CN106470048B - 用于从终端侧向传感器侧传输功率的电子电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从终端侧向传感器侧传输功率的电子电路及其应用，该终端侧包括：第一感应接口，包括控制器的第一智能单元，以及用于传输作为校正变量的功率的源；以及该传感器侧包括与第一接口对应的第二感应接口，其中第一接口和第二接口被设计成传输功率，用于测量作为控制变量的第二接口处的功率的功率测量电路，以及第二智能单元，其根据作为参考变量的特定于传感器的目标功率确定第二接口处的功率的控制偏差并将该控制偏差通信至第一智能单元，其中控制器利用源通过增加或减小功率使控制偏差最小化。本发明还涉及这种电路和包括这种电路的传感器装置的应用，以及一种传输功率的方法。

Description

用于从终端侧向传感器侧传输功率的电子电路及其应用

技术领域

本发明涉及一种应用于过程自动化中的用于从终端侧向传感器侧传输功率的电子电路。本发明还涉及这种电路的应用。本发明进一步涉及一种包括这种电路的测量设备。此外，本发明涉及用于从终端侧向传感器侧传输功率的方法。

现有技术

将在具有发射器的终端侧和具有传感器的传感器侧之间的能量和数据传输的基础上，对基于本发明的问题进行解释。

通常，电缆连接到发射器以将其连接到传感器。经常通过插入连接，借助于例如，电流解耦的尤其是感应接口，进行电缆和传感器之间的连接。这样，电信号可以以无接触方式进行传输。这种电流隔离的结果是，关于腐蚀保护，电位隔离，预防机械磨损和连接器断裂等的好处都是可见的。申请人以“Memosens”为标志对这种系统进行销售。其他类似设计，例如，Knick公司的“Memosens”，Mettler Toledo的“ISM”，Hamilton的”ARC”系统，以及Krohne的“SMARTSENS”。

前述感应接口一般通过这样的系统实现，该系统具有借助于例如前述插入连接插入彼此的两个线圈。典型地，对(两个方向上的)数据和(从终端侧到传感器侧的)能量这二者进行传输。这样做，能量必须高到足以为所连接的传感器提供充足的能量并因此确保长期的测量操作。

这种无接触能量和数据传输的难题在于工业环境中的苛刻的操作和环境条件。这种需求具有的效应为作为环境条件(温度、空气湿度等)的结果的必须规定的部件(线圈的感应系数等)的容差范围尤其宽。会出现-20℃到135℃的温度范围。如果组件，例如，被设计用于消毒医用设备的典型温度下(典型地高于120℃)，那么用于这些组件的线圈在高温下必须，例如，期望具有显著地修改的感应系数值。

关于容差，尤其要指出的是耦合变压器，其将终端侧上的线圈与传感器侧上的线圈进行感应耦合或形成具有这两个耦合线圈的变压器。在这种耦合系统中，两个配合线圈的机械配对是决定性的，感应耦合的宽离散可能导致关于传输行为的问题。

解决这个问题的一个可能性就是调节从终端侧向传感器侧传输的功率，使得在各种环境条件和干扰下都有足够的功率提供给传感器。然而，这可能导致超出最大允许总功耗。此外，通常要传输太多不需要的功率。

解决这个问题的另一个可能性包括附加温度补偿元件。通过这种方式可以补偿感应耦合的温度行为。从而提高传感器侧电源的稳定性。尽管这样，这种措施还是不能抵消全部的环境条件和干扰。如果传感器负载太高还是会出现总功率超出的情况。

利用解决这个问题的另一个可能性，感应耦合的功耗取决于终端侧，因此将耦合调节到相应的目标值。利用这种方法，感应耦合的总功耗能够保持恒定。然而，取决于传感器的类型，并且在前述环境条件和干扰下，传递给传感器的功率仍然波动。

