DE102024102532A1 - Sensor unit and method for level monitoring - Google Patents
Sensor unit and method for level monitoringInfo
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Abstract
Die Offenbarung betrifft eine Sensoreinheit, umfassend ein in die Durchgangsöffnung einer Wand, insbesondere die Wand eines Behälters, einsetzbares Gehäuse, wobei in dem Gehäuse eine erste Platine mit zumindest einem Sensor sowie zumindest eine zweite Platine mit zumindest einer Solarzelle angeordnet ist. The disclosure relates to a sensor unit comprising a housing insertable into the through-opening of a wall, in particular the wall of a container, wherein a first circuit board with at least one sensor and at least one second circuit board with at least one solar cell are arranged in the housing.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sensoreinheit zur Überwachung des Füllstands in einem Behälter sowie einen mit der Sensoreinheit ausgestatteten Behälter. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Füllstandsüberwachung in Behältern.The invention relates to a sensor unit. In particular, the invention relates to a sensor unit for monitoring the fill level in a container and to a container equipped with the sensor unit. Furthermore, the invention relates to a method for monitoring fill levels in containers.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Offenlegungsschrift
Ein Node-Modul ist dabei mit einem HOST-Modul verbunden. Das Node-Modul umfasst den ToF-Sensor. Das Node-Modul umfasst eine Batterie zur Energieversorgung sowie eine Funksendeeinheit basierend auf dem LoRa-Standard.A node module is connected to a host module. The node module contains the ToF sensor. The node module includes a battery for power supply and a radio transmitter unit based on the LoRa standard.
Es hat sich herausgestellt, dass mit einem ToF-Sensor eine zuverlässige und exakte Füllstandskontrolle möglich ist. Die Verwendung einer Low-Power-Funktechnologie sorgt zudem dafür, dass nur selten die Batterie ausgetauscht werden muss. Dennoch ist ein regelmäßiger Austausch der Batterie erforderlich. Zudem ist je nach Einbausituation die Montage der mittels Kabel verbundenen Module aufwendig.It has been proven that reliable and precise fill level monitoring is possible with a ToF sensor. The use of low-power wireless technology also ensures that the battery only needs to be replaced infrequently. However, regular battery replacement is still necessary. Furthermore, depending on the installation situation, installing the modules connected by cables can be complex.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinheit bereitzustellen, welche einfach einbaubar ist und/oder bei der der erforderliche Wartungs- und Konfigurationsaufwand weiter reduziert ist.The invention is based on the object of providing a sensor unit which is easy to install and/or in which the required maintenance and configuration effort is further reduced.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch eine Sensoreinheit und ein Verfahren zur Füllstandsüberwachung nach einem der unabhängigen Ansprüche sowie durch einen mit der Sensoreinheit ausgestatteten Behälter gelöst.The object of the invention is already achieved by a sensor unit and a method for level monitoring according to one of the independent claims and by a container equipped with the sensor unit.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.Preferred embodiments and further developments of the invention can be found in the subject matter of the dependent claims, the description and the drawings.
Die Sensoreinheit umfasst ein in die Durchgangsöffnung einer Wand einsetzbares Gehäuse.The sensor unit comprises a housing that can be inserted into the opening in a wall.
Bei der Wand kann es sich insbesondere um das Durchgangsloch eines Behälters, insbesondere in der Wand des Deckels eines Behälters handeln.The wall can in particular be the through hole of a container, in particular in the wall of the lid of a container.
Um in das Durchgangsloch eingesetzt zu werden, kann das Gehäuse ein Gewinde umfassen.In order to be inserted into the through hole, the housing may include a thread.
Zur Montage wird entweder in die Wand ein Gewinde eingebracht und dann die Sensoreinheit montiert oder die Sensoreinheit wird mittels einer Kontermutter in einer Bohrung befestigt. Das Gehäuse umfasst vorzugsweise eine Dichtung, über die es gegenüber dem Durchgangsloch abgedichtet ist.For installation, either a thread is drilled into the wall and the sensor unit is then mounted, or the sensor unit is secured in a hole using a lock nut. The housing preferably includes a gasket that seals it against the through hole.
Vorzugsweise ist das Gehäuse zumindest abschnittsweise kreiszylindrisch ausgebildet. Das Gehäuse kann einen Kragen, insbesondere ausgebildet als oberes Gehäuseteil, umfassen, welcher im montierten Zustand an der Wand anliegt.Preferably, the housing is circularly cylindrical, at least in sections. The housing may include a collar, particularly designed as an upper housing part, which rests against the wall when mounted.
Das Einsetzen der Sensoreinheit in ein Durchgangsloch des Behälters sorgt für eine hohe Sicherheit gegenüber mutwilliger Beschädigung. Dieser Aspekt ist insbesondere in der kommunalen Abfallentsorgung ein sehr wichtiger Faktor.Inserting the sensor unit into a through hole in the container ensures a high level of security against deliberate damage. This aspect is particularly important in municipal waste disposal.
Das Gehäuse kann aus Kunststoff oder aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Edelstahl ausgebildet sein.The housing can be made of plastic or metal, for example aluminum or stainless steel.
