DE20101751U1 - Multi-parameter measuring system for analysis technology - Google Patents
Multi-parameter measuring system for analysis technologyInfo
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Description
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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.The present invention relates to a modular multi-parameter measuring system with a bus structure, preferably for recording electrochemical parameters such as pH value, redox potential, conductivity, oxygen content, disinfectant content and others. The preferred field of application of the invention is the recording and control of analysis parameters in water and wastewater treatment, process chemistry, biotechnology, pharmaceutical and food industries and the water quality monitoring of rivers and lakes.
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].The state of the art in the area of measuring and controlling analytical parameters is measuring transducers and measuring systems for individual parameters. These devices record and process the signal provided by a sensor and make the measured value available in the form of a display and an output signal in analog or digital form. Measuring transducers for individual parameters or fixed combinations of parameters with a field bus connection, so-called intelligent field devices, are also known. The field bus is characterized by various well-known and standardized bus protocols (such as PROFIBUS, INTERBUS, CAN bus, etc.). Field bus technology has considerable advantages when coupling measuring transducers (reduction in cable connections) and when transmitting additional information, such as status signals, operating states, sensor characteristics or diagnostic characteristics [K. BENDER, R. BIRKHOFER, M. BREGULLA et al.: Future system technology for automation. Electronics 1/2000, 76-82; U. MARTENS: Tailored to the field bus, 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 ProzessanwendungIn terms of the basic hardware structure, the measuring transducers for electrochemical parameters only differ in terms of the input amplifiers for the corresponding sensor signal. Electrochemical sensors deliver small voltages or currents with usually extremely high internal resistances. If no external preamplifiers are used, this results in limited distances between the measuring transducer and sensor and high demands on the cable connections. Furthermore, electrochemical sensors are characterized by the fact that their characteristic parameters change depending on the time of use and the conditions of use in comparatively short time intervals compared to other sensors. For process applications
sind deshalb in den Messumformern Funktionen für die Kalibrierung und die Sensordiagnose integriert.Therefore, functions for calibration and sensor diagnostics are integrated into the measuring transducers.
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.Multi-sensor systems are increasingly being used in analytical technology. These systems are characterized by the fact that one sensor simultaneously records several parameters, e.g. pH value, temperature and redox potential, or that several sensors are combined into one unit. This increases the number of process parameters recorded with one sensor. Fieldbus technology offers the possibility of transmitting this and other information simultaneously. However, if a measuring transducer in conjunction with the associated sensor only records one parameter, possibly coupled with the temperature, the digital transmission options are only partially used. Multi-parameter measuring devices with a modular, fieldbus-based structure combine the high functionality of digital information transmission with the advantages and possibilities of multi-sensor systems as well as application-specific configuration and considerable advantages in terms of price/performance ratio.
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. The invention specified in claims 1 to 6 is based on the technical problem of developing a multi-parameter measuring system for use in analytical technology, which can be adapted to the measuring and control tasks within wide limits in a specific application and ensures the simultaneous detection and control of several electrochemical parameters via a reliable and simple internal bus structure.
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 weitereThe solution to the problem according to the invention is that the multi-parameter measuring system for analytical technology, consisting of intelligent sensor modules, actuator modules, a head module and a base unit, is connected via the CAN bus (Controller Area Network) and that the sensor modules record the signals supplied by the respective electrochemical sensors and process them taking into account the calibration parameters stored in the modules and other measurement parameters such as temperature. The actuator modules represent output modules and implement analog current outputs, relay outputs, digital outputs, data loggers with logbook function or controllers for process control. The head module provides the digital information supplied by the sensor modules for display in the base unit, implements the output of the measured values and status signals via further
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.Fieldbus outputs (e.g. PROFIBUS, INTERBUS) and transmits commands and control signals for the sensor and actuator modules to the bus in the opposite direction. The base unit is used to display the measured values and status signals, to supply power and to communicate with the user, e.g. via a keyboard. At the same time, the base unit forms the vessel system required for field use, in which sensor and actuator modules can also be integrated.
