DE20101751U1 - Mehrparameter-Messsystem für die Analysentechnik - Google Patents

Description

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Mehrparameter-Messsystem für die Analysentechnik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares Mehrparameter-Messsystem mit Busstruktur vorzugsweise zur Erfassung elektrochemischer Parameter, wie pH-Wert, Redoxpotential, Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt, Gehalt an Desinfektionsmitteln und weitere. Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Erfassung und Steuerung von Analysenparametern in der Wasser- und Abwasseraufbereitung, Prozesschemie, Biotechnologie, Pharma- und Lebensmittelindustrie und die Wassergüteüberwachung von Flüssen und Seen.

Stand der Technik im Bereich der Messung und Regelung von Analysenparametern sind Messumformer und Messsysteme für einzelne Parameter. Diese Geräte erfassen und verarbeiten das von einem Sensor gelieferte Signal und stellen den Messwert in Form einer Anzeige und eines Ausgangssignals in analoger oder digitaler Form zur Verfügung. Bekannt sind ebenfalls Messumformer für einzelne Parameter oder fest vorgegebene Kombinationen von Parametern mit Feldbusanschluss sogenannte intelligente Feldgeräte. Der Feldbus zeichnet sich durch verschiedene bekannte und standardisierte Busprotokolle aus (wie z.B. PROFIBUS, INTERBUS, CAN-Bus usw.). Die Feldbustechnik hat erhebliche Vorteile bei der Kopplung von Messumformern (Reduzierung der Kabelverbindungen) und bei der Übertragung zusätzlicher Informationen, wie Statussignale, Betriebszustände, Sensorkenndaten oder Diagnosekenndaten [K. BENDER, R. BIRKHOFER, M. BREGULLA u.a.: Zukünftige Systemtechnik der Automatisierung. Elektronik 1/2000, 76-82; U. MARTENS: Auf den Feldbus zugeschnitten, cav 10/99,30-32].

Im prinzipiellen Aufbau der Hardware unterscheiden sich die Messumformer für elektrochemische Parameter nur hinsichtlich der Eingangsverstärker für das entsprechende Sensorsignal. Elektrochemische Sensoren liefern kleine Spannungen oder Ströme mit meist extrem hohen Innenwiderständen. Soweit keine externen Vorverstärker zum Einsatz kommen, resultieren hieraus begrenzte Entfernungen zwischen Messumformer und Sensor sowie hohe Anforderungen an die Kabelverbindungen. Weiterhin sind elektrochemische Sensoren dadurch gekennzeichnet, dass sich ihre charakteristischen Parameter in Abhängigkeit der Einsatzzeit und den Einsatzbedingungen in zu anderen Sensoren vergleichsweise kurzen Zeitabständen ändern. Für die Prozessanwendung

sind deshalb in den Messumformern Funktionen für die Kalibrierung und die Sensordiagnose integriert.

In der Analysentechnik werden zunehmend Multisensorsysteme eingesetzt, die sich dadurch auszeichnen, dass ein Sensor gleichzeitig mehrere Parameter erfasst, z.B. pH-Wert, Temperatur und Redoxpotential, oder dass mehrere Sensoren zu einer Baueinheit zusammengefasst werden. Damit steigt die Zahl der mit einem Sensor erfassten Prozessparameter. Die Feldbustechnik bietet die Möglichkeit, diese und weitere Informationen gleichzeitig zu übertragen. Soweit ein Messumformer in Verbindung mit dem zugehörigen Sensor jedoch nur einen Parameter, evtl. gekoppelt mit der Temperatur, erfasst, werden die digitalen Übertragungsmöglichkeiten nur unvollständig genutzt. Mehrparameter-Messgeräte mit modularer, feldbusbasierter Struktur verbinden die hohe Funktionalität der digitalen Informationsübertragung mit den Vorteilen und Möglichkeiten von Multisensorsystemen sowie der anwendungsspezifischen Konfiguration und erheblichen Vorteilen im Preis/Leistungsverhältnis.