Vorzugsweise hat das Gehäuse zumindest im Bereich des Gewindes einen Durchmesser von 40 bis 70 mm.Preferably, the housing has a diameter of 40 to 70 mm, at least in the area of the thread.
Das Gehäuse der Sensoreinheit ist vorzugsweise hermetisch verschlossen. Dies kann insbesondere mit einer Vergussmasse erfolgen.The sensor unit's housing is preferably hermetically sealed. This can be achieved, in particular, with a potting compound.
Zum Versiegeln der zweiten Platine wird eine transparente Vergussmasse verwendet.A transparent potting compound is used to seal the second circuit board.
Der zwischen den beiden Platinen vorhandene Raum kann auch mit einer opaken Vergussmasse verfüllt werden.The space between the two boards can also be filled with an opaque potting compound.
Es versteht sich, dass neben einem Einschrauben gemäß einer anderen Ausführungsform auch andere Montagemöglichkeiten gegeben sind, beispielsweise Vernieten, Verschweißen oder Verkleben.It is understood that in addition to screwing in according to another embodiment, other mounting options are also available, for example riveting, welding or gluing.
In dem Gehäuse ist eine erste Platine mit zumindest einem Sensor angeordnet. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung ist der Sensor in das Behälterinnere gerichtet.A first circuit board with at least one sensor is arranged in the housing. When used as intended, the sensor is directed toward the interior of the container.
Auf der gegenüberliegenden Seite, insbesondere auf der Außenseite, befindet sich eine zweite Platine mit zumindest einer Solarzelle.On the opposite side, especially on the outside, there is a second circuit board with at least one solar cell.
Über die zumindest eine Solarzelle kann die Sensoreinheit mit Energie versorgt werden. Die Sensoreinheit ist vorzugsweise nicht mit einer Batterie versehen.The sensor unit can be powered by at least one solar cell. The sensor unit is preferably not equipped with a battery.
Die Aufteilung in eine erste Platine mit zumindest einer Solarzelle sowie eine zweite Platine, welche als Mess- und Sendeelektronik-Baugruppe ausgebildet ist, ermöglicht einen besonders einfachen und kompakten Aufbau der Sensoreinheit.The division into a first circuit board with at least one solar cell and a second circuit board, which is designed as a measuring and transmitting electronics assembly, enables a particularly simple and compact design of the sensor unit.
Die Solarzelle ist vorzugsweise als SMD-Solarmodul (surface mounted device) ausgebildet. Insbesondere umfasst die zweite Platine mehrere SMD-Solarmodule, insbesondere zwei bis sechs, insbesondere vier. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind jeweils zwei der Solarmodule in Reihe geschaltet.The solar cell is preferably designed as an SMD (surface-mounted device) solar module. In particular, the second circuit board comprises several SMD solar modules, in particular two to six, especially four. In one embodiment of the invention, two of the solar modules are connected in series.
Die Solarzelle ist vorzugsweise als monokristalline Solarzelle ausgebildet. Vorzugsweise beträgt der Wirkungsgrad der Solarzelle (bei STC) über 20 %, insbesondere 20-30 %, insbesondere 22-28 %. So ist auch bei Indoor-Anwendungen eine hinreichende Energieversorgung auf kleinem Bauraum sichergestellt.The solar cell is preferably a monocrystalline solar cell. The solar cell's efficiency (at STC) is preferably above 20%, particularly 20-30%, and especially 22-28%. This ensures sufficient energy supply in a small installation space, even for indoor applications.
Erste und zweite Platine sind vorzugsweise über eine elektrische Steckverbindung unmittelbar miteinander verbunden. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Platinen mittels eines elektrischen Kabels miteinander verbunden.The first and second circuit boards are preferably directly connected to each other via an electrical connector. According to another embodiment, the circuit boards are connected to each other via an electrical cable.
Der Sensor ist vorzugsweise als Füllstandssensor ausgebildet.The sensor is preferably designed as a level sensor.
Je nach Anwendungszweck kann als Füllstandssensor ein Ultraschallsensor verwendet werden.Depending on the application, an ultrasonic sensor can be used as a level sensor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Sensor um einen ToF-Sensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten.According to a preferred embodiment, the sensor is a ToF sensor with a plurality of pixels.
Der ToF-Sensor kann einen Emitter und einen Receiver umfassen, welcher jeweils als IR-Diode ausgebildet ist.The ToF sensor can comprise an emitter and a receiver, each of which is designed as an IR diode.
Ein derartiger Sensor bildet ein Gitter mit einer Vielzahl von Bildpunkten, so dass der Füllstand in einer Vielzahl von Feldern bestimmt werden kann.Such a sensor forms a grid with a large number of pixels so that the fill level can be determined in a large number of fields.
Der Empfängerchip ist vorzugsweise als SPAD-Array (singlephoton avalanche diode) ausgebildet.The receiver chip is preferably designed as a SPAD array (singlephoton avalanche diode).
