CN114640186A - 用于向传感器传输能量的方法和传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于向传感器传输能量的方法和传感器装置。一种向传感器传输能量的方法，包括：将能量从初级侧传递到次级侧，传感器被布置在次级侧上，初级侧和次级侧经由初级线圈和次级线圈彼此耦合，并且能量的传递借助于这两个线圈发生，初级线圈和次级线圈由此被设计用以双向传输数据；借助于传感器获取被测变量；将取决于被测变量的值从次级侧传输到初级侧；当发生需要更多能量的事件时，请求从次级侧到初级侧的能量脉冲；中断取决于被测变量的值的传输；将至少一个能量脉冲从初级侧传输到次级侧，能量脉冲以事件控制的方式被传输，并且在获取被测变量后返回正常模式并且向初级侧传输取决于被测变量的值。本发明公开了执行该方法的传感器装置。

Description

用于向传感器传输能量的方法和传感器装置

技术领域

本发明涉及一种用于向传感器传输能量的方法。本发明还涉及一种用于实施该方法的相应传感器装置。

背景技术

“传感器装置”由带有感应地连接到其的电缆的传感器组成。电缆又连接到发送器。例如，申请人以“Memosens”的名称销售的产品是已知的。这种传感器借助于传感器和电缆之间的两个线圈使用感应能量和数据传输。

对于这种感应能量和数据传输系统，效率和通信质量通常取决于操作点，并且该布置在目标操作点(具有相应的传输电压和调制度)操作。然而，取决于系统的容差，通信质量和能量传输可能会出现偏差。系统通常被设计为围绕该操作点连续操作。

初级电压(即，初级线圈处的电压)的增加将使传输更多能量成为可能。然而，这会导致次级侧的电压电平升高。然而，这会导致次级电路的功能丧失或故障。在这些系统中，需要固定的操作点，例如，以便安全通信。

发明内容

本发明基于向连接到电缆的传感器传输更多能量的目的。

该目的通过包括以下步骤的方法实现：将能量从初级侧传递到次级侧，其中传感器被布置在次级侧上，其中初级侧和次级侧经由初级线圈和次级线圈彼此耦合，并且能量的传递借助于这两个线圈发生，其中初级线圈和次级线圈由此被设计用以双向传输数据；借助于传感器获取被测变量；将取决于被测变量的值从次级侧传输到初级侧；当发生需要更多能量的事件时，请求从次级侧到初级侧的能量脉冲；中断取决于被测变量的值的传输；将至少一个能量脉冲从初级侧传输到次级侧，其中能量脉冲以事件控制的方式被传输，并且在获取被测变量后返回正常模式并且向初级侧传输取决于被测变量的值。

在一个改进方案中，特别是在取决于被测变量的值的传输发生中断之前和在请求能量脉冲发生之后，被测变量的获取被中断。

本发明使得可以通过短暂地传递更高能量的脉冲来增加经由感应接口的能量传输。因此，传感器侧有更多能量可用于实现传感器功能。在这种情况下，目标操作点会被短暂保留，在此期间不会发生任何通信。

一个改进方案规定，该方法包括以下步骤：在次级侧上存储来自能量脉冲的附加能量。

能量脉冲以事件控制的方式被传输。例如，这样的事件可以是：次级侧上的能量存储为空或低于阈值；传感器将被切换到特殊模式，诸如用于执行软件或固件更新的模式、清洁模式，或者是否要更精确地测量特定测量范围。当需要大量能量的事件即将发生时，这也是一个事件。因此，传感器将在此事件开始之前请求附加的能量。即使能量存储还不是特别空，在这种情况下存储也会被填满。

该目的还通过一种用于执行上述方法的传感器装置来实现，该传感器装置包括：初级侧，该初级侧包括电源单元、初级线圈以及第一数据处理单元，该初级线圈被连接到电源单元并且被配置用以将能量和能量脉冲传输到次级线圈，并且被配置用以双向传输或接收数据，该第一数据处理单元被配置用以控制和可选地调节能量的传输，并且被设计用以借助于电源单元生成、控制和可选地调节能量脉冲，并且被设计用以传输到次级线圈；以及次级侧，该次级侧带有传感器，该传感器包括次级线圈、至少一个电压限制器、传感器元件以及第二数据处理单元，该次级线圈被配置用以从初级线圈接收能量和能量脉冲并且被配置用以双向传输或接收数据，所述至少一个电压限制器用于限制次级线圈处的输入电压，其中该电压限制器连接到次级线圈，该传感器元件用于检测至少一个被测变量，该第二数据处理单元至少连接到传感器元件并且连接到次级线圈，其中该第二数据处理单元被设计用以生成与被测变量相关的数据。

