專利名稱：具有無接觸口的氣體傳感器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，特別是一種電化學氣體傳感器，用于連接至變換器。
電化學氣體傳感器用于根據(jù)多種標準監(jiān)控環(huán)境。例如，在監(jiān)控最大允許濃度MAK的情況中，對于工作環(huán)境監(jiān)控有毒成分。同樣的，氣體傳感器用于UEG/OEG監(jiān)控。UEG/OEG涉及爆炸混合物的濃度，即最低爆炸極限和最高爆炸極限。另一個常被監(jiān)控的參數(shù)是窒息，即故意或無意造成的氧氣耗盡。
在許多應(yīng)用中，氣體傳感器發(fā)生老化，使得它們必須頻繁地在短的操作周期之后被替換，或者它們必須被重新標定。然而，由于氣體傳感器往往安裝在非常不易達到的位置，所以在線標定困難很大。
Drger公司提供了一種模塊化氣體監(jiān)控系統(tǒng)，其由被稱為Polytron2的變換器模塊和與其相連的可替換傳感器模塊構(gòu)成。除了實際的電化學氣體傳感器元件(下面稱為“基礎(chǔ)傳感器”)之外，傳感器模塊還包括集成的溫度傳感器和數(shù)據(jù)傳感器，特別是EEPROM。數(shù)據(jù)存儲器存儲傳感器特定的數(shù)據(jù)，諸如氣體類型、敏感度、制造數(shù)據(jù)以及上一次標定的日期。由于數(shù)據(jù)存儲在傳感器模塊中而不是變換器中，所以傳感器模塊可以在實驗室中被舒適地標定。變換器模塊識別新的傳感器并且自動令自己適合新的傳感器。變換器的輸出信號是模擬的4～20mA信號或者根據(jù)HART標準的數(shù)字信號。
傳感器模塊和變換器模塊之間的通信以及向傳感器模塊的能量供應(yīng)經(jīng)由具有插塞接觸的接口發(fā)生，該插塞接觸在傳感器模塊的電路和變換器模塊的電路之間造成電耦合。這是具有缺點的，因為插塞接觸可以在腐蝕環(huán)境中質(zhì)量降低。這可能危及模塊之間的信號傳遞。另外，有在替換傳感器模塊期間在插塞接觸處發(fā)生火花放電的危險。這在有爆炸危險的環(huán)境中是特別要避免的。
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種氣體傳感器模塊，其克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些缺點。
根據(jù)本發(fā)明，這個目的通過獨立權(quán)利要求1中定義的氣體傳感器模塊、獨立權(quán)利要求8中定義的變換器模塊以及獨立權(quán)利要求10中定義的模塊化氣體傳感器配置得以實現(xiàn)。
本發(fā)明的氣體傳感器模塊包括基礎(chǔ)傳感器，用于檢測氣體濃度；數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲傳感器數(shù)據(jù)或過程數(shù)據(jù)；和接口，連接至上級單元，用于與上級單元的數(shù)據(jù)交換以及用于通過上級單元向氣體傳感器模塊的能量提供，并且用于從和/或向數(shù)字存儲器讀取和/或?qū)懭霐?shù)字數(shù)據(jù)，其中氣體傳感器模塊的該接口是無接觸接口。無接觸接口可以例如實現(xiàn)為無接觸插塞或?qū)崿F(xiàn)為互補的無接觸插塞的插座。
術(shù)語“無接觸”意味著傳感器側(cè)的接口與變換器側(cè)的接口電絕緣。無接觸接口可以例如是光學、電容或電感接口，這里優(yōu)選電感接口。相應(yīng)的接口例如在申請人的歐洲專利申請No.1 216 079中有描述。這里將該歐洲專利申請全部合并，作為對于接口結(jié)構(gòu)的參考。
上級單元特別地是合適的變換器模塊或用于記錄并處理氣體傳感器模塊的數(shù)據(jù)的另一合適的裝置。氣體傳感器模塊的接口到上級系統(tǒng)的連接可以直接完成或者經(jīng)由連接電纜完成，該連接電纜具有合適的無接觸接口。無接觸接口可以例如實現(xiàn)為插座或者實現(xiàn)為互補的無接觸插座的插塞。
優(yōu)選地，氣體傳感器模塊和變換器模塊的接口的所有表面都是抗腐蝕的，從而可以避免腐蝕性環(huán)境對于數(shù)據(jù)交換和能量供應(yīng)的影響。由于接口的表面被密封并且特別是沒有對電觸點的開口，所以接口的表面材料可以簡單地匹配特殊的腐蝕性介質(zhì)，并且可以避免對于特殊使用環(huán)境而優(yōu)化的接口材料建造工具系統(tǒng)。
