DE4440250B4

DE4440250B4 - Meßwerterfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4440250B4
Application number: DE4440250A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rettig; Klaus Rommel; Ingeborg Dr. Wagner; Herbert Dr. Maier
Original assignee: WTW Wissenschaftlich Technische Werkstatten GmbH
Current assignee: Xylem Analytics Germany GmbH
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1994-11-10
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2014-11-11
Also published as: DE4440250A1

Abstract

Meßwerterfassungsvorrichtung (10) mit einem Behälter (18) für eine zu untersuchende Probe, einem in dem Behälter angeordneten Rührelement (15), einer außerhalb des Behälters angeordneten Rührvorrichtung (14) zur Betätigung des Rührelements über ein von der Rührvorrichtung erzeugtes Feld (26), einem Sensor zur Erfassung von Meßdaten und einer mit diesem verbundenen Meßelektronik (22) zur Erfassung der Meßdaten der zu untersuchenden Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektronik (22) mit einer Empfangseinrichtung (24) für Signale des Feldes (26) der Rührvorrichtung (14) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßwerterfassungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, eine Meßwerterfassungsvorrichtung zur Bestimmung der physikalischen, chemischen und/oder biologischen Parameter einer Probe mit einem Behälter zur Aufnahme der in der Regel flüssigen Probe zu versehen und diesen Behälter auf einer Rührplattform anzuordnen. In dem Behälter ist ein magnetisches Rührstäbchen angeordnet, das durch ein magnetisches Dreh- oder Wechselfeld zum Drehen gebracht wird. Das magnetische Drehfeld wird von einer Rührvorrichtung unterhalb der magnetischen Rührplattform erzeugt.

Es ist weiterhin bekannt, derartige Meßwerterfassungssysteme, wie sie insb. zur Messung des Biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB) in Abwässern verwendet werden, mit einer Meßelektronik zu versehen, die mit Meßsensoren verbunden ist und zur Bestimmung und/oder Speicherung und/oder Auswertung der Meßergebnisse dient. Derartige Meßelektronikschaltungen weisen zum Teil auch Schnittstellen zur Datenübertragung auf.

Um eine leichtere Handhabbarkeit der Meßelektronik zu realisieren, werden diese immer kompakter gebaut und finden zum Teil sogar in einem Behälterverschluß Platz. Eine derartige Meßelektronik ist z.B. in der deutschen Patentanmeldung 44 23 848 beschrieben. Diese Anmeldung zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs. Die Meßelektronik ist in einem Flaschenverschluß des flaschenförmigen Behälters für die zu untersuchende Probe angeordnet und enthält zu ihrer Energieversorgung eine Batterie oder einen Akkumulator. Bei dieser Vorrichtung enthält das Display überdies ein LCD oder LED zur Anzeige der gemessenen oder errechneten Werte. Das Anordnen einer Batterie in dem bekannten Meßkopf erfordert ein Verschlußfach zur entnehmbaren Aufnahme der Batterie. Dies führt zu einem verstärkten Dichtungsaufwand im Bereich des Verschlusses. Derartige Meßköpfe sollen jedoch gegen Verschmutzung durch die zu messenden Probe weitgehend unempfindlich sein. Daher ist es wünschenswert, daß derartige Meßköpfe keine Verschlußkanten oder relativ sich zueinander bewegende Teile aufweisen, an deren Kontaktstellen sich Schmutz anlagern könnte.

Weitere schmutzempfindliche Zonen sind Schnittstellen für eine Datenübertragung oder Energiezufuhrleitungen für den Meßkopf, falls dieser keine eigene Energiequelle aufweist. Durch Zufuhrleitungen wird die Handhabbarkeit des Meßkopfes stark beeinträchtigt.