Der in den Ansprüchen 1 bis 6 angegebenen Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Mehrparameter-Messsystem für den Einsatz in der Analysentechnik zu entwickeln, das anwendungsspezifisch den Mess- und Regelaufgaben in weiten Grenzen angepasst werden kann und über eine zuverlässige und einfache interne Busstruktur die simultane Erfassung und Steuerung mehrerer elektrochemischer Parameter gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht darin, dass das Mehrparameter-Messsystem für die Analysentechnik, bestehend aus intelligenten Sensormodulen, Aktormodulen, einem Kopfmodul und einem Basisgerät über den CAN-Bus (Controller Area Network) verbunden werden und dass die Sensormodule die von den jeweiligen elektrochemischen Sensoren gelieferten Signale erfassen und unter Berücksichtigung der in den Modulen gespeicherten Kalibrierparameter und weiterer Messparameter wie z.B. der Temperatur verarbeiten. Dabei stellen die Aktormodule Ausgabemodule dar und realisieren analoge Stromausgänge, Relaisausgänge, digitale Ausgänge, Datenlogger mit Logbuchfunktion oder Regler zur Prozesssteuerung. Das Kopfmodul stellt die von den Sensormodulen gelieferten digitalen Informationen zur Anzeige im Basisgerät bereit, realisiert die Ausgabe der Messwerte und Statussignale über weitere

Feldbusausgänge (z.B. PROFIBUS, INTERBUS) und überträgt in entgegengesetzter Richtung Befehle und Steuersignale für die Sensor- und Aktormodule an den Bus. Das Basisgerät dient der Anzeige der Messwerte und Statussignale, der Stromversorgung und der Kommunikation mit dem Benutzer z.B. durch eine Tastatur. Gleichzeitig bildet das Basisgerät das für den Feldeinsatz notwendige Gefäßsystem, in dem auch Sensor- und Aktormodule integriert werden können.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass in beliebiger Kombination mehrere Sensormodule zur Erfassung elektrochemischer Parameter miteinander verbunden werden können. Damit werden die Vorteile von Multifunktionssensoren zur simultanen Erfassung mehrerer Parameter genutzt. Die Busstruktur der Verbindung gestaltet den Aufwand für die Kabelverbindungen einfach und ermöglicht problemlos eine nachträgliche Ergänzung durch weitere Sensor- oder Aktormodule. Da sich elektrochemische Parameter insbesondere in der Wasser- und Abwasseraufbereitung nicht in extrem kurzen Zeitabständen ändern, ist eine periodische Abfrage der am Bus befindlichen Module möglich. Sensor- und Aktormodule werden so der spezifischen Mess- und Regelaufgabe angepasst und können teilweise im Basisgerät räumlich integriert werden. Weitere Messmodule werden bei Bedarf extern an den aus dem Basisgerät herausgeführten CAN-Bus angeschlossen. Der CAN-Bus ist in erster Linie aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannt und das CAN-Protokoll ist genormt (ISO 11898, DIN 9684). Durch die Vorteile hohe Störsicherheit, flexibles Kommunikationssystem, einfache Handhabung, hohe Echtzeitfähigkeit, Multi-Master-System und große zulässige Übertragungswege eignet sich das serielle Bussystem insbesondere für die Vernetzung von intelligenten Ein-/Ausgabe-Einheiten. Die Nutzung des CAN-Busses ermöglicht auch den Einsatz der Sensormodule als Vorverstärker für räumlich entfernte Sensoren oder Sensorsysteme. Ein weiterer Vorteil resultiert aus der Verwendung einheitlicher Hardware-Komponenten in den Modulen mit nur geringen Abweichungen entsprechend den zu erfassenden Parametern. Dies ermöglicht eine ökonomische Fertigung der Module und des Basisgerätes mit nachträglicher Konfiguration entsprechend der Messaufgabe. In weit verzweigten Systemen von Sensor- und Aktormodulen ist es möglich, ein zweites Kopfmodul mit einem vereinfachten Basisgerät in Form eines Handgerätes an die Busverbindung anzuschließen und so die notwendige Vor-Ort-Kalibrierung der elektrochemischen Sensoren zu ermöglichen.

Die einheitliche Menüstruktur der Firmware des Messsystems für Kalibrierung und Konfiguration, die Realisierung kompletter Systemlösungen und die einfache Auswertung möglicher Korrelationen zwischen den Messparametern sind weitere Vorteile der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Blockstruktur in Figur 1 näher erläutert.