Das SPAD-Array kann insbesondere auch zur Erfassung des Reflexionsgrades ausgebildet sein. So kann auch die Art des im Behälter befindlichen Füllstoffes erfasst werden. Weiter können durch andere Objekte, wie z.B. die Behälterwand, verursachte Reflexionen ausgeblendet werden.The SPAD array can also be designed to measure the reflectance. This allows the type of filler material in the container to be determined. Furthermore, reflections caused by other objects, such as the container wall, can be masked out.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei dem Sensor um einen Gassensor handeln. Ein Gassensor kann insbesondere der Überwachung der Luftqualität im Behälterinneren dienen. Es sind insbesondere Gassensoren bekannt, die derart programmierbar sind, dass beispielsweise die von Schimmelpilzen erzeugten Gase detektiert werden können. So kann die Luftqualität durch das Sensormodul überwacht werden.According to a further embodiment of the invention, the sensor can be a gas sensor. A gas sensor can be used, in particular, to monitor the air quality inside the container. Gas sensors are known that can be programmed in such a way that, for example, the gases produced by mold can be detected. In this way, the air quality can be monitored by the sensor module.
Der Gassensor kann insbesondere zur Detektion von CO2 und/oder VOC's ausgebildet sein.The gas sensor can be designed in particular to detect CO2 and/or VOCs.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die zweite Platine eine Antenne, insbesondere eine NFC-Antenne.According to a preferred embodiment, the second circuit board comprises an antenna, in particular an NFC antenna.
Über die NFC-Antenne kann die Sensoreinheit über ein NFCfähiges Gerät, insbesondere ein Tablet oder Smartphone, programmiert oder ausgelesen werden. Für eine bidirektionale Kommunikation ist in NFC-Interface vorgesehen. Dieses befindet sich vorzugsweise auf der ersten Platine.The NFC antenna allows the sensor unit to be programmed or read using an NFC-enabled device, especially a tablet or smartphone. An NFC interface is provided for bidirectional communication. This is preferably located on the first circuit board.
Die NFC-Antenne ist vorzugsweise als Spule ausgebildet. Vorzugsweise ist die NFC-Antenne in einer inneren Schicht einer Mehrlagen-Platine angeordnet. So ist ein kompakter Aufbau möglich. Insbesondere kann die gesamte Oberseite der Platine zum Bestücken mit Solarmodulen genutzt werden.The NFC antenna is preferably designed as a coil. The NFC antenna is preferably arranged in an inner layer of a multilayer circuit board. This allows for a compact design. In particular, the entire top side of the circuit board can be used for mounting solar modules.
Die Induktivität der NFC-Antenne liegt vorzugsweise zwischen 10 und 30 µH bei 100kHz.The inductance of the NFC antenna is preferably between 10 and 30 µH at 100 kHz.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Sensoreinheit ein Energy-Harvesting-Modul. Das Energy-Harvesting-Modul umfasst einen Spannungswandler, über den die von dem zumindest einen Solarmodul erzeugte Spannung, insbesondere im Millivolt-Bereich, derart erhöht werden kann, dass ein Speicher, der zur Energieversorgung des Sensormoduls dient, aufgeladen werden kann.In a further development of the invention, the sensor unit comprises an energy harvesting module. The energy harvesting module comprises a voltage converter, via which the voltage generated by the at least one solar module, in particular in the millivolt range, can be increased such that a storage device used to supply energy to the sensor module can be charged.
Das Energy-Harvesting-Modul kann einen Boost-Converter umfassen. Dieser erhöht die Spannung des Solarmoduls insbesondere um einen Faktor über 10, vorzugsweise über 100, insbesondere von 100 bis 500. Zur Erhöhung der Spannung umfasst die Boost-Schaltung beispielsweise über Dioden verschaltete Transistoren, insbesondere MOSFETs. Diese können, insbesondere als Kette hintereinander verschaltet, die Eingangsspannung schrittweise erhöhen.The energy harvesting module can include a boost converter. This increases the voltage of the solar module, in particular by a factor of more than 10, preferably more than 100, in particular from 100 to 500. To increase the voltage, the boost circuit comprises transistors, in particular MOSFETs, connected via diodes, for example. These can gradually increase the input voltage, especially when connected in series in a chain.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Energy-Harvesting-Modul mit der Antenne, insbesondere der NFC-Antenne, gekoppelt. Über die NFC-Antenne kann so beispielsweise beim Konfigurieren mittels eines NFC-fähigen Geräts der Speicher der Sensoreinheit aufgeladen werden.In a further development of the invention, an energy harvesting module is connected to the antenna, in particular The NFC antenna can be used, for example, to charge the sensor unit's memory during configuration using an NFC-enabled device.
Das mit der NFC-Antenne gekoppelte Energy-Harvesting-Modul kann insbesondere in einem NFC-Kommunikationsmodul integriert sein.The energy harvesting module coupled with the NFC antenna can be integrated in particular in an NFC communication module.
Zur Fernkommunikation, insbesondere zur Weitergabe der Sensordaten, umfasst die Sensoreinheit vorzugsweise eine Funksendeeinheit, welche auf einer Low-Power-Funktechnologie, beispielsweise LoRa, BAN, Sigfox oder NBIoT basiert.For remote communication, in particular for transmitting the sensor data, the sensor unit preferably comprises a radio transmitter unit based on a low-power radio technology, for example LoRa, BAN, Sigfox or NBIoT.
