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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Signalübertragung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Erzeugung eines Steuersignals bei der Füllstandmessung und eine Steuergerätanordnung.
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Hintergrund
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Zur Füllstandmessung werden Feldgeräte verwendet, die eine Steuerschaltung aufweisen, wobei die Steuerschaltung einen Sensor, insbesondere einen Füllstandsensor umfasst. Die Feldgeräte können so aufgebaut sein, dass das Feldgerät bei Erfüllung einer vordefinierten Bedingung ein Signal an eine Auswertelektronik sendet, die ihrerseits z.B. eine Pumpe ansteuert.
Das Dokument
DE 698 20 548 T2 beschreibt eine Vorrichtung zum Feststellen von Fehlern in einer elektrischen Leitung eines Fahrzeugs.
Das Dokument
DE 198 03 992 C2 beschreibt ein elektromagnetisches Relais.
Das Dokument
FR 2 268 347 A1 beschreibt ein Relais zur Ansteuerung von Leistungsschaltern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Nutzer über einen Zustand eines Feldgeräts zu informieren.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuergerätanordnung, die zur Erzeugung eines Steuersignals eingerichtet ist. Bei der Steuergerätanordnung kann es sich beispielsweise um eine Füllstandmessanordnung handeln. Die Steuergerätanordnung weist eine Steuerschaltung auf, beispielsweise in Form eines Sensors, der ein Messsignal erfasst und ausgibt. Ferner weist die Steuergerätanordnung eine Induktivität auf, welche in Reihe mit der Steuerschaltung und/oder einer Auswerteelektronik geschaltet ist und die dazu eingerichtet ist, bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Weiterhin weist die Steuergerätanordnung einen Magnetsensor auf, der dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf das Magnetfeld ein Steuersignal an einem Ausgang der Steuergerätanordnung zu erzeugen.
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Im Folgenden kann anstatt eines Sensors auch allgemeiner eine Steuerschaltung verwendet werden. Ebenso kann anstelle der Füllstandmessanordnung allgemein eine Steuergerätanordnung verwendet werden.
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Für viele Typen von Feldgeräten kann ein geringer Energieverbrauch wichtig sein. Die Steuergerätanordnung kann, als Sensor oder Teil des Sensors, ein Hochfrequenzfrontend, Ultraschallfrontend oder ein Laserfrontend aufweisen. Ein Signal, das von dem Sensor erzeugt und von der Auswerteelektronik ausgewertet wird, kann beispielsweise ein „Strom an / Strom aus“-Signal sein, das z.B. von einem Relais oder einem Transistorschalter erzeugt wird. Das Signal kann auch ein mehrstufiges Signal sein, das mehrere Spannungs- oder Stromebenen aufweist. Das Signal kann auch ein analoges Signal sein. Das Signal wird von der Auswerteelektronik beispielsweise verwendet, um eine Pumpe und/oder Ventile anzusteuern, welche den Füllstand direkt oder indirekt beeinflussen können.
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In Reihe mit dem Sensor ist eine Induktivität geschaltet. Dabei kann die Induktivität zwischen dem Sensor und der Spannungsversorgung oder zwischen Masse und dem Sensor angeordnet sein. Die Steuergerätanordnung kann noch weitere Bauteile umfassen, z.B. eine Auswerteelektronik, welche in Reihe mit dem Sensor und der Induktivität geschaltet sein kann. Die Induktivität kann als diskretes Bauteil ausgestaltet sein, sie kann aber auch beispielsweise als SMD-Bauelement (SMD: Surface-Mounted Device) und/oder als Stück einer Leiterplatte ausgestaltet sein. Die Induktivität erzeugt, abhängig von dem Strom, von dem diese durchflossen wird, ein Magnetfeld.
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Der Magnetsensor ist in der Nähe der Induktivität angeordnet, so dass der Magnetsensor das von der Induktivität erzeugte Magnetfeld detektieren und in einen Strom oder eine Spannung umwandeln kann. Dies kann ein analoges oder ein digitales Signal sein. Der Magnetsensor kann aber auch ein integrierter Chip sein, der eine digitale Kommunikationsschnittstelle umfasst. Der auf diese Weise erzeugte Strom bzw. die Spannung kann direkt an den Ausgang des der Füllstandmessanordnung geleitet werden, um an dem Ausgang das Steuersignal zu erzeugen. Das so erzeugte Steuersignal kann auch als eine Art „Zwischensignal“ dienen, aus dem das an den Ausgang geleitete Steuersignal erzeugt wird. Dafür kann das Zwischensignal z.B. an einen Verstärker, einen Prozessor, einen OPV (Operationsverstärker) oder einen ADC (Analog-Digital-Wandler) geleitet werden, und das Ausgangssignal dieser Bauelemente kann dann das Steuersignal bilden.