基本上，氣體傳感器模塊是否具有操作氣體傳感器模塊所需的所有電子電路以及是否從氣體傳感器模塊的電路寫入和/或讀取數(shù)據(jù)存儲器，或者是否從連接的上級單元寫入和/或讀取數(shù)據(jù)，對于本發(fā)明都是不重要的。
在優(yōu)選實施例形式中，本發(fā)明的氣體傳感器模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其生成數(shù)字信號，該數(shù)字信號是依賴于氣體濃度的基礎(chǔ)傳感器模擬信號的函數(shù)。
本發(fā)明的氣體傳感器模塊優(yōu)選地還包括微處理器，其一方面控制在氣體傳感器模塊的接口和上級系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，另一方面控制數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器的讀取和寫入。特別優(yōu)選地，模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成入微處理器。然而，對于本發(fā)明的簡單的實施例，微處理器可以從模塊化氣體傳感器中省略。在這種情況中，從和/或向數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器讀取和/或?qū)懭霐?shù)據(jù)可以由上級系統(tǒng)，例如變換器模塊控制。
優(yōu)選地，氣體傳感器模塊具有外殼，其中集成數(shù)據(jù)存儲器、接口以及需要的其它電子部件，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器。
在特別優(yōu)選的實施例形式中，溫度傳感器被集成入氣體傳感器模塊，以能夠在分析基礎(chǔ)傳感器的基本信號時考慮溫度及其對于基礎(chǔ)傳感器的敏感度的影響。
數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器優(yōu)選地是數(shù)據(jù)存儲器，其可以被多次和/或一次寫入。當前特別優(yōu)選EEPROMS，EPROMS也基本上同樣適合。
數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器可以存儲特別是一個或多個以下數(shù)據(jù)待測氣體或氣體混合物；標定日期；在第一溫度，特別是25攝氏度處確定的傳感器敏感度；溫度偏移；后勤信息，例如SAP碼和/或訂單號碼；序列號；操作溫度范圍；氣體濃度的額定范圍；操作溫度的極限值；操作的氣體濃度的極限值；(檢查標定的)技術(shù)員的識別；使用時間；傳感器檢查系統(tǒng)狀態(tài)；氣體濃度的測量值；和溫度的測量值。
上級單元，例如變換器模塊可以優(yōu)選地以讀指令訪問所有存儲的數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，上級單元，例如變換器模塊可以使用寫指令存儲對于存儲器中的以上數(shù)據(jù)的選擇。
本發(fā)明的變換器模塊用于操作至少一個氣體傳感器模塊，包括無接觸接口，用于接收來自氣體傳感器模塊的數(shù)據(jù)，并且如果需要還用于將數(shù)據(jù)發(fā)送至氣體傳感器模塊，還用于向氣體傳感器模塊提供能量，其中數(shù)據(jù)包括傳感器特定的數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)；和通信電路，用于輸出至少一個依賴于測量數(shù)據(jù)的信號。無接觸接口可以例如構(gòu)造為無接觸插塞或構(gòu)造為互補無接觸插塞的插座。通信電路可以是例如用于生成4～20mA信號的電路、HART調(diào)制解調(diào)器、或用于連接至數(shù)據(jù)總線的接口，該數(shù)據(jù)總線例如是Fieldbus Foundation數(shù)據(jù)總線或PROFIBUS數(shù)據(jù)總線。
本發(fā)明的模塊化氣體傳感器配置包括本發(fā)明的變換器模塊和適于與變換器模塊使用的本發(fā)明的至少一個氣體傳感器模塊。
在本發(fā)明的實施例中，本發(fā)明的多個氣體傳感器模塊直接或通過具有合適的無接觸接口的電纜而連接至上級單元，例如本發(fā)明的變換器。在這種情況中，氣體傳感器模塊可以例如對于不同的氣體類型或混合物特殊并且/或者它們可以監(jiān)控在不同位置同一氣體類型的濃度。