Die Sendeeinheit kann nach einem Low-Power-Funkstandard nach IEEE 802.15.4-2020 oder nach IEEE 1451.5-2007 ausgebildet sein.The transmitting unit can be designed according to a low-power radio standard according to IEEE 802.15.4-2020 or IEEE 1451.5-2007.
Der Speicher ist vorzugsweise als zumindest ein Kondensator, insbesondere als Superkondensator ausgebildet. Gegenüber einem Akku ist ein Superkondensator besonders langlebig und unempfindlich gegenüber extremen Temperaturen.The storage device is preferably designed as at least one capacitor, in particular a supercapacitor. Compared to a battery, a supercapacitor is particularly durable and resistant to extreme temperatures.
Der Kondensator ist vorzugsweise ein EDLC Kondensator, also einer niederohmiger Doppelschichtkondensator.The capacitor is preferably an EDLC capacitor, i.e. a low-resistance double-layer capacitor.
Die Kapazität des oder der Kondensatoren zusammen beträgt vorzugsweise 10 bis 250 F.The combined capacitance of the capacitor(s) is preferably 10 to 250 F.
Alternativ kann ein Akku verwendet werden.Alternatively, a battery can be used.
Vorstehend genannter Sensor dient im Sinne der Erfindung als Primärmess-Sensor.The above-mentioned sensor serves as a primary measuring sensor in the sense of the invention.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Sensoreinheit mit einer Sekundärmess-Sensorik ausgebildet. Hierdurch können weitere Funktionalitäten bereitgestellt werden.In a further development of the invention, the sensor unit is designed with a secondary measurement sensor system. This allows for additional functionalities to be provided.
Die Sekundärmess-Sensorik befindet sich vorzugsweise auf der zweiten Platine. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Temperatursensor, insbesondere um einen Präzisionstemperatursensor handeln.The secondary measurement sensor is preferably located on the second circuit board. This can be a temperature sensor, especially a precision temperature sensor.
Weiter kann ein Beschleunigungssensor, insbesondere ein Drei-Achsen-Beschleunigungssensor vorhanden sein. Dieser dient einer Fall- und/oder 3- bzw. 6D-Orientierungserkennung.An acceleration sensor, particularly a three-axis acceleration sensor, may also be present. This serves for fall and/or 3D or 6D orientation detection.
Weiter kann ein Hybrid-Filter-Multispektralsensor mit integriertem Lichtsensor sowie ein Drucksensor, insbesondere ein Absolut-Drucksensor vorhanden sein.Furthermore, a hybrid filter multispectral sensor with integrated light sensor and a pressure sensor, in particular an absolute pressure sensor, may be present.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoreinheit insbesondere auf der zweiten Platine eine RGB-LED. Über die RGB-LED kann ein Lichtimpuls in das zu messende Objekt, insbesondere den Behälter, abgegeben werden. Mittels des Multispektralsensors kann so die Farbe des angestrahlten Objekts bestimmt werden. Die Farbe des Lichtimpulses kann beispielsweise über eine Softwarekonfiguration des Controllers der Sensoreinheit geändert werden und so an die jeweilige Anwendung angepasst werden.According to a further embodiment, the sensor unit comprises an RGB LED, particularly on the second circuit board. A light pulse can be emitted into the object to be measured, in particular the container, via the RGB LED. The multispectral sensor can thus determine the color of the illuminated object. The color of the light pulse can be changed, for example, via a software configuration of the sensor unit's controller, thus adapting it to the respective application.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit wird vorzugsweise mit einer Software betrieben, die in eine Datenplattform und eine Konfigurations-Software über das Antennen-Interface unterteilt werden kann.The sensor unit according to the invention is preferably operated with software that can be divided into a data platform and a configuration software via the antenna interface.
Die Datenplattform kann folgende Informationen zumindest teilweise umfassen:
- - Karte der eingesetzten Module mit Anzeige von Füllständen, Zeitstempel letzte Datenübermittlung, Kondensatorspannung, Funkqualität und/oder Filterfunktionen zum Eingliedern von relevanten Daten.
- - Liste der eingesetzten Module mit Anzeige von Füllständen, Zeitstempel letzte Datenübermittlung, Kondensatorspannung, Funkqualität und frei wählbarer Sekundärmess-Sensorik und/oder Filterfunktionen zum Eingliedern von relevanten Daten.
- - Detailansicht eines eingesetzten Moduls mit Anzeige von Füllständen, Zeitstempel letzte Datenübermittlung, Kondensatorspannung, Funkqualität und eingesetzte Sekundärmess-Sensorik und/oder Datenhistorie mit wählbarer Zeitspanne, Filterfunktionen zum Eingliedern von relevanten Daten und/oder 3D-Ansicht von zu messenden Objekte und deren Füllstand.
- - Aktionsbereich zum Senden von Daten-/Konfigurations-/Firmware-Updates an die montierten Module. Diese kann entweder als festgelegte Gruppe oder als Einzelbefehl erfolgen.
- - Karte der eingesetzten Gateways/Funkmasten mit Anzeige von Zeitstempel letzte Datenübermittlung, Funkqualität und/oder Filterfunktionen zum Eingliedern von relevanten Daten.
