodul angeschlossen werden.
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Für
Messstellen, an denen keine Energieversorgung aus einem Netz bzw.
Leitsystem bereitgestellt werden kann oder soll, kann anstelle des
Messumformermoduls ein Funkmodul oder ein Datenloggermodul mit einem
primärseitigen Steckverbinderelement eingesetzt werden,
welches das Sensormodul über die induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung
mit Energie versorgt, und Daten mit dem Sensormodul austauscht.
Zur Energieversorgung ist im Funkmodul bzw. Datenloggermodul beispielsweise eine
Batterie vorgesehen. Diese Module sind in den Offenlegungsschriften
DE 103 44 262 A1 sowie
DE 10 2005 044 973
A1 beschrieben.
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Im
Betrieb eines modularen Messgerätes mit einem Messumformermodul
und einem Sensormodul kann es zu Situationen kommen. Bei denen die
Energieversorgung des Sensormoduls nicht gewährleistet ist,
beispielsweise dann, wenn ein Sensormodul kurzfristig vom Umformermodul
zu trennen ist, oder wenn die Energieversorgung des Messumformermoduls
im Leitsystem ausfällt. Um hier zumindest eine Notversorgung
zu gewährleisten kann das sekundärseitige Steckverbinderelement
einen Energiespeicher aufweisen, wie in der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 062 184
A1 offenbart ist, oder das primärseitige Steckverbinderelement
kann einen entsprechenden Energiespeicher aufweisen, wie in der
unveröffentlichten
deutschen
Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2007 041 238 beschrieben
ist.
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Die
genannten Lösungen mögen jeweils für spezifische
Anwendungsfälle Kontexte vorteilhaft sein, sie vergrößern
jedoch die Komplexität der Steckverbinderelemente bzw.
deren Variantenzahl.
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Zudem
ist eine Einstabmesskette in vielen Anwendungsfällen de
facto Verbrauchsmaterial, welches nach dem Einsatz zu entsorgen
ist. Dies spricht dagegen, eine Energieversorgungseinheit, die ggf. umweltbelastende
Substanzen enthalten kann, zumindest in solche Sensormodule zu integrieren,
welche eine Einstabmesskette umfassen.
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Nun
besteht aber gerade bei einigen elektrochemischen Sensoren bedarf
nach einer Energieversorgung bereits vor der Aufnahme des Messbetriebs, um
die Einschwingzeiten des Sensors zu verkürzen, wie in der
schon genannten
deutschen
Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2007 041 238 beschrieben ist.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, Zusatzfunktionen für ein modulares Messgerät
bzw. ein Sensormodul in einer solchen Weise bereitzustellen, dass
die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden.
Die Zusatzfunktion kann beispielsweise eine Energieversorgung eines
Sensormoduls umfassen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
das Funktionsmodul gemäß dem unabhängigen
Patentanspruch 1 und das modulare Messgerät nach Anspruch
13.
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Das
erfindungsgemäße Funktionsmodul für ein
modulares Messgerät, wobei das Messgerät eine übergeordnete
Einheit, insbesondere ein Messumformermodul und ein Sensormodul
umfasst, wobei die übergeordnete Einheit ein erstes Steckverbinderelement
einer Steckverbinderkupplung aufweist und das Sensormodul ein zweites
Element einer Steckverbinderkupplung aufweist,
wobei das Sensormodul über
das zweite Steckverbinderelement mit Energie zu versorgen ist,
wobei
ein Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und einer mit diesem
verbundenen übergeordneten Einheit über das zweite
Steckverbinderelement erfolgt,
wobei das Funktionsmodul ein
drittes Steckverbinderelement aufweist,
welches mit dem zweiten
Steckverbinderelement verbindbar ist,
wobei das Funktionsmodul
ein viertes Steckverbinderelement aufweist,
welches mit dem
ersten Steckverbinderelement verbindbar ist,
wobei das erste,
zweite, dritte und vierte Steckverbinderelement Komponenten einer
galvanisch getrennt koppelnden Steckverbinderkupplung sind,
wobei
das Funktionsmodul einen Mikrocontroller zur Steuerung von mindestens
einer Funktion des Funktionsmoduls umfasst.
