CN109142944B

CN109142944B - 连接元件、传感器和用于过程自动化的传感器装置

Info

Publication number: CN109142944B
Application number: CN201810611814.7A
Authority: CN
Inventors: 塞巴斯蒂安·盖斯勒; 斯特凡·皮尔茨; 斯文-马蒂亚斯·沙伊贝
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: US10778033B2; CN109142944A; US20180366983A1; DE102017113420A1

Abstract

本发明涉及连接元件、传感器和用于过程自动化的传感器装置。本发明公开了一种连接元件(11)，包括：实质上圆柱状的芯(16)；初级线圈(13)，用于向或自次级线圈(3)传输和接收数据和/或传输能量，其中初级线圈(13)包围芯(16)；第一耦合主体(12)具有第一部分(12.1)和第二部分(12.2)，其中第二部分(12.2)包括初级线圈(13)。连接元件(11)特征在于，芯(16)在一端包括第一磁性主体(17)，其直径大于芯(16)且延伸到第一部分(12.1)中。本发明同样公开了传感器(1)，以及包括该传感器(1)和该连接元件(11)的传感器连接元件(10)。

Description

连接元件、传感器和用于过程自动化的传感器装置

技术领域

本发明涉及一种连接元件、传感器以及用于过程自动化的传感器装置。

背景技术

通常，用于连接到传感器的电缆连接至发射器(transmitter)——其也称作测量变换器(measuring transducer)。电缆至传感器的连接通常经由插塞连接完成，例如经由电去耦——特别地，电感——接口实现。包括插塞连接的连接元件位于电缆端部。

由此，电信号可被无接触地传送。通过该电隔离，显示出侵蚀保护、电性隔离、防止插塞机械磨损等优势。本申请人将这种系统以名称“Memosens”销售。

所讨论的电感接口通常被实施为具有例如经由所讨论的插塞连接彼此插接的两个线圈的系统。这些被称作连接元件侧的初级线圈和传感器侧的次级线圈。其形成了变压器。通常地，传输数据(在两个方向上)以及能量(从连接侧向传感器侧)这两者。由此需要足够大的能量以使得向所连接的传感器提供充足能量。

两个线圈的磁耦合确定了变压器的效率，且因此确定了信号传送和能量传送的质量。

发明内容

本发明基于改善传感器和连接元件之间耦合的目的。

通过连接元件实现该目的，该连接元件包括：实质上圆柱形的芯；初级线圈，用于向或自次级线圈传输和接收数据和/或传送能量，其中初级线圈包围该芯；和第一耦合主体，具有第一部分和第二部分，其中第二部分包括初级线圈。连接元件特征在于，芯在其一端包括第一磁性主体，该第一磁性主体直径比芯大且延伸到第一部分中。

通过该设置，变压器的耦合和电感增强，损耗降低，且因此效率提高。由此假设在初级侧一直提供功率，则在次级侧的输出处能获得更多功率。

在一个实施例中，初级线圈包括比现有技术的已知电感少的绕组。由于与现有技术相比更少的绕组，导致显著降低了直流损耗(RDC或铜电阻)以及交流损耗(寄生电容、涡流损耗)这两者，且由此提高了效率。

这些改善附加地增加了连接元件的设计自由度。

在一个实施例中，第二部分自第一部分以棒状延伸，且直径小于第一部分。

在一个实施例中，第一磁性主体的直径实质上对应于第一部分的直径。由此增加了耦合，且在次级线圈和初级线圈之间的气隙减小。

在一个实施例中，电路板被设置在第一部分中，其中初级线圈电连接至电路板。由此可简单延迟线圈信号。会附加地发生初级线圈至电路板的机械连接。

在一个实施例中，芯的远离第一主体的端部处，芯包括第二磁性主体，其直径大于该芯。由此提高了耦合。由此，芯实质上对应于哑铃状的芯。在一个实施例中，第一磁性主体比第二磁性主体大。两个磁性主体实质上都具有各自外壳部——即第一部和第二部的尺寸。

在一个实施例中，第一和/或第二主体被设计成盘状。在本申请上下文中，将理解为“盘状”的是实际上的盘，但是也存在实施例具有多个角部。一般而言，主体也可包括多于或正好三个角部。在一个实施例中，两个主体中的至少一个包括六个角部。

在一个实施例中，芯、第一主体、和/或第二主体由具有大于1的相对磁导率的材料构成。芯可由单种材料制成，或者可替换地由复合材料构成。芯也可包括非晶材料。

上述目的还通过传感器实现，该传感器包括：至少一个传感器元件，用于检测过程自动化被测变量，次级线圈，用于传输和接收数据和用于自或向初级线圈接收数据；和第二耦合主体，其被设计成与第一耦合主体互补，其中第二耦合主体包括次级线圈。传感器特征在于，次级线圈包围磁性主体。

