专利名称：具有无接触口的气体传感器模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体传感器，特别是一种电化学气体传感器，用于连接至变换器。
电化学气体传感器用于根据多种标准监控环境。例如，在监控最大允许浓度MAK的情况中，对于工作环境监控有毒成分。同样的，气体传感器用于UEG/OEG监控。UEG/OEG涉及爆炸混合物的浓度，即最低爆炸极限和最高爆炸极限。另一个常被监控的参数是窒息，即故意或无意造成的氧气耗尽。
在许多应用中，气体传感器发生老化，使得它们必须频繁地在短的操作周期之后被替换，或者它们必须被重新标定。然而，由于气体传感器往往安装在非常不易达到的位置，所以在线标定困难很大。
Drger公司提供了一种模块化气体监控系统，其由被称为Polytron2的变换器模块和与其相连的可替换传感器模块构成。除了实际的电化学气体传感器元件(下面称为“基础传感器”)之外，传感器模块还包括集成的温度传感器和数据传感器，特别是EEPROM。数据存储器存储传感器特定的数据，诸如气体类型、敏感度、制造数据以及上一次标定的日期。由于数据存储在传感器模块中而不是变换器中，所以传感器模块可以在实验室中被舒适地标定。变换器模块识别新的传感器并且自动令自己适合新的传感器。变换器的输出信号是模拟的4～20mA信号或者根据HART标准的数字信号。
传感器模块和变换器模块之间的通信以及向传感器模块的能量供应经由具有插塞接触的接口发生，该插塞接触在传感器模块的电路和变换器模块的电路之间造成电耦合。这是具有缺点的，因为插塞接触可以在腐蚀环境中质量降低。这可能危及模块之间的信号传递。另外，有在替换传感器模块期间在插塞接触处发生火花放电的危险。这在有爆炸危险的环境中是特别要避免的。
因此，本发明的任务是提供一种气体传感器模块，其克服现有技术中的这些缺点。
根据本发明，这个目的通过独立权利要求1中定义的气体传感器模块、独立权利要求8中定义的变换器模块以及独立权利要求10中定义的模块化气体传感器配置得以实现。
本发明的气体传感器模块包括基础传感器，用于检测气体浓度；数字数据存储器，用于存储传感器数据或过程数据；和接口，连接至上级单元，用于与上级单元的数据交换以及用于通过上级单元向气体传感器模块的能量提供，并且用于从和/或向数字存储器读取和/或写入数字数据，其中气体传感器模块的该接口是无接触接口。无接触接口可以例如实现为无接触插塞或实现为互补的无接触插塞的插座。
术语“无接触”意味着传感器侧的接口与变换器侧的接口电绝缘。无接触接口可以例如是光学、电容或电感接口，这里优选电感接口。相应的接口例如在申请人的欧洲专利申请No.1 216 079中有描述。这里将该欧洲专利申请全部合并，作为对于接口结构的参考。
上级单元特别地是合适的变换器模块或用于记录并处理气体传感器模块的数据的另一合适的装置。气体传感器模块的接口到上级系统的连接可以直接完成或者经由连接电缆完成，该连接电缆具有合适的无接触接口。无接触接口可以例如实现为插座或者实现为互补的无接触插座的插塞。
优选地，气体传感器模块和变换器模块的接口的所有表面都是抗腐蚀的，从而可以避免腐蚀性环境对于数据交换和能量供应的影响。由于接口的表面被密封并且特别是没有对电触点的开口，所以接口的表面材料可以简单地匹配特殊的腐蚀性介质，并且可以避免对于特殊使用环境而优化的接口材料建造工具系统。
基本上，气体传感器模块是否具有操作气体传感器模块所需的所有电子电路以及是否从气体传感器模块的电路写入和/或读取数据存储器，或者是否从连接的上级单元写入和/或读取数据，对于本发明都是不重要的。
在优选实施例形式中，本发明的气体传感器模块包括模数转换器，其生成数字信号，该数字信号是依赖于气体浓度的基础传感器模拟信号的函数。
本发明的气体传感器模块优选地还包括微处理器，其一方面控制在气体传感器模块的接口和上级系统之间的数据交换，另一方面控制数字数据存储器的读取和写入。特别优选地，模数转换器集成入微处理器。然而，对于本发明的简单的实施例，微处理器可以从模块化气体传感器中省略。在这种情况中，从和/或向数字数据存储器读取和/或写入数据可以由上级系统，例如变换器模块控制。