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Die
galvanisch getrennt koppelnde Steckverbinderkupplung kann nach einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung beispielsweise eine induktiv,
kapazitiv, oder optisch koppelnde Steckverbinderkupplung sein. Für
die Energieübertragung ist derzeit eine induktive Kopplung
bevorzugt.
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Eine
induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung realisiert die Speisung
eines Verbrauchers bzw. Sensormoduls mittels eines Energiesignals
beispielsweise eines AC-Signals. Die Übertragung von Daten,
also Messdaten bzw. Konfigurier- und Parametrierdaten, kann beispielsweise
durch Modulation des Energiesignals erfolgen, wobei die Übertragung von
Daten vom Energie empfangenden (sekundärseitigen) Steckverbinderelement
zum Energie abgebenden (primärseitigen) Steckverbinderelement durch
Lastmodulation des Energiesignals erfolgen kann. Zur Trennung von
Daten und Energie sind entsprechende Demodulatoren bzw. Filter vorgesehen. Einzelheiten
hierzu sind beispielsweise in dem Patent
DE 19719 730 C1 offenbart.
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Nach
einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Funktion des
Funktionsmoduls beispielsweise die Energieversorgung, des Sensormoduls
betreffen.
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Hiezu
umfasst das Funktionsmodul einen Energiespeicher. Der Energiespeicher
kann ein ladbarer Energiespeicher sein, er kann beispielsweise einen
Kondensator umfassen, insbesondere oder einen so genannten Gold-Cap,
oder einen Akkumulator. Das Laden des Energiespeichers kann beispielsweise
während des Betriebs des Funktionsmoduls erfolgen. Das
Funktionsmodul bzw. die Energieversorgungseinheit kann zum Laden
des Energiespeichers eine geeignete Ladeschaltung umfassen.
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Die
Energieversorgungseinheit umfasst in einer Ausgestaltung Strombegrenzer
bzw. Spannungsbegrenzer für die von dem Energiespeicher
abgegebene elektrische Leistung, um die Eigensicherheit im Sinne
der Zündschutzart Ex-i des Funktionsmoduls zu gewährleisten.
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Der
Energiespeicher kann beispielsweise so dimensioniert sein, dass
der Betrieb des Funktionsmoduls und der Sensormoduls mindestens
10 Minuten, nach einem anderen Gesichtspunkt mindestens eine Stunde
oder für weitere Anwendungsfälle mindestens 4
Stunden aufrechterhalten wird.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Zeitintervall vorgegeben
oder vorgebbar sein, sein für das der Betrieb aufrechterhalten
werden soll.
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In
einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung ermittelt
der Mikrocontroller anhand des Zeitintervalls und ggf. des Ladezustands
des Energiespeichers, den Umfang von Funktionen, die über
das Zeitintervall aufrechterhalten werden können. Hierzu
können die Funktionen der Komponenten des Sensormoduls
und/oder des Funktionsmoduls nach Ihrer Bedeutung für den
Betrieb des modularen Messgerätes priorisiert sein.
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Eine
der aufrechtzuerhaltenden Funktionen des Sensormoduls ist beispielsweise
die Messwerterfassung, wobei die erfassten Messwerte zunächst gar
nicht oder nur mit einer reduzierten Datenübertragungsrate übertragen
beispielsweise mit einer Datenübertragungsrate, die nicht
mehr als 50%, oder nicht mehr als 25%, insbesondere nicht mehr als 10%
einer maximalen Datenübertragungsrate im normalen Messbetrieb
beträgt. Der normale Messbetrieb kann in diesem Zusammenhang
beispielsweise einen Messbetrieb bedeuten, bei dem das Messumformermodul
eine ausreichende Energieversorgung für das Funktionsmodul
und das Sensormodul bereitstellt. Abgesehen von vorgegebenen Messraten
bzw. Datenübertragungsraten kann der Mikrocontroller in Abhängigkeit
der verfügbaren Energie und der Länge des vorgegebenen
Zeitintervalls ermitteln, mit welcher Rate Messwerte ermittelt und
gespeichert oder Daten übertragen werden können.
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Erst
nach Wiederherstellung der Energieversorgung durch das Messumformermodul
wird die Übertragung der zwischengespeicherten Messwerte bzw.
die Übertragung mit der vollen Datenübertragungsrate
wieder aufgenommen.