一个改进方案规定，传感器装置包括：在次级侧上的至少一个能量存储，该能量存储连接到次级线圈，该能量存储至少存储来自能量脉冲的能量。

由于次级侧上的电压限制器，不会超过次级侧上定义的最大电压电平。如果电路的设计方式使其原则上可以操作到这一点并且结果证明是不可修复的并且集成了可以存储增加的电压/能量水平的电路部分，则可以有效地存储这些附加的能量并且供稍后使用。

对何时传输附加能量脉冲、传输多长时间以及它具有哪些其它参数的控制例如借助于(一个或多个)数据处理单元在内部发生。系统使用这些控制参数来协调内部测量、计算、通信周期、充电过程和放电过程以及取决于操作点的其它过程。在一个改进方案中，控制由初级侧(例如，第一数据处理单元或连接的测量变换器)执行，并且次级侧(即，具有第二数据处理单元的传感器)遵循控制参数。

一个改进方案规定，传感器装置包括：初级侧上的能量存储。这种改进方案例如在自然不能有太多能量的两线设备的情况下是非常有用的。在两线设备中，能量脉冲是在有规律地消耗较少能量的时段期间传输的，使得两线设备的能量管理不会受到过度的负担。

四线设备原则上也可以在初级侧上包括这样的能量存储。然而，原则上可以假设达到可传输最大值的能量的量可以由初级侧上的四线设备提供。这里，减少能量是量的限制因素是必须激活测量值“正常操作”的通信这一事实。

一个改进方案规定，传感器装置包括：控制元件，特别是晶体管，在初级侧上，用于产生能量脉冲。

一个改进方案规定，传感器装置包括：控制元件，特别是晶体管，在次级侧上，用于将能量脉冲传递到能量存储或消耗件。

一个改进方案规定，传感器装置包括：调节器，尤其是线性调节器或开关调节器，该调节器在次级侧上、连接在能量存储的下游。

一个改进方案规定，将调节器设计为降压调节器。

一个改进方案规定，传感器装置包括：隔离电路，尤其是至少一个二极管，该隔离电路连接在能量存储和传感器元件之间。

附图说明

这将参考以下附图更详细地加以解释。

图1示出了要求保护的传感器装置。

图2示出了具有传感器和电缆的要求保护的传感器装置连同另外的细节。

图3示出了要求保护的方法的时间-电压图。

具体实施方式

在这些图中，相同的特征由相同的附图标记标识。

要求保护的传感器装置包括传感器1和对应的远程站11。传感器装置10在图1中以概览示出。初级侧包括远程站11；次级侧包括传感器1。传感器1与远程站11和上级单元20通信，远程站11和上级单元20经由接口3连接到传感器1。在该示例中，连接了发送器。发送器又连接到控制系统(未描绘)。在一个改进方案中，传感器1经由远程站11直接与控制系统通信。电缆31在传感器侧连接到发送器20，其另一端包括与接口3互补的接口13。远程站11包括电缆31连同接口13。

接口3、13被设计为电流隔离的电感接口，它们可以借助于机械插塞连接相互耦合。接口3、13因此形成初级线圈和次级线圈，其中这些术语在本文献的含义内互补使用。机械插塞连接是密封的，因此任何流体，诸如被测介质、空气或灰尘都不能从外部进入。

数据经由接口3、13(双向)传输和接收。能量是单向发送的，即从初级侧经由初级线圈和次级线圈发送到次级侧。传感器装置10主要用于过程自动化。

传感器1包括用于获取过程自动化的测量变量的至少一个传感器元件4(仅在图1中象征性地指示和示出)。传感器1则例如是pH传感器，也称为ISFET，通常是离子选择性传感器，用于测量氧化还原电位、介质中例如波长在UV、IR和/或可见光范围的电磁波的吸收、氧气、电导率、浊度、非金属材料的浓度或具有相应测量变量的温度的传感器。

传感器1包括第一耦合体2，该耦合体包括第一接口3。为了该应用的目的，该接口是次级线圈3。第一耦合体2是圆柱形的并且具有例如12mm的外径。

如上所述，次级线圈3被设计用以将取决于被测变量的值传输到初级线圈13。传感器1包括数据处理单元6，诸如微控制器，该数据处理单元6处理测量变量的值，例如将它们转换成不同的数据格式。这样，数据处理单元就可以进行平均、预处理和数字转换。传感器1包括数据存储器，其中数据存储器包括传感器的持久数据，尤其是校准数据、序列号、标签、校准值和/或日志。此处“持久数据”应理解为“不能以不受控制的方式更改”的数据，即，甚至在程序或传感器1已经终止后(可能甚至在不可预见的终止情况下，例如电源故障)仍保留(存储)的数据以及可以在重新启动程序时重建并且再次显示的数据。