优选地，气体传感器模块具有外壳，其中集成数据存储器、接口以及需要的其它电子部件，例如模数转换器和微处理器。
在特别优选的实施例形式中，温度传感器被集成入气体传感器模块，以能够在分析基础传感器的基本信号时考虑温度及其对于基础传感器的敏感度的影响。
数字数据存储器优选地是数据存储器，其可以被多次和/或一次写入。当前特别优选EEPROMS，EPROMS也基本上同样适合。
数字数据存储器可以存储特别是一个或多个以下数据待测气体或气体混合物；标定日期；在第一温度，特别是25摄氏度处确定的传感器敏感度；温度偏移；后勤信息，例如SAP码和/或订单号码；序列号；操作温度范围；气体浓度的额定范围；操作温度的极限值；操作的气体浓度的极限值；(检查标定的)技术员的识别；使用时间；传感器检查系统状态；气体浓度的测量值；和温度的测量值。
上级单元，例如变换器模块可以优选地以读指令访问所有存储的数据。优选地，上级单元，例如变换器模块可以使用写指令存储对于存储器中的以上数据的选择。
本发明的变换器模块用于操作至少一个气体传感器模块，包括无接触接口，用于接收来自气体传感器模块的数据，并且如果需要还用于将数据发送至气体传感器模块，还用于向气体传感器模块提供能量，其中数据包括传感器特定的数据和测量数据；和通信电路，用于输出至少一个依赖于测量数据的信号。无接触接口可以例如构造为无接触插塞或构造为互补无接触插塞的插座。通信电路可以是例如用于生成4～20mA信号的电路、HART调制解调器、或用于连接至数据总线的接口，该数据总线例如是Fieldbus Foundation数据总线或PROFIBUS数据总线。
本发明的模块化气体传感器配置包括本发明的变换器模块和适于与变换器模块使用的本发明的至少一个气体传感器模块。
在本发明的实施例中，本发明的多个气体传感器模块直接或通过具有合适的无接触接口的电缆而连接至上级单元，例如本发明的变换器。在这种情况中，气体传感器模块可以例如对于不同的气体类型或混合物特殊并且/或者它们可以监控在不同位置同一气体类型的浓度。
例如在本申请人的尚未公开的德国专利申请102 20 450中描述了经由具有无接触接口的电缆的数据传输，该无接触接口用于连接至传感器模块或变换器模块，这里将该申请作为参考。在电缆捆束内，即，在电缆的气体传感器模块侧的接口和到上级单元的连接之间，数据和能量的传输的一种合适的类型例如是根据RS485协议进行的。关于这一点的细节，从参考的申请中可以得到。
从从属权利要求、对于实施例的描述以及附图中将可以清楚地看到本发明的其它特征，附图中
图1是本发明的模块化气体传感器配置的框图；和图2是气体传感器模块的接口的机械设计的透视图。
现在根据图1和2解释本发明的一个实施例。图1中的框图显示了气体传感器模块1，其具有传感器外壳2和其中设置的基础传感器3，基础传感器包含电化学气体传感器元件。在外壳2中还设置了微处理器4，其优选地具有集成的模数转换器(ADC)5。微处理器4一方面与基础传感器3的模拟输出耦合，另一方面与数字存储器6相连，后者在这个实施例中是EEPROM。最后，微处理器4与电感接口7相连，经由该接口一方面实现气体传感器模块1的能量供应，另一方面实现从和向上级单元的数据传输，在这种情况中，上级单元包括变换器模块8。可选择的，还可以在存储器6和接口7之间提供直接连接。
变换器模块8包括变换器侧的电感接口9，用于气体传感器模块1的能量供应以及用于与气体传感器模块1的数字数据交换。另外，变换器模块包括数据处理单元11，其与变换器侧电感接口9和系统侧接口10耦合。在系统侧接口处，测量数据可以被输出并且设备特定的数据可以被交换。为此，可以使用任何现有的协议，例如HART、FieldbusFoundation或PROFIBUS协议。
在测量操作中，微处理器4从基础传感器接收依赖于气体浓度的至少一个模拟信号以及优选地还接收依赖于温度的模拟信号。ADC 5将模拟信号转换为数字信号。数字信号一方面存储在数据存储器6中，另一方面可以经由电感接口7输出至变换器模块8。