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Der Magnetsensor kann von der Induktivität durch ein elektrisch isolierendes Material getrennt sein. Dieses Material kann ein elektrisch isolierendes Fluid, beispielsweise Luft, Stickstoff, Edelgas, Isolieröl (z.B. Transformatorenöl oder Silikonöl) oder ein Feststoff, wie z.B. Kunststoff oder Keramik, sein.
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Das Steuersignal, das an dem Ausgang der Füllstandmessanordnung zur Verfügung steht, kann an ein Leitsystem übertragen werden. Das Steuersignal kann galvanisch getrennt sein von dem Signal, welches von der Auswerteelektronik verwendet wird. Außerdem kann diese Anordnung sehr kostengünstig realisiert werden, weil für diese Lösung nur wenige und kostengünstige Bauteile benötigt werden. Eine Realisierung ist beispielsweise mittels Leiterbahnstruktur auf einer Leiterplatte und einem magnetosensitiven Bauteil möglich. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass das so erzeugte Steuersignal am Ausgang das Signal, das von dem Sensor erzeugt wird, nur in geringer Weise beeinflusst bzw. belastet. Insbesondere für Feldgeräte kann dabei ein geringer Stromverbrauch zur Erzeugung des Steuersignals vorteilhaft sein. Durch diese Vorrichtung kann die ursprüngliche Schaltungsanordnung und/oder Schaltungsdimensionierung weitgehend beibehalten werden. Das Steuersignal am Ausgang kann vorteilhafterweise genutzt werden, um beispielsweise andere Geräte damit zu schalten, wobei das Signal von dem Sensor nur in geringer Weise elektrisch belastet wird. Das Steuersignal informiert einen Nutzer über den Zustand des Feldgeräts. Das Steuersignal kann auch an eine zentrale Überwachung gesandt werden, so dass auf dieser Basis eine Vielzahl von Füllstandmessgeräten überwacht werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuergerätanordnung, eingerichtet zur Erzeugung eines Steuersignals, welches einen Sensor und eine Induktivität aufweist. Dabei ist die Induktivität parallel zu dem Sensor geschaltet. Die Steuergerätanordnung kann noch weitere Bauteile umfassen, z.B. eine Auswerteelektronik, welche in Reihe mit dem Sensor und der Induktivität geschaltet sein kann. Die Induktivität ist dazu eingerichtet, bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Weiterhin weist das Füllstandmessgerät einen Magnetsensor auf, der dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf das Magnetfeld ein Steuersignal an einem Ausgang des Füllstandmessgeräts zu erzeugen.
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Durch die parallele Ausführung von Sensor und Induktivität kann eine besonders geringe Strombelastung des Sensors erreicht werden. Weiterhin kann damit - ggf. unter Einsatz weiterer Bauelemente - über einen definierten Messbereich eine Anpassung der Impedanz an den Ausgangsklemmen des Sensors stattfinden.
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In einer Ausführungsform ist das Steuersignal dazu eingerichtet, von dem Ausgang an ein Leitsystem übertragen zu werden. Dabei kann das Leitsystem sowohl dazu eingerichtet sein, eine Vielzahl von Füllstandmessgeräten zu überwachen. Es kann darüber hinaus auch die einzelnen Füllstandmessgeräte zu einer Produktionseinheit zusammenfassen, mittels derer z.B. eine größere Anlage gesteuert werden kann, z.B. im Sinne einer „Industrie 4.0“.
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In einer Ausführungsform ist die Induktivität von dem Magnetsensor galvanisch getrennt. Dadurch können z.B. Potentialprobleme auch bei größeren Anlagen vermieden werden. Die galvanische Trennung kann durch eine Auswahl von elektrisch isolierendem Material und/oder besonders spannungsfestem Material und/oder eine ausreichende breit gewählte Luftstrecke zwischen Induktivität und Magnetsensor auch an spezielle Umgebungen - z.B. sicherheitskritische und/oder explosionsgefährdete Umgebungen - angepasst sein.