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Gleichermaßen
können zunächst nur digitalisierte Rohdaten eines
Sensorsignals, die ggf. zeitlich gemittelt sind, ohne weitere Aufbereitung
zwischengespeichert werden, um den Energiebedarf zu begrenzen.
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Erst
nach Wiederherstellung der Energieversorgung durch das Messumformermodul
können die digitalisieren Rohdaten verarbeitet und anschließend übertragen
werden.
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Den
Messwerten ist jeweils der Zeitpunkt der Messung zugeordnet, wobei
der Zeitpunkt explizit gespeichert sein kann, oder sich aus der
Position eines Messwerts in der Sequenz der gespeicherten Messwerte
ergibt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann der Energiespeicher dazu dienen,
essentielle Sensorfunktionen aufrechtzuerhalten, beispielsweise
die Polarisationsspannung eines amperometrischen Sensors oder die
Versorgung eines ISFET-Sensorelements.
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Die
Priorisierung der einzelnen Funktionen der Komponenten des Sensormoduls
kann vorgegeben und ggf. vom Benutzer veränderlich sein.
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Sofern
die Unterbrechung des Energieversorgungssignals durch einen kontrollierten
Eingriff in die Messstelle erfolgt, und die Dauer der Unterbrechung
abschätzbar ist, beispielsweise im Zusammenhang mit einer
Wartungsmaßnahme an dem Messumformermodul, kann dem Funktionsmodul und/oder
dem Sensormodul entweder explizit die geschätzte Zeitdauer
für eine bevorstehende Unterbrechung signalisiert werden,
oder es kann die Art der Maßnahme beispielsweise über
einen Index mitgeteilt werden, woraus sich anhand von gespeicherten Daten,
die zu erwartende Dauer der Unterbrechung ergibt.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann es vorgesehen sein,
dass ein Zeitschema einstellbar ist, um Betriebszeit des Sensormoduls ohne
Energieversorgung durch das Messumformermodul zu verlängern,
wobei das Zeitschema die Energieversorgung des Funktionsmoduls und
des Sensormoduls regelt. In Zeiten in denen nach dem Zeitschema
keine Messwertaufnahme notwendig ist, wird die Energieversorgung
des Sensormoduls reduziert bzw. abgeschaltet, um beispielsweise
den Energiespeicher zu laden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung betreibt das Funktionsmodul mit
Energiespeicher das Sensormodul ohne dass ein Messumformer angeschlossen
oder in Betrieb ist und zeichnet nach einem vorher festgelegten
Zeitschema Daten auf. Diese werden im Funktionsmodul gespeichert
und können später zum Messumformer oder zu einer ähnlichen Datenübertragungseinrichtung übertragen
werden.
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In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann dies beispielsweise
einen Betrieb des Sensormoduls während eines Autoklaviervorganges
betreffen. Das Funktionsmodul mit geladener Energiespeichervorrichtung
wird vor dem Autoklaviervorgang an das Sensormodul angeschlossen.
Damit ist es möglich Daten während des Autoklaviervorganges
aufzuzeichnen und somit den Ablauf zu überprüfen/nachzuweisen.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Funktionsmodul
neben dem Energiespeicher weiterhin einen Datenspeicher zur Messdatenaufzeichnung.
Das Funktionsmodul übernimmt damit eine Pufferfunktion
für die Energieversorgung und für die Datenaufzeichnung.