关于电感数据传递和能量供应的细节，再次参考欧洲专利申请No.1 216 079，其在这里被完全合并，作为参考。
用于分析依赖于气体浓度和如果可能的温度数据的信号的参数以标定数据的形式存储在数据存储器6中。遵循变换器模块8的读指令，标定数据被经由微处理器4或直接地输出至电感接口7，以可以由变换器模块8的数据处理单元11用于进一步处理，例如误差补偿等。
在气体传感器模块1的第一次标定或再标定时，变换器侧的写指令被输出，用于存储确定的标定数据，这导致在EEPROM 6中存储数据。
图2显示了在棒状基础传感器3，特别是玻璃电极上的气体传感器模块1的外壳的机械配置的实施例。
外壳2在其外表面上具有螺纹12，模块化气体传感器1可以利用它安装在配件中。外壳2具有背离基础传感器3的圆柱形端部，在其外表面中排列卡口连接的凹槽。圆柱形端部中设置电感接口7。在外壳2的端侧具有圆柱形轴向盲孔，其用于接收变换器侧电感接口9的镶嵌铁氧体磁心。在实施例的情况中，变换器侧的电感接口9实施为与变换器模块相连的电缆上的插塞。同样，变换器侧的接口9可以直接构造在变换器模块外壳等上。插塞在其面向气体传感器模块1的端侧具有袖状外表面，其轴向延伸并且同轴环绕铁氧体磁心。荡插塞被固定至外壳2时，袖状外表面包括外壳2的圆柱形端部的至少一部分。于是，在袖状外表面上的径向向内延伸的突起与卡口连接的凹槽接合，以稳固插塞。
权利要求
1.气体传感器模块，包括基础传感器，用于检测气体浓度；数字数据存储器，用于存储传感器数据或过程数据；和接口，连接至上级单元，用于气体传感器模块的能量供应以及用于气体传感器模块与上级单元之间的数据交换，其特征在于，接口是无接触接口。
2.根据权利要求1所述的气体传感器模块，其中无接触接口构造为无接触插塞或构造为互补的无接触插塞的插座。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器模块，其中无接触接口包括电感接口。
4.根据权利要求1至3之一所述的气体传感器模块，进一步包括模数转换器，用于生成数字信号，该信号是基础传感器依赖于气体浓度的模拟信号的函数。
5.根据权利要求1至4之一所述的气体传感器模块，进一步包括微处理器，其一方面控制在气体传感器模块的接口和上级系统之间的数据交换，另一方面控制数字数据存储器的读和写。
6.根据权利要求5所述的气体传感器模块，其中模数转换器集成入微处理器。
7.根据权利要求1至6之一所述的气体传感器模块，进一步包括温度传感器。
8.用于操作根据前述权利要求之一的至少一个气体传感器模块的变换器模块，包括无接触接口，用于与气体传感器模块的数据交换以及用于气体传感器模块的能量供应；和通信电路，用于输出依赖于测量数据的至少一个信号。
9.根据权利要求8所述的变换器模块，其中通信电路是用于生成4～20mA信号的电路、HART调制解调器、或用于连接至数据总线的接口，该数据总线例如是Fieldbus Foundation数据总线或者PROFIBUS数据总线。
10.模块化气体传感器配置，包括根据权利要求8或9所述的变换器模块以及与其适配的根据权利要求1至7之一所述的至少一个气体传感器模块。
全文摘要
本发明的气体传感器模块包括基础传感器，用于检测气体浓度；数字数据存储器，用于存储传感器数据或过程数据；和接口，连接至上级单元，用于气体传感器模块的能量提供以及用于在气体传感器模块和上级单元之间的数据交换，其中该接口是无接触接口。本发明的变换器模块用于操作根据上述权利要求之一的至少一个气体传感器模块，包括无接触接口，用于与气体传感器模块的数据交换以及用于向气体传感器模块提供能量；和通信电路，用于输出至少一个依赖于测量数据的信号。
文档编号H01R13/66GK1764836SQ200480007910
公开日2006年4月26日 申请日期2004年3月25日 优先权日2003年3月26日
发明者彼得·林德穆勒, 梅尔廷·洛曼 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技术分析仪表两合公司