关于传感器装置布置，磁性主体确保更好地耦合至相反侧。

次级线圈圆柱状地缠绕在内部部分周围。磁性主体向外包围该芯。

在一个实施例中，磁性主体被设计成罐状。由此磁性主体包围线圈。由此磁回路闭合，耦合增加，且效率提高。由此至少在一个线圈中绕组减少：由于较少的绕组，导致直流损耗(直流电阻或铜电阻) 和交流损耗(寄生电容、涡流损耗)这两者显著降低，且由此效率增加。

上述目的还通过传感器装置实现，传感器装置包括上述连接元件和上述传感器。

附图说明

将参考下图更具体地解释。附图示出了：

图1a/1b是传感器装置的象征性的全视图和局部截面图。

图2是连接元件的端部部分的截面图，和

图3是具有连接元件和传感器的传感器装置的截面图，其中示出了磁性主体。

图中，相同特征用相同参考符号表示。

具体实施方式

传感器装置10包括传感器1和连接元件11，应首先对其进行讨论。传感器装置10在图1a和图1b中进行了描绘。传感器1经由接口 3与上级(superordinate)单元20通信。在示例中，连接了发射器。发射器反过来连接至控制系统(未描绘)。在一个实施例中，传感器1经由连接元件11与控制系统直接通信。电缆31在传感器侧连接至发射器20，且其另一端部包括与接口3互补的接口13。连接元件11包括与接口13一起的电缆31。接口3、13被设计成电分离——特别地，电感——接口，其能够借助于机械插塞连接彼此耦合。机械插塞连接被气密地密封以使得没有诸如被测量的介质、空气或灰尘的流体从外部进入。

接口3、13被设计成线圈；在本申请的上下文中，这些被称作初级线圈13和次级线圈3。在本申请的上下文中，术语“电感接口”和“线圈”被同等地使用。初级线圈包围芯16。

传感器1和连接元件11这两者包括至少一个电路板5或15，其上被设置了电部件，例如数据处理单元μCS和μCA(见下文)。线圈 3、13分别电气地——且如果可以的话，也机械地——连接至电路板5、 15。

数据(双向)和电力(单向，即自连接元件11向传感器1)经由接口3、13发射或传送。传感器装置10在过程自动化中被主要使用。

因此传感器1包括至少一个传感器元件4，用于检测过程自动化被测变量(measurand)。因此传感器1例如是pH传感器——也作为 ISFET——一般为离子选择传感器——用于通过各自相应的被测变量，测量自介质中的电磁波——例如UV、IR和/或可见光范围的波长的吸收的氧化还原电位；氧；导电率；浑浊度；非金属材料的浓度；或者温度。

传感器1包括耦合主体2，其包括接口3。如所提及的，接口3被设计成用于传输依赖于被测变量的值至第二接口13。传感器1包括数据处理单元μCS，诸如微控制器，其处理被测变量的值，例如，将其转换成不同数据格式。以这种方式，例如，通过数据处理单元μCS可实现均化、预处理和数字转换。

传感器1可经由接口3、13连接至连接元件11，且最终连接至上级单元20。如所提及的，上级单元20例如是发射器或者控制中心。数据处理单元μCS将依赖于被测变量(即传感器元件4的被测信号)的值转换成对于发射器或者控制中心可理解的协议。其示例例如包括私人拥有的(proprietary)Memosens协议或者其他的HART、无线HART、 Modbus、ProfibusFieldbus、WLAN、ZigBee、Bluetooth、或者RFID。代替数据处理单元，该转换也可在单个的通信单元中进行，其中该通信单元被设置在传感器1侧或连接元件11侧。上述协议也包括无线协议，使得相应通信单元包括无线模块。线圈3、13由此被设计成用于传感器1和上级单元20之间的双向通信。如所提及的，与该通信一起，线圈3、13也确保了传感器1的电力供给。

连接单元11包括接口13，其中接口13被设计成与其他接口3互补。连接单元11相似地包括数据处理单元μCA。数据处理单元μCA 可用做被传输信号的转发器。而且，数据处理单元μCA可转换或修改协议。例如，数据可以以私人拥有的协议自传感器1传送至连接元件11，而在连接元件11侧的数据处理单元μCA将该私人拥有的协议转换成总线协议(见上文)。连接元件11包括将数据调制至其输出的调制器14。调制器14例如可被设置成负载调制器。替换地，数据处理单元μCA也可调制数据。数据可经由幅移键控(amplitude shift keying)传输。替换的键控可能方案包括频移键控或者相移键控。

连接元件11包括圆柱形耦合主体12，其被设计成与耦合主体2 互补，且通过套状端部部分，其可被滑动到第一耦合主体2上，其中接口13插入到接口3中。不需要任何创造性劳动，其中接口13具有套状设计和接口3具有插塞状设计的相反装置也是可行的。