- - Objektbibliothek zum Anlegen neuer Objekte und deren 3D-Modelle und/oder Metadaten wie Länge, Breite, Höhe. So können Volumenberechnungen automatisiert vorgenommen werden.
- - Liste der eingesetzten Gateways/Funkmasten mit Anzeige von Zeitstempel, letzte Datenübermittlung, Funkqualität und/oder Filterfunktionen zum Eingliedern von relevanten Daten.
- - Detailansicht eines eingesetzten Gateways / Funkmast mit Anzeige von Zeitstempel letzte Datenübermittlung und/oder Funkqualität. Filterfunktionen zum Eingliedern von relevanten Daten.
- - Exportfunktionen für bspw. Excel mit den gesammelten Daten.
- - Schnittstellen-Management zum Konfigurieren zum Anbinden von Drittsystemen via REST-API.
- - Automatisierungs-Management zum Konfigurieren von Aktionen innerhalb der Datenplattform.
- - Benachrichtigungs-Management zum Konfigurieren von „Alarmen“ bei z.B. Erreichen von bestimmten Füllständen an bestimmten Sensoren, Temperaturen etc.
- - Nutzermanagement mit Berechtigungssystem.
- - Abrechnungsdaten.
- - Map of the modules used with display of fill levels, timestamp of last data transmission, capacitor voltage, radio quality and/or filter functions for integrating relevant data.
- - List of the modules used with display of fill levels, timestamp of last data transmission, capacitor voltage, radio quality and freely selectable secondary measuring sensors and/or filter functions for integrating relevant data.
- - Detailed view of a module used with display of fill levels, timestamp of last data transmission, capacitor voltage, radio quality and secondary measurement sensors used and/or data history with selectable time period, filter functions for incorporating relevant data and/or 3D view of objects to be measured and their fill level.
- - Action area for sending data/configuration/firmware updates to the mounted modules. This can be done either as a defined group or as an individual command.
- - Map of the gateways/radio masts used with display of timestamp of last data transmission, radio quality and/or filter functions for incorporating relevant data.
- - Object library for creating new objects and their 3D models and/or metadata such as length, width, and height. This allows volume calculations to be performed automatically.
- - List of the gateways/radio masts used with display of timestamp, last data transmission, radio quality and/or filter functions for incorporating relevant data.
- - Detailed view of a deployed gateway / radio mast with display of timestamp last Data transmission and/or radio quality. Filter functions for incorporating relevant data.
- - Export functions for e.g. Excel with the collected data.
- - Interface management for configuring the connection to third-party systems via REST API.
- - Automation management to configure actions within the data platform.
- - Notification management to configure “alarms” when, for example, certain fill levels are reached at certain sensors, temperatures, etc.
- - User management with authorization system.
- - Billing data.
Weiter können über die Datenplattform via Machine-Learning-Algorithmen Vorhersagen zu Wartungen, Füllständen, etc. getroffen werden.Furthermore, the data platform can be used to make predictions about maintenance, fill levels, etc. using machine learning algorithms.
Ferner ist es möglich, auch ohne in der Hardware eingesetzte GNSS-Elektronik, Positionsbestimmungen von Modulen, welche an dynamisch positionierten Objekten montiert wurden, zu treffen. Dies ist durch Signaltriangulation an den fest installierten Gateways möglich.Furthermore, it is possible to determine the position of modules mounted on dynamically positioned objects even without GNSS electronics integrated into the hardware. This is possible through signal triangulation at the permanently installed gateways.
Die Konfigurations-Software umfasst vorzugsweise folgende Funktionalitäten:
- - Auslesen eines Moduls vor Ort mit den relevanten Parametern zum Einbinden in das Funknetzwerk.
- - Konfigurieren aller relevanten Parametern zum Einbinden in das Funknetzwerk, falls Werkseinstellungen abgeändert werden müssen.
- - Triggern einer Testnachricht zum Senden an die Datenplattform.
- - Überspielen von Firmware-Updates.
- - Reading out a module on site with the relevant parameters for integration into the wireless network.
- - Configure all relevant parameters for integration into the wireless network if factory settings need to be changed.
- - Trigger a test message to send to the data platform.
- - Transferring firmware updates.
Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt eine Sensoreinheit.According to a further aspect, the invention relates to a sensor unit.
Diese kann insbesondere vorstehend beschriebene Merkmale umfassen.This may in particular include the features described above.
Die Sensoreinheit umfasst ein Gehäuse, welches vorzugsweise in das Durchgangsloch einer Wand einsetzbar ist.The sensor unit comprises a housing which can preferably be inserted into the through hole of a wall.
Auf einer Oberseite umfasst die Sensoreinheit zumindest eine Solarzelle zur Energieversorgung. Die Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ dienen im Sinne der Erfindung nur der Definition der verschiedenen Seiten. So kann das Sensormodul beispielsweise auch in die Seitenwand eines Behälters eingebaut sein.On its upper side, the sensor unit comprises at least one solar cell for power supply. The terms "top" and "bottom" serve only to define the different sides within the meaning of the invention. For example, the sensor module can also be installed in the side wall of a container.