Die DE 31 02 661 A1 zeigt eine Messwerterfassungsvorrichtung, die einen Behälter für eine zu untersuchende Probe, ein in dem Behälter angeordnetes Rührelement, eine außerhalb des Behälters angeordnete Rührvorrichtung zur Betätigung des Rührelements über einen Innenmagnetrührer und einen Sensor zur Erfassung von Messdaten und eine mit diesem verbundene Messelektronik zur Erfassung und Verarbeitung der Messdaten aufweist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Meßwerterfassungsvorrichtung zu schaffen, die unanfällig gegen Verschmutzung und einfach handhabbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß werden Energie und/oder Daten zwischen der Rührvorrichtung und der Meßelektronik über das elektrische und/oder magnetische Feld übertragen, das von der Rührvorrichtung erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Betriebsenergie der Meßelektronik und der zugehörigen Sensoren aus diesem Feld entzogen werden. Hierfür weist die Meßelektronik eine Empfangseinrichtung für die Signale des elektrischen und/oder magnetischen Feldes auf. Durch diese Empfangseinrichtung werden die Signale des Feldes in elektrische Energie und/oder elektrische Spannungsimpulse umgewandelt, die als Informationsträger für Daten dienen können. Vorzugsweise werden über das elektrische und/oder magnetische Feld der Rührvorrichtung sowohl die Betriebsenergie der Meßelektronik als auch Daten übertragen.

Vorzugsweise weisen sowohl die Rührvorrichtung als auch die Meßelektronik eine Sende/Empfangseinrichtung zum bidirektionalen Signal- bzw. Datenaustausch auf. Auf diese Weise kann von dem z.B. magnetischen Drehfeld der Rührvorrichtung Energie zur Meßelektronik im Meßkopf übertragen werden, während durch Modulation des Drehfeldes Daten zu der Meßelektronik, z.B. zu deren Ansteuerung übertragen werden können. Die Sende/Empfangseinrichtung des Meßkopfes wiederum weist eine Einrichtung zur Modulation des Drehfeldes auf, welche Modulation wiederum von der Empfangseinrichtung der Rührvorrichtung empfangen werden kann. Hierdurch können von der Meßelektronik zu der Rührvorrichtung Meßdaten oder Steuerungsparameter der Meßelektronik übertragen werden.

Vorzugsweise wird das magnetische Drehfeld, welches nachfolgend nur beispielsweise für elektrische und/oder magnetische Felder genannt wird, im Halbduplex-Verfahren bidirektional moduliert. Für die Modulation wird vorzugsweise AM-, FSK- oder PSK-Modulation verwendet. Die Sende/Empfangseinrichtung der Meßelektronik nimmt Einfluß auf das Drehfeld der Rührvorrichtung durch eine Impedanz- oder Belastungsmodulation des Drehfeldes. Die modulierten Felder werden in den Empfangseinrichtungen der Meßelektronik und der Rührvorrichtung demoduliert.

Ein Meßvorgang kann vorzugsweise in folgender Weise durchgeführt werden. Die Meßelektronik erhält ihre Energie durch das magnetische Drehfeld der Rührvorrichtung, das über den Bereich des Magnetrührers hinaus bis in den Bereich streut, in dem die Sende/Empfangseinrichtung der Meßelektronik angeordnet ist. Die Rührvorrichtung moduliert nun das magnetische Drehfeld mit einem Signal, das eine Sendeaufforderung enthält. In der Empfangseinrichtung der Meßelektronik wird das Signal des magnetischen Drehfeldes demoduliert und auf diese Weise die Information über die Sendeaufforderung erhalten. Nun sendet die Meßelektronik ihrerseits durch eine Belastungsmodulation des Drehfeldes die Meßdaten und Statusdaten der Meßelektronik an die Rührvorrichtung, die diese Daten wiederum demoduliert und zur weiteren Verarbeitung z.B. an einer Anzeigeeinrichtung oder an einer Signalverarbeitungseinrichtung weiterleitet. Eine Datenübertragung findet in diesem Fall immer nur initiiert durch ein entsprechendes Sendeaufforderungssignal der Rührvorrichtung statt.

Die Frequenz zur Datenübertragung kann im Bereich von wenigen Hz bis in den Gigahertz-Bereich liegen. Da die zu übertragenden Datenmengen jedoch gering sind, wird vorzugsweise ein Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 135 kHz gewählt, in dem überdies keine oder niedrige Anforderungen für eine amtliche Zulassung bestehen.

Selbstverständlich kann die Drehfrequenz des magnetischen Drehfeldes und die Modulationsfrequenz zur Datenübertragung separat gewählt werden. Die Meßwerterfassungsvorrichtung ermöglicht daher entweder simultan oder alternierend das Rühren und die Signalübertragung.

Selbstverständlich kann auch ein Betrieb eingestellt werden, bei dem nur gerührt oder nur Signale übertragen werden, so daß beide Tätigkeiten der Rührvorrichtung unabhängig voneinander realisierbar sind.