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In einer Ausführungsform ist die Induktivität in einer explosionsgeschützten Umgebung und der Magnetsensor in einer nicht-explosionsgeschützten Umgebung angeordnet. Dadurch kann die Füllstandmessanordnung - auch wenn nur die Seite der Induktivität an die explosionsgeschützte Umgebung angepasst wird - auch in derartigen kritischen Umgebungen eingesetzt werden. Die Füllstandmessanordnung kann vorteilhafterweise auch in Umgebungen eingesetzt werden, die eine Prozesstrennung erfordern, beispielsweise auch, wenn auf der Seite der Induktivität der Füllstand eines chemischen Prozesses überwacht werden soll.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung in einer explosionsgeschützten Umgebung angeordnet, und die Induktivität und der Magnetsensor sind in einer nicht-explosionsgeschützten Umgebung angeordnet. Ferner ist die Seite der Induktivität, aus Sicht des Explosionsschutzes, ausreichend getrennt von der Seite des Magnetsensors. Somit können die Anschlussleitungen der Seite der Induktivität in den explosionsgeschützten Bereich, in dem die Steuerschaltung angeordnet ist, geführt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Induktivität als eine diskret aufgebaute Drossel und/oder als eine ungeschirmte Drossel und/oder als oberflächenmontiertes Bauelement, SMD, und/oder als eine auf eine Leiterplatte gedruckte Spule ausgeführt. Die Ausgestaltung kann von der Einsatzumgebung und/oder der Gestaltung des Sensors abhängig sein. Wenn beispielsweise der Sensor, und ggf. weitere Komponenten wie z.B. eine Auswerteelektronik, auf einer Baugruppe realisiert sind, dann kann eine SMD-Spule oder eine gedruckte Spule vorteilhaft sein, z.B. in Bezug auf Kosten und/oder Platzbedarf.
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In einer Ausführungsform weist die Induktivität einen Induktivitätswert von kleiner oder gleich 5 mH, insbesondere von kleiner oder gleich 1 mH, auf. Durch eine derartige Auslegung ergibt sich z.B. nur ein geringer Spannungsabfall auf der Messleitung. Dadurch kann z.B. der Einsatz eines Verstärkers auf der Messleitung vermieden werden. Dies kann z.B. in Bezug auf Kosten und/oder Stromverbrauch vorteilhaft sein.
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In einer Ausführungsform ist der Magnetsensor als Hall-Sensor ausgeführt. Dies macht die Detektion besonders empfindlich. Dies kann eine platzsparende Realisierung weiter erleichtern. Beispielsweise kann als Induktivität eine diskret aufgebaute Drossel oder eine auf Leiterplatte gedruckte Spule verwendet werden. Der in der Induktivität fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld und eine platzsparende Detektion erfolgt mit dem Hall-Sensor.
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In einer Ausführungsform ist das Steuersignal an dem Ausgang des Füllstandmessgeräts ein Analogsignal. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Füllstandmessgerät stark und schnell schwankende Füllstände messen soll oder die Füllstände sehr differenziert zu messen sind.
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In einer Ausführungsform ist der Magnetsensor als Hall-Sensor mit einem Komparator, insbesondere mit einem integrierten Komparator, ausgeführt und das Steuersignal an dem Ausgang der Füllstandmessgerät ist ein Digitalsignal. Digitalsignale können besonders einfach weiterverarbeitet, z.B. gesammelt, gespeichert, verglichen und an andere Geräte, insbesondere an Server und/oder eine Cloud, übertragen werden. Je nach Ausführung des Füllstandmessgeräts kann das Digitalsignal ein Bit (z.B. „Füllstand erreicht / nicht erreicht“) oder mehrere Bits umfassen. Der Komparator kann als einfacher OPV oder als ADC realisiert sein.
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In einer Ausführungsform ist das Füllstandmessgerät dazu eingerichtet, das Steuersignal von dem Ausgang an das Leitsystem drahtlos, insbesondere über ein Bluetooth-Protokoll, über ein Wireless Personal Area Network, WPAN, ein Wireless LAN, WLAN, oder LPWAN (Low Power Wide Area Network, z.B. LTE-Cat M1, Sigfox, LoRa, etc.) zu übertragen. Damit kann das digitale Signal des Hall-Sensors genutzt werden, um z.B. weitere Geräte zu schalten oder um z.B. das Schaltsignal in die Cloud zu übertragen. Damit könnte der Schaltzustand des Füllstandmessgeräts von einer Vielzahl von Stationen überwacht werden.