例如在本申請人的尚未公開的德國專利申請102 20 450中描述了經(jīng)由具有無接觸接口的電纜的數(shù)據(jù)傳輸，該無接觸接口用于連接至傳感器模塊或變換器模塊，這里將該申請作為參考。在電纜捆束內(nèi)，即，在電纜的氣體傳感器模塊側(cè)的接口和到上級單元的連接之間，數(shù)據(jù)和能量的傳輸?shù)囊环N合適的類型例如是根據(jù)RS485協(xié)議進行的。關(guān)于這一點的細節(jié)，從參考的申請中可以得到。
從從屬權(quán)利要求、對于實施例的描述以及附圖中將可以清楚地看到本發(fā)明的其它特征，附圖中

圖1是本發(fā)明的模塊化氣體傳感器配置的框圖；和圖2是氣體傳感器模塊的接口的機械設(shè)計的透視圖。
現(xiàn)在根據(jù)圖1和2解釋本發(fā)明的一個實施例。圖1中的框圖顯示了氣體傳感器模塊1，其具有傳感器外殼2和其中設(shè)置的基礎(chǔ)傳感器3，基礎(chǔ)傳感器包含電化學氣體傳感器元件。在外殼2中還設(shè)置了微處理器4，其優(yōu)選地具有集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)5。微處理器4一方面與基礎(chǔ)傳感器3的模擬輸出耦合，另一方面與數(shù)字存儲器6相連，后者在這個實施例中是EEPROM。最后，微處理器4與電感接口7相連，經(jīng)由該接口一方面實現(xiàn)氣體傳感器模塊1的能量供應(yīng)，另一方面實現(xiàn)從和向上級單元的數(shù)據(jù)傳輸，在這種情況中，上級單元包括變換器模塊8。可選擇的，還可以在存儲器6和接口7之間提供直接連接。
變換器模塊8包括變換器側(cè)的電感接口9，用于氣體傳感器模塊1的能量供應(yīng)以及用于與氣體傳感器模塊1的數(shù)字數(shù)據(jù)交換。另外，變換器模塊包括數(shù)據(jù)處理單元11，其與變換器側(cè)電感接口9和系統(tǒng)側(cè)接口10耦合。在系統(tǒng)側(cè)接口處，測量數(shù)據(jù)可以被輸出并且設(shè)備特定的數(shù)據(jù)可以被交換。為此，可以使用任何現(xiàn)有的協(xié)議，例如HART、FieldbusFoundation或PROFIBUS協(xié)議。
在測量操作中，微處理器4從基礎(chǔ)傳感器接收依賴于氣體濃度的至少一個模擬信號以及優(yōu)選地還接收依賴于溫度的模擬信號。ADC 5將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號一方面存儲在數(shù)據(jù)存儲器6中，另一方面可以經(jīng)由電感接口7輸出至變換器模塊8。
關(guān)于電感數(shù)據(jù)傳遞和能量供應(yīng)的細節(jié)，再次參考歐洲專利申請No.1 216 079，其在這里被完全合并，作為參考。
用于分析依賴于氣體濃度和如果可能的溫度數(shù)據(jù)的信號的參數(shù)以標定數(shù)據(jù)的形式存儲在數(shù)據(jù)存儲器6中。遵循變換器模塊8的讀指令，標定數(shù)據(jù)被經(jīng)由微處理器4或直接地輸出至電感接口7，以可以由變換器模塊8的數(shù)據(jù)處理單元11用于進一步處理，例如誤差補償?shù)取?br> 在氣體傳感器模塊1的第一次標定或再標定時，變換器側(cè)的寫指令被輸出，用于存儲確定的標定數(shù)據(jù)，這導致在EEPROM 6中存儲數(shù)據(jù)。
圖2顯示了在棒狀基礎(chǔ)傳感器3，特別是玻璃電極上的氣體傳感器模塊1的外殼的機械配置的實施例。
外殼2在其外表面上具有螺紋12，模塊化氣體傳感器1可以利用它安裝在配件中。外殼2具有背離基礎(chǔ)傳感器3的圓柱形端部，在其外表面中排列卡口連接的凹槽。圓柱形端部中設(shè)置電感接口7。在外殼2的端側(cè)具有圓柱形軸向盲孔，其用于接收變換器側(cè)電感接口9的鑲嵌鐵氧體磁心。在實施例的情況中，變換器側(cè)的電感接口9實施為與變換器模塊相連的電纜上的插塞。同樣，變換器側(cè)的接口9可以直接構(gòu)造在變換器模塊外殼等上。插塞在其面向氣體傳感器模塊1的端側(cè)具有袖狀外表面，其軸向延伸并且同軸環(huán)繞鐵氧體磁心。蕩插塞被固定至外殼2時，袖狀外表面包括外殼2的圓柱形端部的至少一部分。于是，在袖狀外表面上的徑向向內(nèi)延伸的突起與卡口連接的凹槽接合，以穩(wěn)固插塞。
權(quán)利要求