Vorzugsweise wird eine Rührplattform verwendet, die für mehrere Behälter mit einer entsprechenden Anzahl von Meßelektroniken vorgesehen ist. In diesem Fall wird eine Probe über die Position auf der Rührplattform identifiziert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß für jede Rührplattform eine eigene Übertragungsfrequenz gewählt wird, so daß jeder Position eine bestimmte Meßelektronik zugeordnet ist. Auf diese Weise werden Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Proben ausgeschlossen, da jeweils nur eine Meßelektronik mit jeweils einer Rührplattform zusammenwirkt. In einem anderen Fall kann die Identifikation der Meßelektronik durch die Übertragung eines charakteristischen Identifikationscodes für jede Meßelektronik erfolgen, so daß die Wahl der Rührplattform-Position keinen Einfluß auf die Identifikation der Probe hat. Die Rührplattform kann in ihrer Vorderseite ein Display zur Anzeige von Meßdaten und ein Eingabefeld zum Initiieren von Meßzyklen und zur Programmierung der Vorrichtung aufweisen. Durch Verwendung eines Mikroprozessors lassen sich Meßwertzyklen programmieren. So kann z.B. beim Anordnen der Rührplattform mit mehreren Behältern in einem Klimaschrank ein Testlauf automatisch gefahren werden. Der Mikroprozessor enthält in diesem Fall einen, möglichst gepufferten, Speicher zur Zwischenspeicherung der Meßergebnisse. Die Rührplattform kann auch mit einer Schnittstelle zur Online-Verbindung mit einem Computer-Meßplatz versehen sein.

Durch die Erfindung kann die Meßelektronik samt aller Sensoren sehr kompakt in einem vollständig geschlossenen Gehäuse, möglichst einem Meßkopf, der als Verschluß des Behälters dient, angeordnet werden, wodurch ein derartiger Meßkopf sehr verschmutzungsunempfindlich und leicht handhabbar ist.

Für bestimmte Anwendungen kann die Meßelektronik, d.h. die mit ihr verbundene Sende/Empfangseinheit größere Abstände von der zu messenden Probe aufweisen. Dies ist günstig für die Messung in Gewässern, in unterschiedlichen Tiefen und in unwegsamem Gelände.

In einer weiteren Anwendung der Erfindung bilden der Rührkörper und der Sensor eine funktionelle Einheit. Das Rührelement und der Sensor sind hierbei mechanisch gekoppelt. Diese An ordnung hat den Vorteil, daß der oder die Sensoren reproduzierbar angeströmt werden und Probleme mit der mechanischen Fixierung des Sensors entfallen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

1 einen vertikalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Meßwerterfassungsvorrichtung,

2 eine Rührplattform zur simultanen Messung mehrerer Proben, und

3 eine weitere Ausbildungsform der Erfindung, bei der Sensor und Rührelement funktionell integriert sind.