Beim Ausfall des übergeordneten Systems, also eines Messumformers
oder eines Feldbussystems, wird das Sensormodul weiter mit Energie
versorgt und es werden Messdaten aufgezeichnet, die zu einem späteren Zeitpunkt
wieder ausgelesen werden können.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann, die Funktion des
Funktionsmoduls beispielsweise Verarbeitung und ggf. von Messdaten des
Sensormoduls betreffen. Die Verarbeitung kann beispielsweise im
Hinblick auf eine Zustandsüberwachung erfolgen. So können
vom Funktionsmodul beispielsweise anhand der Messdaten Belastungsäquivalente
bestimmt werden und im Funktionsmodul oder im Sensormodul gespeichert
werden. Entsprechendes gilt für Kalibrierdaten. Die Prognose
der Reststandzeit bzw. einer Kalibrierintervallzeit anhand von Historiendaten,
also Belastungsdaten und/oder Kalibrierdaten, beispielsweise eines
potentiometrischen Sensors ist an sich bekannt hier geht es nur darum,
die Verteilung der Aufgaben der Auswertung zwischen Sensormodul
und Funktionsmodul neu zu organisieren. Eine Speicherung im Sensormodul
hat den Vorteil, dass die Daten auch nach einer Trennung von Sensormodul
und Funktionsmodul mit dem Sensormodul assoziiert sind. Auf diese
Weise kann der Rechenaufwand im Sensormodul vermieden werden, was
eine entsprechend einfachere Ausstattung mit Rechenkapazität
ermöglicht. Das Speichern von Historiendaten des Sensormoduls
im Funktionsmodul In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein,
messstellenspezifischen Funktionsmodule bereitzustellen, welche
der Messstelle entsprechende Auswertungsalgorithmen enthalten, insbesondere Auswertungsalgorithmen
zur Zustandsüberwachung bzw. zur Ermittlung der Reststandzeit
oder der Zeit bis zur nächsten Kalibrierung eines Sensormoduls.
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Gleichermaßen
kann das Funktionsmodul andere Überwachungsfunktionen steuern,
beispielsweise eine Impedanzmessung, falls das Sensormodul einen
Potentiometrischen Sensor umfasst. Ggf. kann das Zusatzmodul mit
Hilfssensoren ausgestattet sein, beispielsweise einem Beschleunigungs- oder
Vibrationssensor, um diese Belastungen des Sensormoduls erfassen
und auswerten zu können. Andere geeignete Hilfssensoren
sind beispielsweise Temperatursensoren, Feuchtesensoren, oder Drucksensoren,
mit denen ggf. das Auftreten eines Lecks an einem Prozessanschluss
eines Sensormoduls nachgewiesen werden kann.
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Nach
einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung kann die Funktion des
Funktionsmoduls, die Steuerung des Sensormoduls betreffen. In dem
Maße, wie Steuer- und Auswertungsfunktionen für
das Sensormodul von dem Funktionsmodul wahrgenommen werden, kann
die Notwendigkeit eliminiert werden, diese Funktionen im Sensormodul
bereitzuhalten. Damit kann eine Energieübertragung zu dem Sensormodul
für diese Steuer und Auswertefunktionen zu dem Sensormodul
teilweise entfallen. Zudem können die elektronischen Komponenten
des Sensormoduls, welches in gewisser Hinsicht ein Verbrauchsartikel
ist, auf die minimal erforderlichen Komponenten für die
Erfüllung der Messaufgabe beschränkt werden.
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Nach
einem fünften Gesichtspunkt der Erfindung umfasst das Funktionsmodul
eine Eingabeeinheit, über welche beispielsweise Eingaben
an das Sensormodul gegeben werden können. Die Eingabeeinheit
kann beispielsweise Magnetschalter umfassen. Weiterhin kann das
Funktionsmodul eine Anzeigeeinheit aufweisen, welches insbesondere
die Bedienung des Funktionsmoduls erleichtert.
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Das
Funktionsmodul weist beispielsweise ein zylindrisches Gehäuse
auf, wobei, das dritte Steckverbinderelement an einer ersten Stirnseite
des Gehäuses und das zweite Steckverbinderelement an einer
zweiten Stirnseite des Gehäuses angeordnet sind.
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Das
Gehäuse kann beispielsweise hermetisch dicht gestaltet
sein, d. h. es weist kein Öffnungen oder Durchbrüche
auf.
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Das
erfindungsgemäße modulare Messgerät umfasst
eine übergeordnete Einheit und ein Sensormodul, wobei die übergeordnete
Einheit ein erstes Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung
aufweist und das Sensormodul ein zweites Element einer Steckverbinderkupplung
aufweist, wobei das Sensormodul über das zweite Steckverbinderelement
mit Energie zu versorgen ist, wobei ein Datenaustausch zwischen
dem Sensormodul und einem mit der übergeordneten Einheit über
das zweite Steckverbinderelement erfolgt, wobei das Messgerät weiterhin
ein Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche
aufweist welches zwischen dem Sensormodul und der übergeordneten
Einheit angeordnet ist, wobei das dritte Steckverbinderelement mit
dem zweiten Steckverbinderelement verbunden ist, und wobei das vierte
Steckverbinderelement mit dem ersten Steckverbinderelement verbunden.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigt:
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1:
einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Gehäuses eines erfindungsgemäßen
Funktionsmoduls;
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2:
ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Funktionsmoduls;
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3a:
ein erstes Diagramm zu einem zeitlichen Verlauf der Strombilanz;
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3b:
ein zweites Diagramm zu einem zeitlichen Verlauf der Strombilanz;
und
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4:
einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Funktionsmoduls.