然而，前面提到的解决方案没有一个能够使提供给传感器的功率在全部环境条件和干扰下保持恒定。部分地，必须提供显著的能量储备，其接下来不可用于实际用途，即，感测传感器电子器件的测量值。此外，不能够保证终端侧上提供的功率也实际可用于传感器。所有已知的和前面提到的拓扑都不能为传感器提供其实际所需的功率。考虑到所有的干扰变量，传感器的特殊需要没有被加以考虑。

发明内容

本发明基于如下目的，提供一种电路和方法，其确保在全部环境条件和干扰的情况下提供给传感器的功率保持恒定。

该目的通过一种电路来实现，该电路用于将功率从终端侧提供给具有传感器的传感器侧，终端侧包括第一感应接口，包括控制器的第一智能单元，以及用于传输作为校正变量的功率的源，以及传感器侧包括与第一接口对应的第二感应接口，其中第一接口和第二接口被设计成传输功率，用于测量作为控制变量的第二接口处的功率的功率测量电路，以及第二智能单元，其根据作为参考变量的传感器特定目标功率确定第二接口处的功率的控制偏差并将控制偏差通信至第一智能单元，其中，通过增加或减小功率，控制器利用源使得控制偏差最小化。

现在传感器是控制环路的有源部件。因此，确定出现的测量偏差，即，在传感器中，其中控制环路中所有的干扰变量都被考虑。从而排除了作为干扰变量的传感器负载。例如，在传感器侧上的电源单元中，功率损耗被最小化。通过这种方式，更多的功率可用于传感器的测量任务。由于在传感器侧上获得了恒定条件，所以能够提高通信质量。

在一个实施例中，源被设计成电压源。此外，在实施例中，可代替功率对电压进行调节。所传输的电压因此为校正变量。

优选地，电子电路还在终端侧和传感器侧之间传递数字数据，第一接口和第二接口被设计成传递数据，其中电子电路利用幅移键控传输数字数据。

在一个优势改进中，电子电路包括在终端侧上的调制器，其将数字数据调制到其输出上。

在另一优势实施例中，控制器在发送数字数据时暂停其控制介入。

在另一优选实施例中，电子电路包括在终端侧上的限制器，其将被传输的最大功率限制到最大值。这个最大值确保终端元件侧上的功率限制不会被超出，这可能会由于例如故障通信、有缺陷的电子设备等出现。

优势的是，第一智能单元就限制器限制将被传输的功率向第二智能单元进行通信。如果限制器限制给传感器的功率，则它能够利用其自己的通信将此通信至传感器。因此，传感器能够相应地进行响应，即，例如通过降低测量频率来减小所需功率。

在优选实施例中，限制器的最大值是可变且可调的，第一智能单元调节该最大值。最大值可以是，例如，通过上级单元进行调节。因此，取决于需求，传感器能够被设置在较高运行点。

优选地，作为参考变量的目标功率也是可变且可调的。通过这种方式，由于较高的测量频率也意味着较高的功耗，所以例如可以实现具有不同测量频率的各种传感器类别。

该目的进一步通过在过程自动化中采用上面所述的电子电路来实现。

该目的进一步通过过程自动化的传感器装置来实现，该传感器装置包括上面所述的电子电路。

优选地，传感器装置包括包括终端侧的终端元件和包括传感器侧的尤其是传感器的用电设备，其中终端元件通过第一接口和第二接口连接到用电设备。

该目的还通过用于从终端侧向具有传感器的传感器侧传输功率的方法来实现，所述方法包括步骤：传输功率，测量传感器侧的功率，确定该功率和传感器侧上的目标功率之间的偏差，将该偏差通信至终端侧，使终端侧上的该偏差最小化。