Auf einer Unterseite ist ein Sensor, insbesondere ein Füllstandssensor, vorgesehen. Weiter umfasst die Sensoreinheit einen Speicher, insbesondere einen Kondensator.A sensor, in particular a fill level sensor, is provided on the underside. The sensor unit also includes a storage device, in particular a capacitor.
Die Sensoreinheit umfasst ferner eine Antenne, insbesondere eine NFC-Antenne, sowie ein Energy-Harvesting-Modul, über das der Speicher mit der von der Solarzelle erzeugten Energie aufgeladen werden kann.The sensor unit further comprises an antenna, in particular an NFC antenna, as well as an energy harvesting module, via which the storage device can be charged with the energy generated by the solar cell.
Wie vorstehend beschrieben, kann das das oder ein weiteres Energy-Harvesting-Modul seine Energie zusätzlich auch aus der Antenne beziehen.As described above, the energy harvesting module or another energy harvesting module can also draw its energy from the antenna.
Die Sensoreinheit wird vorzugsweise auch in einen Behälter, insbesondere einen Lagerbehälter, Abfallbehälter, den doppelten Boden eines Raums, insbesondere eines Serverraums, oder einen Verteilerschrank eingebaut.The sensor unit is preferably also installed in a container, in particular a storage container, waste container, the false floor of a room, in particular a server room, or a distribution cabinet.
Der Behälter umfasst eine Wand mit einem Durchgangsloch, in das der Sensor eingesetzt ist.The container includes a wall with a through hole into which the sensor is inserted.
Die Sensoreinheit kann insbesondere als Deckel mit einem umlaufenden Kragen am Gehäuse ausgebildet sein.The sensor unit can in particular be designed as a cover with a circumferential collar on the housing.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Überwachung des Füllstandes eines Behälter, insbesondere eines Behälters, die dieser vorstehend beschrieben wurde.The invention further relates to a method for monitoring the fill level of a container, in particular a container as described above.
Mittels einer in eine Behälterwand eingesetzten Sensoreinheit wird der Füllstand im Behälter erfasst, wobei die Sensoreinheit mittels zumindest einer Solarzelle, die an der Sensoreinheit angeordnet ist über ein Energie-Harvesting-Modul mit Energie versorgt wird, wobei der Füllstand über eine nach einer Low-Power-Funktechnologie ausgebildeten Funksendeeinheit übertragen wird.The fill level in the container is detected by means of a sensor unit inserted into a container wall, wherein the sensor unit is supplied with energy by means of at least one solar cell arranged on the sensor unit via an energy harvesting module, wherein the fill level is transmitted via a radio transmitter unit designed according to a low-power radio technology.
Hierdurch wird eine wartungsfreie Überwachung von Füllstanden, insbesondere in der kommunalen Abfallentsorgung ermöglicht.This enables maintenance-free monitoring of fill levels, particularly in municipal waste disposal.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen
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1 und2 sind perspektivische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensormoduls. -
3 ist eine Draufsicht auf die Oberseite der zweiten Platine, die mit Solarzellen bestückt ist. -
4 ist eine Draufsicht auf die Unterseite der zweiten Platine. -
5 ist eine Draufsicht auf die Oberseite der ersten Platine. -
6 ist eine Draufsicht auf die Unterseite der ersten Platine.
-
1 and2 are perspective views of an embodiment of a sensor module according to the invention. -
3 is a top view of the second circuit board, which is equipped with solar cells. -
4 is a top view of the bottom of the second board. -
5 is a top view of the first board. -
6 is a top view of the bottom of the first board.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die Sensoreinheit 1 ist als Deckel ausgebildet, der in die Durchgangsöffnung eines Behälters, beispielsweise in einer Öffnung im Deckel eines Abfallbehälters, eingesetzt werden kann. Das Gehäuse 10 der Sensoreinheit 1 umfasst ein als Kragen ausgebildetes Oberteil 11. Der Kragen liegt im montierten Zustand an der an das Durchgangsloch angrenzenden Wand des Behälters an.The sensor unit 1 is designed as a lid that can be inserted into the through-hole of a container, for example, into an opening in the lid of a waste container. The housing 10 of the sensor unit 1 comprises an upper part 11 designed as a collar. When mounted, the collar rests against the wall of the container adjacent to the through-hole.
Das Unterteil 12 der vorzugsweise kreiszylindrisch ausgebildeten Sensoreinheit 1 ist mit einem Außengewinde 13 versehen.The lower part 12 of the preferably circular-cylindrical sensor unit 1 is provided with an external thread 13.
Zur Montage der Sensoreinheit 1 wird ein als Innengewinde ausgebildetes Durchgangsloch in die Wand des Behälters eingebracht.To mount the sensor unit 1, a through hole designed as an internal thread is made in the wall of the container.
Sodann wird die Sensoreinheit 1 eingeschraubt, bis der Kragen des Gehäuseoberteils 11 an der Wand zur Anlage kommt.The sensor unit 1 is then screwed in until the collar of the upper housing part 11 comes into contact with the wall.
Oberteil 11 und Unterteil 12 sind in diesem Ausführungsbeispiel mittels Schrauben 14 verbunden.In this embodiment, the upper part 11 and the lower part 12 are connected by means of screws 14.