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Das
in 1 gezeigte Gehäuse 10 weist
einen im wesentlichen zylindrischen Aufbau auf, wobei an einer ersten
Stirnseite des Gehäuses 11 eine erste induktiv
koppelnde Steckverbindung mit einer Primärspule 15 und
an einer zweiten Stirnseite eine 12 eine zweite induktiv
koppelnde Steckverbindung 12 mit einer Sekundärspule
vorgesehen 16 ist. Im Innern des Gehäuses ist
eine Kammer 18 vorgesehen, in denen eine weiter unten genauer
erläuterte Schaltung 20 angeordnet ist. Der Energiespeicher 30 kann in
der Kammer 18 angeordnet sein oder in einer separaten Kammer 19.
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Das
Gehäuse 10 ist dicht gestaltet, d. h., es weist
keine Durchbrüche oder Öffnungen auf. Das Gehäuse
kann einen Kunststoff aufweisen, beispielsweise PEEK.
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Die
in der Kammer 18 des Gehäuses angeordnete Schaltung 20 umfasst,
wie in 2 dargestellt, eine erste Komponentengruppe mit
einer Primärspule 15, einer Energieübertragungsschaltung 25,
und einer zweiten Modulations-/Demodulationsschaltung 26.
Diese erste Komponentengruppe betreibt die erste induktive Steckverbindung
zu einem ggf. angeschlossenen Sensormodul hin, d. h. sie treibt
die Primärspule 15 zur Aussendung eines Energiesignals
und moduliert bzw. demoduliert Datensignale zum Datenaustausch zwischen
Funktionsmodul und einem angeschlossenen Sensormodul.
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Weiterhin
umfasst die Schaltung 20 eine zweite Komponentengruppe
mit einer Sekundärspule 16, einer Energieversorgungsschaltung 22,
und einer ersten Modulations-/Demodulationsschaltung 24, diese
zweite Komponentengruppe stellt die Energie für die Komponenten
der Schaltung bereit und moduliert bzw. demoduliert Datensignale
zum Datenaustausch zwischen dem Funktionsmodul und einer angeschlossenen übergeordneten
Einheit, beispielsweise einem Messumformermodul.
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Weiterhin
umfasst die Schaltung 20 einen Mikrocontroller (µC) 28,
welcher dazu vorgesehen ist, den Datenfluss zu steuern und den Betriebszustand
des Funktionsmoduls und ggf. angeschlossener Komponenten zu überwachen.
Am Mikrocontroller 28 angebunden bzw. im Mikrocontroller
enthalten, kann auch eine Echtzeituhr sein. Damit ist bei der Ablage/Speicherung
der Daten auch eine Uhrzeit mit abzuspeichern/zuzuordnen.
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Der
Datenfluss zwischen einem Sensormodul und einem Messumformermodul
kann mittels des Funktionsmoduls in den folgenden Moden realisiert werden:
- A. „Transparentmodus”: Der µC 28 ist
nicht an den Datenfluss gekoppelt.
- B. „Mithörmodus”: Der µC 28 ist
an den Datenfluss gekoppelt, kann diesen aber nicht beeinflussen,
sondern nur den Datenfluss aufzeichnen/auswerten.
- C. „Auffrischungsmodus”: Der µC 28 ist
in den Datenfluss eingebunden, verändert die Daten aber inhaltlich
nicht. Es kann nur eine zeitliche Verzögerung der Daten
geben. Die Daten werden vom µC empfangen und ohne inhaltliche
Veränderung weitergegeben. Dabei können Störungen
herausgefiltert werden bzw. die Datensignale „aufgefrischt” werden.