1 zeigt eine Meßwerterfassungsvorrichtung 10 mit einer Rührplattform 12, unterhalb der eine Rührvorrichtung 14 zur Erzeugung eines Drehfeldes angeordnet ist. Mit dem Drehfeld wird ein magnetisches Rührstäbchen 15 betätigt. Die Rührvorrichtung enthält einen Elektromagneten, der über eine Steuerung 16 betätigt und angesteuert wird. Auf der Rührplattform 12 steht ein Behälter 18 in Form einer nach oben hin offenen Flasche. Der Flaschenhals wird von einem Meßwertkopf 20 verschlossen, der als Schraubverschluß ausgebildet ist. In dem Meßkopf 20 ist die Meßelektronik 22 zusammen mit den nicht dargestellten Sensoren und einer Sendeempfangseinrichtung 24 angeordnet. Die Sendeempfangseinrichtung 24 der Meßelektronik 22 ist im Bereich des magnetischen Drehfeldes 26 der Rührvorrichtung 14 angeordnet. Der Meßwertkopf 20 ist nach außen hin völlig abgeschlossen, so daß die Meßelektronik 22, die mit der Meßelektronik 22 verbundenen Sensoren und die Sende/Empfangseinrichtung 24 vollständig in dem Meßkopf 20 gekapselt sind. Der Meßkopf 20 kann z.B. aus Kunststoff bestehen.
Durch das magnetische Feld der Rührvorrichtung 14 wird in der Sende/Empfangseinrichtung 24 der Meßelektronik 22 eine elektrische Spannung induziert, die zur Energieversorgung der Meßelektronik 22 und ihrer zugehörigen Komponenten, wie Speicher, Sensoren, etc. dient. Die Meßelektronik kann entweder dauerhaft messen oder in bestimmten Intervallen. In letzterem Fall wird ein Meßzyklus durch die Rührvorrichtung 14 in folgender Weise initiiert.
Die Steuerung 16 moduliert das magnetische Drehfeld 26 der Rührvorrichtung 14 mit einem Sendeaufforderungssignal. Dieses Sendeaufforderungssignal wird in der Sende/Empfangsvorrichtung 24 der Meßelektronik 22 demoduliert. Hierauf wird die Meßelektronik 22 zur Durchführung einer Messung und zum Absenden der gemessenen Daten veranlaßt. Die gemessenen Daten werden über die Sende/Empfangseinrichtung 24 der Meßelektronik 22 in der Weise gesendet, daß das Drehfeld 26 der Rührvorrichtung 14 moduliert wird. Diese Modulation wird durch die als Sende/Empfangseinrichtung dienende Rührvorrichtung 14 detektiert, demoduliert und hieraus die Meßdaten abgeleitet. Diese Meßdaten werden entweder in der Steuerung 16 gespeichert, aufbereitet und/oder zu einer Schnittstelle zur Aufbereitung weitergeleitet.
Selbstverständlich muß die Sende/Empfangseinrichtung 24 der Meßelektronik 22 nicht in unmittelbarer Nähe der Meßelektronik 22 angeordnet sein. Es ist lediglich erforderlich, daß beide elektrisch miteinander verbunden sind. Ebenso müssen die zugehörigen Sensoren nicht in unmittelbarer Nähe der Meßelektronik 22 und/oder der Sende/Empfangseinrichtung 24 angeordnet sein.
2 zeigt eine Meßwerterfassungsvorrichtung 30 mit acht Positionen 32 für die Anordnung flaschenförmiger Probenbehälter 18. Die Behälter 18 sind von Meßköpfen 20 verschließbar, die auf die flaschenförmigen Behälter 18 aufschraubbar sind. In jedem Meßkopf 20 befindet sich jeweils eine Meßelektronik 22 und eine Sende/Empfangseinrichtung 24 gemäß 1.
Unter den acht Positionen 32 der Rührplattform sind jeweils eigene Rührvorrichtungen 14 angeordnet, die durch eine zentrale gemeinsame Steuerung 16 unabhängig voneinander und simultan betätigbar sind. Die zentrale Steuerung ist mit einem Display 38 zur Anzeige von Meßwerten und mit einem Eingabefeld 40 zur Steuerung und Programmierung der Rührvorrichtungen 14 der acht Positionen 32 versehen. Die zentrale Steuerung 16 kann ebenfalls eine Schnittstelle zur Datenübertragung mit einem Computermeßplatz aufweisen. Die Meßwerterfassungsvorrichtung ist vorzugsweise kälte- und hitzebeständig und daher in einem Klimaschrank plazierbar. Vorzugsweise sind die Übertragungsfrequenzen zur Datenübertragung auf allen acht Positionen 32 unterschiedlich, so daß der Rührvorrichtung jeweils einer Position nur ein ganz bestimmter Meßkopf 20 zugeordnet ist, der in dem entsprechenden Frequenzbe reich empfängt und sendet. Auf diese Weise ist eine Verwechslung von Proben aufgrund falscher Positionierung ausgeschlossen, weil ein Meßkopf immer nur auf einer ganz bestimmten Position arbeitet. Die Betriebsbereitschaft der Meßköpfe kann vor einem Meßzyklus durch einen Selbsttest an allen besetzten Meßpositionen 32 sichergestellt werden.
Vorzugsweise wird die Spule zur Erzeugung des magnetischen Drehfeldes für den Rührstab 15 auch zur Datenübertragung benutzt. Es kann jedoch auch eine zusätzliche Spule im Bereich der Spule der Rührvorrichtung 14 angeordnet werden, die allein zur Modulation des Drehfeldes vorgesehen ist.
In 3 ist eine Ausbildungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Meßelektronik 22 und das Rührelement 15 in einem Gehäuse 42 angeordnet sind. Zu 1 gleiche oder funktionsgleiche Teile sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Empfänger 24 der Meßelektronik 22 nahe beim Sender 14 angeordnet ist, also in einem Bereich hoher Feldstärke. Weiterhin werden die in dem Gehäuse angeordneten Meßsensoren reproduzierbar und gleichmäßig angeströmt, was sich positiv auf die Qualität der Meßergebnisse auswirkt.