在一个优势实施例中，该方法还包括步骤：如果待传输的功率高于最大值，则将待传输的功率限制在最大值。

附图说明

参考下面的附图对本发明作更加详尽的解释。附图中示出：

图1是根据本发明的传感器装置的概图，以及

图2是根据本发明的包括电子电路的控制电路的方框图。

在附图中，相同的特征标记为相同的参考符号。

具体实施方式

首先解释的是，根据本发明的传感器装置10包括传感器1和终端元件11。传感器装置10在图1中示出。传感器1与上级单元20通过接口3进行通信。在示例中，发射器被连接。发射器依次连接到控制系统(未示出)。在一个实施例中，传感器1直接与控制系统通信。电缆31在传感器侧上连接到发射器20，其另一端包括与第一接口3互补的接口13。终端元件11包括与接口13在一起的电缆31。接口3，13被设计成电流隔离，尤其是作为能够借助于机械插入连接相互耦合的感应接口。机械插入连接是密封的，使得没有像可被测量的介质这样的液体、空气、或灰尘能从外面进入。

通过接口3、13发送或传输数据(双向)和能量(单向，即，从终端元件11到传感器1)。传感器装置10主要用于过程自动化中。

因此传感器1包括至少一个用于感测过程自动化的测量变量的传感器元件4。传感器1可以是pH传感器之类并且也可以是通常为离子选择传感器的ISFET，用于具有各自适当的测量变量的、氧化还原电位的，在介质中例如具有UV，IR和/或可见范围内的波长的电磁波的吸收的，氧气的，导电性的，混浊度的，非金属材料的浓度的，或者温度的测量的传感器。

传感器1还包括第一耦合体2，其包括第一接口3。如所提到的，第一接口3被设计为将取决于测量变量的值发送到第二接口13。传感器1包括处理测量变量的值的数据处理单元μCS，例如，微处理器，其例如，将测量变量转换成另一数据格式。这样，数据处理单元μCS就可以执行平均化，预处理，以及数字转换。

传感器1可通过接口3，13连接到终端元件11并最终连接到上级单元20。上级单元20例如是如上面所提到的发射器或控制站。数据处理单元μCS将取决于测量值(即，传感器元件4的测量信号)的值转换成发射器或控制站可理解的协议。这方面的示例例如为专用Memosens协议或HART，无线HART，Modbus，Profibus Fieldbus，WLAN，ZigBee，Bluetooth，或RFID。这种转换也可以在单独的通讯单元而不是数据处理单元中进行，其中通讯单元设置在传感器1侧或终端元件11侧上。所提到的协议还包括无线协议，使得相应的通讯单元包括无线模块。第一和第二接口3，13因此被设计成在传感器1和上级单元20之间进行双向通信。如上面提到的，除通信之外，第一和第二接口3，13还确保传感器1的能量供应。

终端元件11包括第二接口13，其中第二接口13被设计成与第一接口3互补。终端元件11还包括数据处理单元μCA。数据处理单元μCA可被用作信号发送的转发器。此外，数据处理单元μCA能够对协议进行转换或修改。例如，专用协议中的数据能够从传感器1传输到终端元件11，而终端元件11侧上的数据处理单元μCA将这种协议转换成总线协议(如上面看到的)。终端元件11包括将数据调制到其输出上的调制器14。调制器14例如可以被设计成负载调制器。可替换地，数据处理单元μCA也可以对该数据进行调制。该数据利用幅移键控进行传输。

终端元件11还包括第二圆柱耦合体12，其被设计成与第一耦合体2互补并且能够通过套筒状端部滑动到第一耦合体2上，由此将第二接口13插入到第一接口3中。不需要任何创造性劳动可以进行相反的构造，其中第二接口13被设计成套筒状，第一接口3是插头状。