- D. „Anonymer Beeinflussungsmodus”: Der µC 28 ist
in den Datenfluss eingebunden und kann den Datenfluss verändern
bzw. selbst Datenpakete/Anfragen/Antworten absetzen/empfangen. Das Funktionsmodul
tritt in diesem Modus aber nicht selbst als identifizierbares Gerät
am Bus auf.
- E. „Sichtbarer Beeinflussungsmodus”: Der µC 28 ist
in den Datenfluss eingebunden und kann den Datenfluss verändern
bzw. selbst Datenpakete/Anfragen/Antworten absetzen/empfangen. Das Funktionsmodul
ist dabei auch selbst adressierbar, kann direkt angesprochen werden
und sich auch selbst identifizieren. Es ist ebenso möglich Informationen
im Funktionsmodul zu hinterlegen.
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Sofern
der µC 28 in den Datenfluss eingebunden ist oder
diesen „mithört”, so ist eine Anzeige der
Daten an einem ggf. vorgesehenen, in 2 nicht
dargestellten, Anzeigeelement möglich. Ist eine Datenbeeinflussung
möglich, so können Daten weitergegeben, gespeichert,
ausgelesen, ausgeblendet oder in anderer Weise verarbeitet werden.
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Das
Funktionsmodul kann zur Integration eines Energiespeichers eine
Energiespeicherbaugruppe 30 umfassen, welche beispielsweise,
wie ebenfalls in 2 dargestellt, einen Energieverteiler 32, eine
Lade-/Entladeschaltung 34 und den Energiespeicher 36 aufweist.
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Der
Energieverteiler 32 regelt die Energieversorgung des Funktionsmoduls,
sowie insbesondere die Energiezufuhr/-entnahme aus dem Energiespeicher.
Es wird sichergestellt, dass das Funktionsmodul immer ausreichend
Energie, insbesondere genau so viel Energie, zur Verfügung
hat, wie für einen aktuellen Betriebsmodus einschließlich
der Versorgung eines angeschlossenen Sensormoduls erforderlich ist. Überschüssige
Energie wird dem Energiespeicher zugeführt.
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Reicht
die Energieversorgung auf Basis der über die Sekundärspule empfangen
Energie aufgrund eines gestiegenen Energiebedarfs des Funktionsmoduls
bzw. des daran angeschlossenen Sensormoduls oder einer geringeren
empfangenen Leistung zeitweilig nicht aus, so wird diese Energie
dem Energiespeicher entnommen. Außerdem kann der Energieverteiler
vor einer Überlastung des übergeordneten Systems
schützen. Die Lade-Entlade-Kontrollschaltung 34 regelt
das elektrisch korrekte Laden oder Entladen des Energie-speichers 36.
Der Energiespeicher 36 kann einen Akkumulator, eine Batterie oder
einen Kondensator aufweisen.
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Der
Energieverteiler 32 stellt insbesondere sicher, dass an
einem Versorgungsausgang des Energieverteilers 32 ein Ausgangsstrom
IOUT mit einer Ausgangsspannung (VCCOUT = VCCOUT_NOM)
verfügbar ist. Dazu wird zunächst der Strom an
einem Versorgungseingang IIN des Energieverteilers 32 genutzt.
Ist IOUT < IIN so wird die Differenz zum Laden des Energiespeichers
mit eine Ladestrom IES genutzt, es sei denn,
dass der Energiespeicher 36 voll geladen ist und nur Erhaltungsladung
notwendig ist. Unter der letztgenannten Bedingung wird die Belastung des
Einganges reduziert. Es gilt dann: IES =
0, IOUT = IIN <= IIN_MAX.
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Zusätzlich
kann sichergestellt werden, dass ein übergeordnetes System,
beispielsweise ein Messumformer nicht überbelastet wird,
also IIN <=
IIN_MAX, wobei IIN_MAX der
ohne Überlastung des übergeordneten Systems maximal
verfügbare maximal Eingangsstrom ist.
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Sollten
am Versorgungsausgang aufgrund gestiegenen Bedarfs Stromspitzen
IOUT > IIN_MAX auftreten, so wird der überschießende
Strombedarf durch eine zeitweilige Entladung des Energiespeichers 36 mit
einem Entladestrom IES ausgeglichen. Der
Ausgleich von Stromspitzen verhindert, dass diese an ein übergeordnetes
System weitergegeben werden. Damit ist die Stabilisierung der Stromversorgung
im übergeordneten System einfacher zu realisieren.