Zwei sich gegenüberliegende Abflachungen 15 des Unterteils 12 dienen dem Einspannen bei dessen Herstellung.Two opposing flats 15 of the lower part 12 serve for clamping during its manufacture.
In dieser Darstellung ist oben die zweite Platine 100 zu erkennen, welche eine Mehrzahl von Solarzellen 101 umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier als SMD-Solarmodule ausgebildete Solarzellen 101 vorhanden, welche als im Wesentlichen rechteckige Anordnung auf der Oberseite der Platine 100 verteilt sind.In this illustration, the second circuit board 100 can be seen at the top, which comprises a plurality of solar cells 101. In this exemplary embodiment, four solar cells 101 designed as SMD solar modules are present, which are distributed in a substantially rectangular arrangement on the top side of the circuit board 100.
Die zweite Platine 100 bildet ein Mess- und Sendemodul.The second board 100 forms a measuring and transmitting module.
Auf der Unterseite ist die erste Platine 200 im montierten Zustand nach innen in den Behälter ausgerichtet.On the underside, the first board 200 is aligned inwards into the container when assembled.
Auf der Unterseite umfasst die erste Platine 200 zumindest einen Sensor, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als ToF-Sensormodul 210 ausgebildet ist.On the underside, the first circuit board 200 comprises at least one sensor, which in this embodiment is designed as a ToF sensor module 210.
Die zweite Platine 200 umfasst die Mess- und Sendeelektronik.The second board 200 contains the measuring and transmitting electronics.
Das ToF-Sensormodul 210 umfasst eine als SPAD-Array ausgebildete Empfänger-Matrix und kann so den Füllstand eines Behälters an einer Vielzahl von Messstellen erfassen.The ToF sensor module 210 comprises a receiver matrix designed as a SPAD array and can thus detect the fill level of a container at a large number of measuring points.
Die NFC-Antenne 103 ist als Spule ausgebildet und in einer Zwischenlage der Leiterplatte 100 angeordnet.The NFC antenna 103 is designed as a coil and arranged in an intermediate layer of the circuit board 100.
Optional können weitere Lagen der Leiterplatten weitere Antennen, beispielsweise für BLE (Bluetooth Low-Energy) umfassen.Optionally, additional layers of the circuit boards can include additional antennas, for example for BLE (Bluetooth Low-Energy).
Auf der Unterseite befindet sich ein Steckkontakt 102.On the bottom there is a plug contact 102.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Platinen (100, 200) über eine elektrische Steckverbindung zusammengesteckt.In this embodiment, the circuit boards (100, 200) are plugged together via an electrical connector.
Der Steckkontakt 102 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittig auf der kreisförmigen Platine 100 angeordnet.In this embodiment, the plug contact 102 is arranged centrally on the circular circuit board 100.
Neben dem ToF-Sensor 210 ist zur Bereitstellung von weiteren Funktionalitäten eine weitere Sensorik vorgesehen.In addition to the ToF sensor 210, another sensor is planned to provide additional functionality.
In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich auf der Platine 200 eine RGB-LED 201, über die Lichtimpulse in das Behälterinnere abgegeben werden können. Weiter befindet sich auf der Platine 200 ein Temperatursensor 202.In this embodiment, an RGB LED 201 is located on the circuit board 200, via which light pulses can be emitted into the container interior. A temperature sensor 202 is also located on the circuit board 200.
Ein Hybrid-Spektralsensor 206, welcher vorzugsweise in einem mittleren Bereich der Platine 100 angeordnet ist, dient der Erfassung der Lichtfarbe reflektierten Lichtes, insbesondere Lichts, welches von der RGB-LED emittiert und zurück geworfen wird.A hybrid spectral sensor 206, which is preferably arranged in a central region of the circuit board 100, serves to detect the light color of reflected light, in particular light that is emitted and reflected by the RGB LED.
Weiter ist ein Drucksensor 203 zur Erfassung des Absolutdrucks vorhanden.There is also a pressure sensor 203 for measuring the absolute pressure.
Zur Fall- und Orientierungserkennung befindet sich ferner ein 3D-Beschleunigungssensor 204 auf der Platine 200.For fall and orientation detection, a 3D acceleration sensor 204 is also located on the circuit board 200.
Ein vorzugsweise nach dem LoRa Standard ausgebildetes Sendemodul 230 dient der Fernkommunikation.A transmitter module 230, preferably designed according to the LoRa standard, is used for remote communication.
Das Sendemodul 230 ist mit einer Low-Power-Funktechnologie ausgestattet.The transmitter module 230 is equipped with low-power radio technology.
Das Sendemodul 230 umfasst einen Microcontroller, der der Steuerung und Programmierung der Sensoreinheit dient.The transmitter module 230 includes a microcontroller that is used to control and program the sensor unit.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Sendemodul 230 mit einem Antennenanschluss 205 verbunden, welcher auch auf der Platine 200 angeordnet ist. Ein Anschlusskabel der Antenne für das Sendemodul (nicht dargestellt) kann am Antennenanschluss 205 eingesetzt werden. Die Antenne für das Sendemodul kann z.B. an der Innenwand des Gehäuse angebracht werden, z.B. mittels Verkleben.In this embodiment, the transmitter module 230 is connected to an antenna connector 205, which is also located on the circuit board 200. A connecting cable for the antenna for the transmitter module (not shown) can be inserted into the antenna connector 205. The antenna for the transmitter module can be attached, for example, to the inner wall of the housing, e.g., by gluing.