Claims

Meßwerterfassungsvorrichtung (10) mit einem Behälter (18) für eine zu untersuchende Probe, einem in dem Behälter angeordneten Rührelement (15), einer außerhalb des Behälters angeordneten Rührvorrichtung (14) zur Betätigung des Rührelements über ein von der Rührvorrichtung erzeugtes Feld (26), einem Sensor zur Erfassung von Meßdaten und einer mit diesem verbundenen Meßelektronik (22) zur Erfassung der Meßdaten der zu untersuchenden Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektronik (22) mit einer Empfangseinrichtung (24) für Signale des Feldes (26) der Rührvorrichtung (14) verbunden ist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale zur Energieversorgung der Meßelektronik (22) dienen.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührvorrichtung (14) und die Meßelektronik (22) über eine Sende-/Empfangseinrichtung (14, 24) zum bidirektionalen Signal- bzw. Datenaustausch verfügen.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Rührvorrichtung (14) erzeugte Feld (26) Signale zur Energieversorgung der Meßelektronik (22) als auch Daten zur Steuerung der Meßelektronik beinhaltet.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Meßelektronik (22) gesendeten Signale Meßwertinformationen als auch Daten über Steuerungsparameter der Meßelektronik beinhalten.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektronik (22) eine Spule (24) aufweist, die im Bereich des elektromagnetischen Feldes (26) einer Magnetrührvorrichtung (14) angeordnet ist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührvorrichtung eine Einrichtung (14, 16) zur Modulation des Feldes (26) aufweist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14, 16) zur AM-, FSK- oder FSK-Modulation des Feldes (26) ausgebildet ist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektronik (22) eine Einrichtung zur Belastungsmodulation des durch die Magnetrührvorrichtung (14) erzeugten Feldes (26) aufweist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfrequenz für die im magnetischen und/oder elektrischen Feld modulierten Signale im Bereich zwischen 10 Hz und 135 kHz liegt.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (18) als Flasche ausgebildet ist, auf deren Öffnung die in einem Flaschenverschluß (20) vorgesehene Meßelektronik (22) angeordnet ist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rührplattform mit mehreren Rührvorrichtungen für die Aufnahme mehrerer Behälter (18) zur simultanen Messung mehrerer Proben vorgesehen ist, und daß die Rührvorrichtungen auf unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen senden und nur mit Meßelektroniken übereinstimmender Übertragungsfrequenz zusammenwirken.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rührplattform mit mehreren Rührvorrichtungen für die Aufnahme mehrerer Behälter (18) zur simultanen Messung mehrerer Proben vorgesehen ist, und daß jede Meßelektronik einen charakteristischen Identifikationscode absendet, der von der Rührvorrichtung nur dieser Meßelektronik zugeordnet wird.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektronik (22) mit Sensoren zur Messung unterschiedlicher physikalischer Größen der im Behälter (18) vorgesehenen Probe verbunden ist, und daß die Energieversorgung der Sensoren ebenfalls durch die Empfangseinrichtung (24) erfolgt.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektronik (22) nach dem Empfang der Signale zur Energieübertragung selbsttätig zur Absendung von Daten veranlaßt wird.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührvorrichtung (14) zum alternierenden oder simultanen Signalübertragen und Rühren ausgebildet ist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsensor, die Meßelektronik (22) und die Empfangseinrichtung (24) in einem mit dem Rührelement (15) mechanisch gekoppelten Gehäuse (42) angeordnet sind.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Frequenzen für die Rotation des Rührelements und die Datenübertragung vorgesehen sind.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälterdeckel eine Gaszuführung mit einem elektrisch betätigbaren Ventil angeordnet ist, welches über die Meßelektronik betätigbar ist.
Meßwerterfassungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Öffnung der Gaszuführung einen Anschluß für eine Gas-, insbesondere Sauerstoff-Kartusche aufweist.