1.氣體傳感器模塊，包括基礎(chǔ)傳感器，用于檢測氣體濃度；數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲傳感器數(shù)據(jù)或過程數(shù)據(jù)；和接口，連接至上級單元，用于氣體傳感器模塊的能量供應(yīng)以及用于氣體傳感器模塊與上級單元之間的數(shù)據(jù)交換，其特征在于，接口是無接觸接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器模塊，其中無接觸接口構(gòu)造為無接觸插塞或構(gòu)造為互補的無接觸插塞的插座。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體傳感器模塊，其中無接觸接口包括電感接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的氣體傳感器模塊，進一步包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于生成數(shù)字信號，該信號是基礎(chǔ)傳感器依賴于氣體濃度的模擬信號的函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的氣體傳感器模塊，進一步包括微處理器，其一方面控制在氣體傳感器模塊的接口和上級系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，另一方面控制數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器的讀和寫。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體傳感器模塊，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成入微處理器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的氣體傳感器模塊，進一步包括溫度傳感器。
8.用于操作根據(jù)前述權(quán)利要求之一的至少一個氣體傳感器模塊的變換器模塊，包括無接觸接口，用于與氣體傳感器模塊的數(shù)據(jù)交換以及用于氣體傳感器模塊的能量供應(yīng)；和通信電路，用于輸出依賴于測量數(shù)據(jù)的至少一個信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變換器模塊，其中通信電路是用于生成4～20mA信號的電路、HART調(diào)制解調(diào)器、或用于連接至數(shù)據(jù)總線的接口，該數(shù)據(jù)總線例如是Fieldbus Foundation數(shù)據(jù)總線或者PROFIBUS數(shù)據(jù)總線。
10.模塊化氣體傳感器配置，包括根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的變換器模塊以及與其適配的根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的至少一個氣體傳感器模塊。
全文摘要
本發(fā)明的氣體傳感器模塊包括基礎(chǔ)傳感器，用于檢測氣體濃度；數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲傳感器數(shù)據(jù)或過程數(shù)據(jù)；和接口，連接至上級單元，用于氣體傳感器模塊的能量提供以及用于在氣體傳感器模塊和上級單元之間的數(shù)據(jù)交換，其中該接口是無接觸接口。本發(fā)明的變換器模塊用于操作根據(jù)上述權(quán)利要求之一的至少一個氣體傳感器模塊，包括無接觸接口，用于與氣體傳感器模塊的數(shù)據(jù)交換以及用于向氣體傳感器模塊提供能量；和通信電路，用于輸出至少一個依賴于測量數(shù)據(jù)的信號。
文檔編號H01R13/66GK1764836SQ200480007910
公開日2006年4月26日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月26日
發(fā)明者彼得·林德穆勒, 梅爾廷·洛曼 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾測量及調(diào)節(jié)技術(shù)分析儀表兩合公司