图2示出了连接元件12的端子部分，且实际上，该部分面向传感器1。连接元件12被划分成第一部分12.1——其除了别的以外还包括电路板15，和第二部分12.2——其包括初级线圈13。

在初级线圈13的芯16的端部，具有＞1的相对磁导率的磁性主体 17和18被连接成使得磁场线路通过这些材料获取路径，且由此改善了初级线圈和次级线圈13、3之间的耦合。芯16和主体17、18可由一体构成，由此，芯16具有哑铃状。芯16与主体17、18一起也被设计成复合材料。芯16的主要部分位于第二部分12.2中。

第一主体17直径比芯16大且延伸到第一部分12.1中。直径实质上对应于连接元件12的最大直径，即，对应于第一部分12.1的直径，以实现最大耦合。

第一磁性主体17被设置在电路板15的方向上。第二磁性主体18 被设置在传感器1的方向上。两个主体17、18实质上与各自外壳部分 12.1、12.2一样大。

主体17、18具有盘状。盘状也可具有除了圆形外的外部几何轮廓。作为示例，此处列举规则六边形。

芯16在另一端部——即，远离第一磁性主体17 的端部——包括第二磁性主体18，其相似地具有比芯16大的直径。第二磁性主体18 具有比第一磁性主体17小的直径。

图3示出了传感器装置10的截面图。传感器1和连接元件11由此彼此插接。可以很明显的看到连接元件11的芯16与芯16各自端部处的磁性主体17、18，如前文所述。初级线圈13缠绕在芯16周围，且至图3中的右侧，电连接至电路板15。

传感器1包括次级线圈3。线圈3缠绕在“芯”周围，其中芯不是由＞1的相对磁导率的材料构成，而是仅用于机械贴附线圈3。该芯例如由塑料制成。在次级线圈3周围，传感器1包括磁性主体7。磁性主体7被设计成罐状。磁性主体由具有＞1相对磁导率的材料制成，以增加线圈3、13之间的耦合。

参考符号列表

1 传感器

2 耦合主体

3 次级线圈

4 传感器元件

5 电路板

7 磁性主体

10 传感器装置

11 连接元件

12 耦合主体

12.1 第一部分

12.2 第二部分

13 初级线圈

14 调制器

15 电路板

16 芯

17 第一磁性主体

18 第二磁性主体

20 上级单元

31 电缆

μCA 11中的智能单元

μCS 1中的智能单元

Claims

1.一种连接元件(11)，包括：

-实质上圆柱形的芯(16)，

-初级线圈(13)，用于向或自次级线圈(3)传输和接收数据和/或传输能量，

其中所述初级线圈(13)包围所述芯(16)，

-第一耦合主体(12)，所述第一耦合主体(12)具有第一部分(12.1)和第二部分(12.2)，其中所述第二部分(12.2)包括所述初级线圈(13)，

其中，所述芯(16)在一端包括第一磁性主体(17)，所述第一磁性主体(17)的直径大于所述芯(16)，且延伸到所述第一部分(12.1)中，并且

其中，在所述芯(16)的远离所述第一磁性主体(17)的端部处，所述芯(16)包括第二磁性主体(18)，所述第二磁性主体(18)的直径大于所述芯(16)。

2.如权利要求1所述的连接元件(11)，其中所述第二部分(12.2)自所述第一部分(12.1)以棒状延伸，且直径小于所述第一部分(12.1)。

3.如权利要求1或2所述的连接元件(11)，其中所述第一磁性主体(17)的直径实质上对应于所述第一部分(12.1)的直径。

4.如权利要求1或2所述的连接元件(11)，其中电路板(15)被设置在所述第一部分(12.1)中，其中所述初级线圈(13)电连接至所述电路板(15)。

5.如权利要求1或2所述的连接元件(11)，其中所述第一磁性主体(17)和/或所述第二磁性主体(18)被设计成盘状。

6.如权利要求1或2所述的连接元件(11)，其中所述芯(16)、所述第一磁性主体(17)、和/或所述第二磁性主体(18)由具有大于1的相对磁导率的材料构成。

7.一种用于过程自动化的传感器装置(10)，所述传感器装置(10)包括如权利要求1至6中的任意一项所述的连接元件(11)，和传感器(1)，所述传感器(1)包括：

-至少一个传感器元件(4)，用于检测过程自动化被测变量，

-次级线圈(3)，用于传输和接收数据和用于自或向初级线圈(13)接收数据，

-第二耦合主体(2)，所述第二耦合主体(2)被设计成与第一耦合主体(12)互补，其中所述第二耦合主体(2)包括所述次级线圈(3)，其中所述次级线圈(3)包围磁性主体(7)。

8.如权利要求7所述的传感器装置(10)，其中所述磁性主体(7)被设计成罐状。