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.The invention makes it possible to connect several sensor modules to one another in any combination to record electrochemical parameters. This makes use of the advantages of multifunctional sensors for the simultaneous recording of several parameters. The bus structure of the connection makes the effort for the cable connections simple and allows for subsequent addition of additional sensor or actuator modules without any problems. Since electrochemical parameters do not change in extremely short time intervals, particularly in water and wastewater treatment, a periodic query of the modules on the bus is possible. Sensor and actuator modules are thus adapted to the specific measurement and control task and can partially be spatially integrated in the base unit. If required, additional measurement modules are connected externally to the CAN bus leading out of the base unit. The CAN bus is primarily known from automotive technology and the CAN protocol is standardized (ISO 11898, DIN 9684). The advantages of high interference immunity, flexible communication system, easy handling, high real-time capability, multi-master system and large permissible transmission paths make the serial bus system particularly suitable for networking intelligent input/output units. The use of the CAN bus also enables the sensor modules to be used as preamplifiers for spatially distant sensors or sensor systems. A further advantage results from the use of uniform hardware components in the modules with only minor deviations according to the parameters to be recorded. This enables economical production of the modules and the base unit with subsequent configuration according to the measurement task. In widely branched systems of sensor and actuator modules, it is possible to connect a second head module with a simplified base unit in the form of a handheld device to the bus connection and thus enable the necessary on-site calibration of the electrochemical sensors.
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. The uniform menu structure of the measuring system firmware for calibration and configuration, the realization of complete system solutions and the simple evaluation of possible correlations between the measuring parameters are further advantages of the invention.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Blockstruktur in Figur 1 näher erläutert.An embodiment of the invention is explained in more detail using the schematic block structure in Figure 1.
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-The sensor modules 4 use the sensors 6 connected to them to measure pH value, redox potential, oxygen content, conductivity, chlorine concentration and other parameters. Temperature sensors are advantageously integrated into the sensors, the signal from which is also processed in the sensor modules. Alternatively, a sensor module for separate temperature measurement is connected to a temperature sensor. The sensor modules process the input signals supplied by the sensors, store calibration data and have a CAN bus interface. For use as a preamplifier directly near the sensor, the modules communicate securely with each other and with the head module 2 over distances of up to several hundred meters. In the exemplary embodiment, actuator modules 5 represent relays including controls for controlling pumps and valves or for signaling alarm states, data loggers for storing the measured values, logbook memory for recording activities, digital outputs or analog current outputs 7 for the measured values. The outputs of each module are connected bidirectionally to the CAN bus 3. This allows measured values, status information and diagnostic data to be transmitted, as well as commands and configuration data. The head module 2 is used for communication between the components of the base unit and the bus, contains the firmware for calibration and configuration in various menu structures and provides the information on the field bus interface 8. In the example, the base unit 1 includes a display, power supply, real-time clock and keyboard and at the same time implements the vessel system appropriate to the operating conditions. Certain sensor and actuator modules, such as data loggers, activatable controller functions, relay outputs, current outputs, logbook and internal measuring modules, can be implemented as a structural unit with the base unit. This corresponds to the need to calibrate electrochemical sensors in dialogue with the user. If another head module with a simplified base unit is used as a portable on-site device, calibration can also be carried out remotely.
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.The multi-parameter measuring system for analytical technology is characterized by the modular bus structure, Simultaneous display of several measured variables, largely automatic calibration algorithms, sensor diagnostics, self-monitoring of the system, simple operation and configuration, reliable power supply with a wide input voltage range and documentation of all activities and system states in the logbook. All sensor modules are largely identical in terms of their dimensions and structural design. External modules are located in a splash-proof housing in order to achieve installation as close as possible to the sensor.
Claims (6)
Priority Applications (1)
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| DE20101751U DE20101751U1 (en) | 2001-02-01 | 2001-02-01 | Multi-parameter measuring system for analysis technology |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE20101751U DE20101751U1 (en) | 2001-02-01 | 2001-02-01 | Multi-parameter measuring system for analysis technology |
Publications (1)
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| DE20101751U1 true DE20101751U1 (en) | 2001-04-19 |
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ID=7952390
Family Applications (1)
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| DE20101751U Expired - Lifetime DE20101751U1 (en) | 2001-02-01 | 2001-02-01 | Multi-parameter measuring system for analysis technology |
Country Status (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE20101751U1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2001
- 2001-02-01 DE DE20101751U patent/DE20101751U1/en not_active Expired - Lifetime
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