图2示出了包括根据本发明的电子电路50的控制电路的方框图。此处，电子电路50包括传感器1和终端元件11两侧上的部件。

对控制电路的总体结构进行简要介绍。将控制变量y(实际值)与参考变量w(目标值)进行比较，这种情况下的控制变量y是传感器1侧的功率，这种情况下的参考变量w是传感器1实际需要的功率。作为实际值和目标值之间差的控制偏差e(此处所示的控制差值e＝w-yM)被传送到控制器R，由此根据控制电路所期望的时间行为产生校正变量u。致动器，通常为例如被设计成终端元件11侧上的电压源Q的源，可以是控制器R的部件，但也可以被设计成与其分开。校正变量通常被标记为“u”，并且在致动器Q后的信号序列中标记为“uQ”。干扰变量d影响控制路径。测量元件M可以包括时间延迟，测量元件M在这种情况下是用于测量传感器1侧上的功率的电路，时间延迟也必须被考虑进快速控制路径中。这旨在使控制偏差e最小化。

干扰变量d包括来自理想状况下的全部可能发生的干扰，例如接口3，13的距离，温度，设计，部件容差等。

测量元件M是用于测量功率的电路，例如组合的电压和电流测量。测量元件M之后的控制变量y被标记为“yM”。

源Q，例如电压源，被设计成例如逆变器。在一个实施例中，源Q被设计成等级E放大器。

在传感器1侧上的第二智能单元μCS或功率测量电路M连续确定感应耦合3的功率输出并将其与其自身独特的(传感器专用)目标值w进行比较。由此产生的控制偏差e利用通信协议被传输到终端元件11侧上的第一智能单元μCA。数据处理单元μCA通过控制器R对由源Q和感应耦合13组成的控制路径进行调节，使得控制偏差e被最小化到较小值，最好情况下到零。

现在，传感器是控制环路的有源部件。因此，确定出现的测量偏差，即，在传感器1中，并且在控制环路中考虑全部干扰变量d。这样做可以消除作为干扰变量的传感器负载。使例如传感器1侧上的功率供应单元中的功率损耗最小化。通过这种方式，使更多的功率可用于传感器1的测量任务。由于在传感器1侧获得了恒定条件，所以能够提高通信质量。

可以对每个传感器或每种传感器的目标值w单独进行调节。在第一实施例中，目标值w被永久存储在传感器1中。更精确来说，目标值w被存储在智能单元μCS中。在第二实施例中，目标值w通过上级单元20进行调节并且在智能单元μCS中进行相应改变。然而，在可改变目标值w的情况下，具有例如设置在传感器的引导阶段(boot phase)中的“标准目标值”。这个标准目标值也可以用作在误差情况下使用的目标值。

上级单元20可以，例如，从数据库中检索目标值w并且基于传感器1的唯一身份对其进行通信。在另一个实施例中，每个传感器1都存在若干目标值。通过这种方式，可以将各种类别的传感器集成在一个传感器中。例如，传感器类别可以具有不同的测量值确定频率，例如，0.3Hz，1Hz，或3Hz。这是因为测量进行的越频繁，功耗越高。取决于终端元件11，上级单元20，或如用户所期望的，可以进行自动调节。

此外，控制环路包括限制器B。其用于确保终端元件11侧上的功率限制不超过例如15mW，这可能例如由故障通信，有缺陷的电子设备等所导致。如果限制器B限制到传感器1的功率，那么它能够利用其自身的通信将其通信至传感器1。通过这种方式，传感器1可以例如通过减小测量值确定频率进行相应响应。通过终端元件11侧上的第一智能单元μCA可对功率极限进行变化和调节。通过第一智能单元μCA对功率极限的调节与已经在上面解释的目标值W相同的方式进行，其通过第二智能单元μCS进行调节。

参考标记列表

1 传感器

2 第一耦合体

3 第一接口

4 传感器元件

10 传感器装置

11 终端元件

12 第二耦合体

13 第二接口

14 调制器

20 上级单元

31 电缆

50 电子电路

e 控制偏差

u 校正变量(通常)

uQ 校正变量

w 参考变量

y 控制变量

yM M之后的控制变量

B 限制器

M 功率测量

R 控制器

μCA 11中的智能单元

μCS 1中的智能单元

Claims (13)