Die Sensormodule 4 erfassen mittels der mit ihnen verbundenen Sensoren 6 pH-Wert, Redoxpotential, Sauerstoffgehalt, Leitfähigkeit, Chlorkonzentration und andere Parameter. Vorteilhafterweise sind in den Sensoren Temperaturfühler integriert, deren Signal ebenfalls in den Sensormodulen verarbeitet wird. Alternativ ist ein Sensormodul für die getrennte Temperaturmessung mit einem Temperatursensor verbunden. Die Sensormodule verarbeiten die von den Sensoren gelieferten Eingangssignale, speichern Kalibrierdaten und verfügen über ein CAN-Bus-Interface. Zur Nutzung als Vorverstärker direkt in der Nähe des Sensors kommunizieren die Module sicher über Entfernungen von bis zu mehreren 100 m untereinander und mit dem Kopfmodul 2. Aktormodule 5 stellen im Ausführungsbeispiel Relais einschließlich Ansteuerung zur Steuerung von Pumpen und Ventilen oder zur Signalisation von Alarmzuständen, Datenlogger zur Speicherung der Messwerte, Logbuchspeicher zur Erfassung der Aktivitäten, digitale Ausgänge oder analoge Stromausgänge 7 für die Messwerte dar. Die Ausgänge jedes Moduls sind mit dem CAN-Bus 3 bidirektional verbunden. Damit können sowohl Messwerte, Statusinformationen und Diagnosedaten übertragen werden, als auch Befehle und Konfigurationsdaten. Das Kopfmodul 2 dient der Kommunikation der Komponenten des Basisgerätes mit dem Bus, enthält die Firmware zur Kalibrierung und Konfiguration in verschiedenen Menüstrukturen und stellt die Informationen an der Feldbusschnittstelle 8 bereit. Das Basisgerät 1 umfasst im Ausführungsbeispiel Anzeige, Stromversorgung, Echtzeit-Uhr und Tastatur und realisiert gleichzeitig das den Einsatzbedingungen entsprechende Gefäßsystem. Bestimmte Sensor- und Aktormodule, wie Datenlogger, aktivierbare Reglerfunktionen, Relaisausgänge, Stromausgänge, Logbuch und interne Messmodule, können in baulicher Einheit mit dem Basisgerät realisiert werden. Dies entspricht der Notwendigkeit zur Kalibrierung elektrochemischer Sensoren im Dialog mit dem Anwender. Wird ein weiteres Kopfmodul mit vereinfachtem Basisgerät als tragbares Vor-Ort-Gerät eingesetzt, so ist damit auch die Kalibrierung räumlich entfern-

ter Sensormodule und die Kommunikation mit allen anderen am Bus befindlichen Modulen möglich. Simultane Anzeige mehrerer Messgrößen, weitestgehend automatische Kalibrieralgorithmen, Sensordiagnose, Selbstüberwachung des Systems, einfache Bedienung und Konfiguration, zuverlässige Stromversorgung mit weitem Eingangsspannungsbereich und Dokumentation aller Aktivitäten und Systemzustände im Logbuch kennzeichnen neben der modularen Busstruktur das Mehrparameter-Messsystem für die Analysentechnik. Alle Sensormodule sind hinsichtlich ihrer Abmessungen und dem strukturellen Aufbau weitestgehend identisch ausgeführt. Externe Module befinden sich in einem spritzwasserdichten Gehäuse, um eine möglichst nahe Montage zum Sensor zu erreichen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1	Basisgerät
2	Kopfmodul
3	CAN-Bus-Verbindung
4	Sensormodul
5	Aktormodul
6	Sensor
7	Ausgang
8	Feldbusanschluss

Claims (6)

1. Mehrparameter-Messsystem für die Analysentechnik, bestehend aus Sensormodulen (4), Aktormodulen (5), einem Kopfmodul (2) und einem Basisgerät (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Module bidirektional über den CAN-Bus (3) untereinander verbunden sind und dass die intelligenten Sensormodule die von den jeweiligen elektrochemischen Sensoren (6) gelieferten Signale erfassen und unter Berücksichtigung gespeicherter Kalibrierparameter und weiterer Messparameter wie z. B. der Temperatur verarbeiten, und dass die Aktormodule Ausgabemodule, wie Stromausgänge, Relaisausgänge, Datenlogger mit Logbuchfunktion oder Regler zur Prozesssteuerung, realisieren.

2. Mehrparameter-Messsystem für die Analysentechnik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- und Aktormodule im Basisgerät (1) und auch räumlich getrennt als Vorverstärker in unmittelbarer Nähe des Sensors angeordnet sind.

3. Mehrparameter-Messsystem für die Analysentechnik nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormodule für unterschiedliche elektrochemische Messparameter in beliebiger Reihenfolge und Auswahl mit Aktormodulen und dem Kopfmodul (2) verbunden sind.

4. Mehrparameter-Messsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Kommunikation mit dem Betreiber über ein Basisgerät (1) erfolgt.

5. Mehrparameter-Messsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Kopfmodul mit vereinfachtem Basisgerät als Vor-Ort Anzeige- und Kalibrier-Gerät an die Busverbindung angeschlossen werden kann und so in der Kommunikation mit dem Anwender die Kalibrierung räumlich weit entfernter Sensormodule realisiert.

6. Mehrparameter-Messsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein PC mit entsprechend angepasster Schnittstelle die Funktionen des Kopfmoduls und des Basisgerätes übernimmt.