Ein NFC-Modul 240 ist mit der NFC-Antenne (103) der zweiten Platine verbunden.An NFC module 240 is connected to the NFC antenna (103) of the second board.
Weiter befindet sich auf der Platine 200 zumindest ein Energy-Harvesting-Modul 220, welches derart ausgebildet ist, das selbst Spannung der Solarzellen im Minivoltbereich derart erhöht werden kann, dass damit ein Energiespeicher beladen werden kann.Furthermore, at least one energy harvesting module 220 is located on the circuit board 200, which is designed in such a way that even the voltage of the solar cells in the minivolt range can be increased in such a way that an energy storage device can be charged.
Die Energy-Harvesting-Elektronik 220 umfasst eine Einrichtung, welche der integrierten Mikrocontroller-Funksendeeinheit Feedback zum aktuellen Energie- und Ladezustand des Speichers geben kann. Somit kann gewährleistet werden, dass Mess-, und Sendezyklen nur bei ausreichend vorhandener Energie gestartet werden, damit undefinierte Zustände und Abbrüche von Prozessen verhindert werden.The energy harvesting electronics 220 includes a device that can provide feedback to the integrated microcontroller radio transmitter unit on the current energy and charge status of the storage device. This ensures that measurement and transmission cycles are only initiated when sufficient energy is available, thus preventing undefined states and process interruptions.
Das NFC-Modul 240 ist ebenfalls mit einer Energy-Harvesting-Sektion ausgestattet und kann so aus den NFC-Funkwellen Energie gewinnen und diese ebenfalls in den Speicher laden.The NFC module 240 is also equipped with an energy harvesting section and can thus extract energy from the NFC radio waves and also load it into the memory.
So kann eine besonders effektive und schnelle Aufladung des Speichers erfolgen.This allows the storage to be charged particularly effectively and quickly.
Auf der Unterseite 200 befindet sich ein Steckanschluss 207 für eine elektrische Verbindung mit der zweiten Platine.On the underside 200 there is a connector 207 for an electrical connection to the second circuit board.
Weiter befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel auf der Unterseite zwei Superkondensatoren 208, welche über das zumindest eine Energy-Harvesting-Modul aufgeladen werden.Furthermore, in this embodiment, there are two supercapacitors 208 on the underside, which are charged via the at least one energy harvesting module.
Die hier dargestellten Platinen sind mit einer Vergussmasse im Gehäuse vergossen, so dass das Gehäuse hermetisch abgedichtet ist.The circuit boards shown here are encapsulated in the housing with a potting compound so that the housing is hermetically sealed.
Durch die Erfindung konnte eine weitgehend wartungsfreie Sensoreinheit, insbesondere zur Erfassung von Füllständen in Behältern bereitgestellt werden.The invention made it possible to provide a largely maintenance-free sensor unit, particularly for detecting fill levels in containers.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SensoreinheitSensor unit
- 1010
- GehäuseHousing
- 1111
- GehäuseoberteilUpper case
- 1212
- GehäuseunterteilLower housing part
- 1313
- Außengewindeexternal thread
- 1414
- Schraubescrew
- 1515
- Abflachungflattening
- 100100
- zweite Platine (Solar/NFC-Antennenmodul)second board (solar/NFC antenna module)
- 101101
- Solarzellesolar cell
- 102102
- Steckkontaktplug contact
- 103103
- NFC-AntenneNFC antenna
- 200200
- Platine (Mess- und Sendeelektronik)Circuit board (measurement and transmission electronics)
- 201201
- RGB-LEDRGB LED
- 202202
- TemperatursensorTemperature sensor
- 203203
- Drucksensorpressure sensor
- 204204
- BeschleunigungssensorAccelerometer
- 205205
- AntennenanschlussAntenna connection
- 206206
- Hybrid-SpektralsensorHybrid spectral sensor
- 207207
- SteckanschlussPlug connection
- 208208
- SuperkondensatorSupercapacitor
- 210210
- ToF-SensormodulToF sensor module
- 220220
- Energy-Harvesting-ModulEnergy harvesting module
- 230230
- SendemodulTransmitter module
- 240240
- NFC-ModulNFC module
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2022 116 041 A1 [0002]DE 10 2022 116 041 A1 [0002]
Claims (10)
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| DE20307637U1 (en) * | 2003-05-15 | 2003-07-24 | Thermokon Sensortechnik GmbH, 35756 Mittenaar | Measurement sensor, e.g. temperature sensor for use in controlling an air conditioning system, has a solar cell power supply and radio interface for transmission of measurement results to a receiver so that no cabling is required |
| DE102022116041A1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-12-28 | Moebus Digital Solutions GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter: Chris Möbus, 64560 Riedstadt-Wolfskehlen) | Container with fill level monitoring |
-
2024
- 2024-01-30 DE DE102024102532.8A patent/DE102024102532A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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