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Der
Energieverteiler 32 benötigt zur Sicherstellung
seiner Funktion auch einen eigenen Versorgungsstrom IVEV.
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Für
diesen gilt: IVEV << IIN_MAX.
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Generell
gilt die Beziehung: IIN = IOUT +
IES + IVEV
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Die
Lade- und Entladevorgänge können dynamisch wechseln.
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Soll
der Energiespeicher zur Funktionssicherung bei Ausfall des übergeordneten
Systems dienen, so sollte im Normalbetrieb immer ein Energieüberschuss
vorherrschen (I
OUT + I
VEV =
I
MITTEL < I
IN_MITTEL; I
ES ≥ 0).
Die Größe des Energiespeichers (Q
ES)
muss so gewählt sein, dass die Ausfallzeit t
A überbrückt werden
kann
Ein solcher Fall ist in
3a dargestellt
Normalbetrieb. Die schraffierte Fläche stellt die Überschussenergie
dar, welche zur Ladung/Erhaltung des Energiespeichers genutzt werden
kann. Für den Zeitraum des Ausfalls des übergeordneten
System gilt folgender Zusammenhang: I
IN =
0; I
ES < 0; –I
ES = I
OUT + I
VEV.
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Soll
der Energiespeicher zum Ausgleich von Stromspitzen, welche das übergeordnete
System nicht liefern kann, dienen, so gilt während der
Stromspitzen IOUT > IIN_MAX.
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Über
einen betrachteten Zeitraum (t1) kann der
Ausgangsstrom über den maximal zulässigen Eingangsstrom
(IIN_MAX) liegen. Allerdings wird in diesem
Fall die Ladung des Energiespeichers stetig abnehmen.
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Für
einen dauerhaften Betrieb in diesem Modus, sollte die mittlere Stromaufnahme
unter dem tatsächlich verfügbaren mittleren Eingangsstrom
liegen.
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4 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher umfasst das Funktionsmodul 110, neben
einer ersten Steckverbinderkupplung 115 mit einer Primärspule
und einer zweiten Steckverbinderkupplung 116 mit einer
Sekundärspule eine Eingabeeinheit 130 und ggf.
eine Anzeigeeinheit 140 umfasst. Die Eingabeeinheit 130 kann
ein oder mehrere Bedienelemente 131 enthalten. Die Bedienelemente 131 können
beispielsweise Magnetschalter, Reed-Kontakte, oder Hall-Elemente
aufweisen, die beispielsweise mittels in Sacklöchern angeordneter Taster
bedient werden. Auf Gehäusedurchbrüche im Gehäuse 110 kann
dabei verzichtet werden. Ergänzend oder als Alternative
dazu kann die Eingabeeinheit eine Infrarotschnittstelle, eine RFID-Schnittstelle, oder
eine andere Funk-Schnittstelle, beispielsweise Bluetooth oder Zigbee,
umfassen, wobei mit den genannten Schnittstellen nicht nur eine
Dateneingabe sondern auch eine Datenausgabe erfolgen kann.
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Gleichermaßen
kann das Funktionsmodul eine USB-Schnittstelle aufweisen, über
welche ein Computer an das Funktionsmodul anschließbar
ist, wobei die USB-Schnittstelle den Nachteil hat, dass das Gehäuse
des Funktionsmoduls zur Durchführung der elektrischen Anschlüsse
einen Durchbruch aufweist.
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Weiterhin
umfasst das Funktionsmodul eine Anzeigeeinheit 140, welche
ein Klartext-Anzeigefeld umfassen kann, beispielsweise ein LCD-Display.
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Anstelle
eines Klartext-Anzeigefeldes oder ergänzend dazu können
Leuchtdioden vorgesehen Sein, welche einen Status des Funktionsmoduls
bzw. eines daran angeschlossenen Sensormoduls in Antwort auf einen
Bedienvorgang anzeigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1206012
B1 [0002]
- - DE 10220450 A1 [0003]
- - DE 10344262 A1 [0004]
- - DE 102005044973 A1 [0004]
- - DE 102006062184 A1 [0005]
- - DE 102007041238 [0005, 0008]
- - DE 19719730 C1 [0013]