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In einer Ausführungsform weist der Sensor einen veränderlichen Widerstand auf, welcher in Reihe mit der Induktivität und/oder der Auswerteelektronik geschaltet ist. Der veränderliche Widerstand kann z.B. in der Form eines ohmschen Potentiometers, z.B. eines linearen Potentiometers, gestaltet sein. Der veränderliche Widerstand kann auch mittels Halbleitern, z.B. mittels eines oder mehrerer Transistoren gebildet sein. Damit ist z.B. eine differenzierte Erfassung des Füllstands möglich.
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In einer Ausführungsform weist der Sensor einen Schalter auf, welcher in Reihe mit der Induktivität und/oder der Auswerteelektronik geschaltet ist. Damit können beispielsweise sehr einfache und/oder robuste Geräte aufgebaut werden, welche z.B. für die Erfassung einer Information „Füllstand erreicht / nicht erreicht“ ausgelegt sind.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Messgerät, insbesondere ein Füllstandmessgerät, ein Grenzstandmessgerät, Druckmessgerät oder Durchflussmessgerät. Das Messgerät weist einen Sensor auf. Ferner weist das Messgerät eine Induktivität auf, welche in Reihe mit oder parallel zu dem Sensor geschaltet ist und die dazu eingerichtet ist, bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Weiterhin weist das Messgerät einen Magnetsensor auf, der dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf das Magnetfeld ein Steuersignal an einem Ausgang des Messgeräts zu erzeugen. Das Messgerät kann noch weitere Bauteile umfassen, z.B. eine Auswerteelektronik, welche in Reihe mit dem Sensor und der Induktivität geschaltet sein kann.
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Die Ausführung des Messgeräts kann dabei verschiedene Messprinzipien aufweisen. Das Messgerät kann beispielsweise als Impedanzgrenzschalter, als Vibrationsgrenzschalter und/oder als radiometrische Messvorrichtung realisiert sein. Für die Induktivität, den Magnetsensor und das Steuersignal gelten die obigen Erläuterungen analog.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung oder Durchflussmessung mittels einer Steuergerätanordnung wie oben und/oder nachfolgend beschrieben. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- - Schließen eines Schalters an einem Sensor der Steuergerätanordnung, wenn der Sensor feststellt, dass ein vordefinierter Messwert erreicht und/oder überschritten wurde;
- - Erzeugen eines Magnetfelds, durch das Schließen des Schalters;
- - In Reaktion auf das Magnetfeld, Erzeugen eines ersten Wertes eines Steuersignals an einem Ausgang der Steuergerätanordnung.
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Der erste Wert kann beispielsweise einem Wert „Füllstand erreicht“ entsprechen.
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In einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner diese weiteren Schritte auf:
- - Öffnen des Schalters an dem Sensor, wenn der Sensor feststellt, dass ein vordefinierter Messwert unterschritten wurde;
- - Abbau des Magnetfelds, durch das Öffnen des Schalters;
- - In Reaktion auf den Abbau des Magnetfelds, Erzeugen eines zweiten Wertes des Steuersignals an einem Ausgang der Steuergerätanordnung.
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Der zweite Wert kann beispielsweise einem Wert „Füllstand nicht erreicht“ entsprechen.