1.一种应用于过程自动化中的用于从终端侧向具有传感器(1)的传感器侧传输功率的电子电路(50)；所述终端侧包括：

-第一感应接口(3)，

-包括控制器(R)的第一智能单元(μCA)，以及

-用于传输作为校正变量(u)的功率的源(Q)；

-限制器(B)，所述限制器(B)将待传输的最大功率限制在最大值，使得不超出所述终端侧上的功率限制，其中所述限制器(B)的所述最大值是可变且可调的，以及所述第一智能单元(μCA)对所述最大值进行调节，以及

所述传感器侧包括：

-与所述第一感应接口(3)对应的第二感应接口(13)，

-其中所述第一感应接口(3)和所述第二感应接口(13)被设计成传输功率，

-用于测量作为控制变量(y)的在所述第二感应接口(13)处的功率的功率测量电路(M)，以及

-第二智能单元(μCS)，其根据作为参考变量(w)的特定于所述传感器(1)的目标功率和所述控制变量(y)，确定所述第二感应接口(13)处的功率的控制偏差(e)，将所述控制偏差(e)通信至所述第一智能单元(μCA)，其中所述控制器(R)利用所述源(Q)通过增加或减小功率使所述控制偏差(e)最小化。

2.根据权利要求1所述的电子电路(50)，其中所述电子电路(50)还在所述终端侧和所述传感器侧之间传输数字数据，以及所述第一感应接口(3)和所述第二感应接口(13)被设计成传输数据，其中所述电子电路(50)利用幅移键控传输数字数据。

3.根据权利要求2所述的电子电路(50)，其中所述电子电路(50)包括所述终端侧上的调制器(14)，所述调制器(14)将数字数据调制到其输出上。

4.根据权利要求1所述的电子电路(50)，其中所述第一智能单元(μCA)就所述限制器(B)限制待传输的功率向所述第二智能单元(μCS)进行通信。

5.根据权利要求4所述的电子电路(50)，其中如果所述限制器(B)限制待传输的功率，则所述第二智能单元(μCS)调节所述传感器(1)的目标功率，使得减小所需功率。

6.根据权利要求1-5之一所述的电子电路(50)，其中作为所述参考变量(w)的目标功率是可变且可调的。

7.一种根据权利要求1-6之一所述的电子电路(50)在过程自动化中的应用。

8.一种过程自动化中的传感器装置(10)，包括根据权利要求1-6之一所述的电子电路(50)。

9.根据权利要求8所述的传感器装置(10)，其中所述传感器装置(10)包括终端元件(11)和用电设备，终端元件(11)构成终端侧，所述用电设备构成传感器侧，其中所述终端元件通过所述第一感应接口(3)和所述第二感应接口(13)连接到所述用电设备。

10.根据权利要求9所述的传感器装置(10)，其中所述用电设备是传感器(1)。

11.一种用于使用根据权利要求1所述的电子电路(50)从终端侧向传感器侧传输功率的方法，包括步骤：

-使用所述第一感应接口(3)和所述第二感应接口(13)传输功率，

-如果待传输的功率高于最大值，则使用所述限制器(B)，在所述终端侧上将待传输的功率限制在所述最大值，使得不超出所述终端侧上的功率限制，

-使用所述功率测量电路(M)，测量作为控制变量(y)在所述第二感应接口(13)处的功率，

-使用所述第二智能单元(μCS)，根据作为参考变量(w)的特定于所述传感器(1)的目标功率和所述控制变量(y)确定控制偏差(e)，

-使用所述第二智能单元(μCS)，将所述控制偏差(e)通信至所述终端侧(11)，以及

-使用所述控制器(R)，使所述终端侧(11)上的所述控制偏差(e)最小化。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：

-使用第一智能单元(μCA)，就所述限制器(B)限制待传输的功率向所述第二智能单元(μCS)进行通信。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括步骤：

-使用所述第二智能单元(μCS)，如果所述限制器(B)限制待传输的功率，则调节所述传感器(1)的目标功率，使得减小所需功率。