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Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein eine Messanordnung 10, beispielsweise für ein Füllstandmessgerät 10, wobei die Messanordnung 10 in einem ersten Schaltkreis 11 einen Sensor 35und eine Induktivität 30 aufweist. Weiterhin weist die Messanordnung 10 eine Auswerteelektronik 37 auf. Die Induktivität 30 ist in Reihe mit dem Sensor 35 und der Auswerteelektronik 37 geschaltet; in der gezeigten Schaltung ist die Induktivität 30 zwischen dem Sensor 35 und der Auswerteelektronik 37 angeordnet. Die Induktivität 30 könnte auch in einer anderen Reihenfolge, z.B. zwischen einer Spannungsquelle U und dem Sensor 35 oder zwischen einer Masse GND und der Auswerteelektronik 37 oder anders in Reihe angeordnet sein. Der Sensor 35 weist einen veränderlichen Widerstand 33 auf, so dass damit kontinuierlich der Füllstand in einer Vorrichtung (nicht abgebildet) gemessen werden kann. Der Sensor 35 erzeugt mittels des veränderlichen Widerstands 33 ein Signal 27, beispielsweise einen Strom Der Strom kann z.B. von der Auswerteelektronik 37 ausgewertet werden. Beispielsweise kann die Auswerteelektronik 37 auf Basis dieses Signals die Drehzahl einer Pumpe (nicht abgebildet) verändern und/oder Ventile betätigen. Die Induktivität 30, die in Reihe mit dem Sensor 35 und der Auswerteelektronik 37 geschaltet ist, wird ebenfalls von dem Strom des Signals 27 durchflossen. Wenn also ein Stromdurchfluss stattfindet, dann erzeugt die Induktivität 30 ein Magnetfeld 31. Dieses kann von einem Magnetsensor 25 detektiert werden und erzeugt, in Reaktion auf das Magnetfeld 31, ein Steuersignal 26 an einem Ausgang 19 der Messanordnung 10. Das Steuersignal 26 ist in einem zweiten Schaltkreis 12 angeordnet, der von dem ersten Schaltkreis 11 galvanisch getrennt ist. Die galvanische Trennung ist durch das Bezugszeichen 23 dargestellt. Die galvanische Trennung kann durch ein elektrisch isolierendes Material realisiert oder unterstützt sein. Der Magnetsensor 25 kann beispielsweise als ein Hall-Sensor ausgeführt sein. Der Magnetsensor 25 kann einen Verstärker aufweisen. Der Magnetsensor 25 kann einen OPV oder einen ADC aufweisen, so dass das Steuersignal 26 an dem Ausgang 19 der Messanordnung 10 ein Digitalsignal, mit einer Auflösung von einem oder mehreren Bits, ist. Das Steuersignal 26 kann beispielsweise an ein Leitsystem 50 geleitet werden. Das Leitsystem 50 kann in einer Cloud (nicht abgebildet) angeordnet sein.
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2 ähnelt der 1, wobei gleiche Bezugszeichen eine analoge Funktion haben wie die entsprechenden Bezugszeichen von 1. Der Sensor 35 weist einen Schalter 34 auf, so dass damit kontinuierlich der Füllstand in einer Vorrichtung (nicht abgebildet) gemessen werden kann. Der Sensor 35 erzeugt mittels des Schalters 34 ein Signal 27, beispielsweise einen Strom, der von der Auswerteelektronik 37 ausgewertet wird. Beispielsweise kann die Auswerteelektronik 37 auf Basis dieses Signals eine Pumpe (nicht abgebildet) ein- und ausschalten. Die Induktivität 30, die in Reihe mit dem Sensor 35 und der Auswerteelektronik 37 geschaltet ist, wird bei geschlossenem Schalter 34 von dem Strom des Signals 27 durchflossen und erzeugt so ein Magnetfeld 31. In Reaktion auf das Magnetfeld 31 erzeugt der Magnetsensor 25 das Steuersignal 26 an einem Ausgang 19 der Messanordnung 10. Weil nur das Signal „ein/aus“ übertragen wird, kann die Induktivität 30 besonders klein und/oder der Magnetsensor 25 besonders unempfindlich ausgestaltet sein.
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3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei haben gleiche Bezugszeichen wie bei 1 eine analoge Funktion wie die entsprechenden Bezugszeichen von 1. Ein erster Schaltkreis 11 weist einen Sensor 35 und eine Auswerteelektronik 37 auf, wobei die Auswerteelektronik 37 von dem Sensor 35 gesteuert werden kann. Eine Induktivität 30 ist parallel zu einem veränderlichen Widerstand 33 des Sensor 35 geschaltet. Die Induktivität 30 erzeugt bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld 31. Dabei ist die Stärke des Magnetfelds 31 von dem Spannungsabfall an dem veränderlichen Widerstand 33 abhängig. Diese Schaltung kann beispielsweise aus Gründen der Impedanzanpassung oder einer geringeren Belastung des Sensors 35 gewählt werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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Liste der Bezugszeichen
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- 10
- Messanordnung, Messgerät
- 11
- erster Schaltkreis
- 12
- zweiter Schaltkreis
- 19
- Ausgang
- 25
- Magnetsensor
- 26
- Steuersignal
- 27
- Signal
- 30
- Induktivität
- 31
- Magnetfeld
- 33
- veränderlicher Widerstand
- 34
- Schalter
- 35
- Sensor
- 37
- Auswerteelektronik
- 50
- Leitsystem