远程站11还可以包括数据处理单元，例如微控制器。

传感器1可以经由接口3、13连接到远程站11，并且最终连接到上级单元20。如前所述，上级单元20例如是发送器或控制中心。数据处理单元6将作为测量变量的函数的值转换成可由发送器或控制中心理解的协议。这方面的示例包括例如专有Memosens协议或HART、wirelessHART、Modbus、PROFIBUS Foundation Fieldbus、WLAN、ZigBee、蓝牙或RFID。这种转换也可以在单独的通信单元中进行，而不是在数据处理单元中进行，其中通信单元布置在传感器1的一侧或在远程站11的一侧上。上述协议还包括无线协议，以便相应的通信单元包括无线模块。接口3、13因此被设计用于传感器1和上级单元20之间的双向通信。如上所述，传感器1由此被供应能量；见下文。

远程站11包括数据处理单元16。数据处理单元16可以用作发送的信号的中继器。此外，数据处理单元16可以转换或修改协议。

远程站11还包括第二圆柱形耦合体12，该第二圆柱形耦合体12被设计用以与第一耦合体2互补，并且利用套筒状端段可以将该第二圆柱形耦合体12插入到第一耦合体2上，其中接口13被插入到接口3中。其中接口13具有套筒状设计并且接口3具有插头状设计的相反布置是可能的，而无需任何创造性步骤。第二耦合体12至少部分地具有内径为12mm的中空圆柱形状。

图2示出了具有相应部件的传感器1和远程站11，其中相应边由虚线箭头指示。

如所提及的，传感器1经由接口3、13被供应电力。为了这个目的，能量通过传感器1从初级侧传输到次级侧。这保证了正常操作N。此外，能量脉冲可以从初级侧传输到次级侧，其中附加能量因此最初存储在次级侧。最后，储存的能量被传递给一个或多个消耗件；见下文。

图3以时间t、能量E和除正常操作之外传输的能量脉冲P示出了时间-能量图。

以事件控制的方式传输能量脉冲，即以非循环模式请求脉冲。计时和控制经由数据处理单元6、16进行处理。各个步骤(见下文)的时间顺序因此经由数据处理单元6、16进行控制。

通常，当能量存储7为空时，可以请求和发送脉冲P。能量存储7也可以在需要能量之前不久被充电。取决于传感器的类型，这可能取决于测量值，例如在进行清洁时等。还有一种可能性是，当需要进行特别大量能量的测量时，因为测量必须比平常更精确(更长的测量时间)，或者测量在不经常使用的测量范围内(例如，在电导率传感器的情况下，高电导率)发生。这些“事件”在应用的含义内。

为了这个目的，初级侧包括用于为传感器1供电的电源单元15。电源单元15可以是例如发送器20，其因此形成次级侧的一部分。电源单元15也可以是相应地取决于能量网络的电源单元。

初级线圈13连接到电源单元15。

数据处理单元16控制和(如果适用)调节用于正常操作的能量的传输。此外，它被设计用以借助于能量源15产生、控制、在适当的情况下调节能量脉冲P，并且将能量脉冲P传输到带有传感器1的次级线圈3。初级侧上的系统因此被置于一种产生比正常模式更高电压的模式。

取决于能量源15的类型，初级侧包括能量存储17，即例如一个或多个电容器。当能量源15不能为脉冲P提供足够的能量并且因此可以缓冲脉冲P所需的能量时，这是特别有利的或必要的。

初级侧包括控制元件18，特别是晶体管，用于与能量源15和可选的能量存储17相互作用产生能量脉冲。通过切换控制元件18，初级侧被置于增加的能量传输模式。

在初级侧上，一个或多个电容器布置在初级线圈13旁边(未示出；也可能除了能量存储17之外)。线圈和(一个或多个)电容器形成谐振电路。通过控制元件18改变谐振电路，其中一个或多个另外的部件，特别是一个或多个另外的电容器，借助于控制元件18被接通。

然后将次级侧置于能够接收脉冲P的模式，即能量脉冲例如还借助于控制元件8传递到能量存储或直接传递到消耗件。次级侧上的控制元件8例如确保降低次级侧上的负载。尽管通信因此在脉冲P的持续时间内被中断，但能够增加能量传输。

因此，能量有规律地从初级侧被传输到次级侧，并且原则上数据是双向发送的。传感器1收集测量数据，即过程自动化技术的被测变量。这些数据或取决于被测变量的值然后从次级侧被传输到初级侧。

然后当事件发生时，请求从次级侧至初级侧的能量脉冲P，即需要更多的能量。在一个改进方案中，然后中断对被测变量的获取。然后，传输取决于被测变量的值。此外，发生至少一个能量脉冲P从初级侧到次级侧的传输，其中能量脉冲P以事件控制的方式被传输。

最后，返回到正常模式，即重新开始获取被测变量，并且将取决于被测变量的值传输到初级侧。

最初，用于限制次级线圈3处的输入电压的至少一个电压限制器5连接在次级线圈3的下游。

根据传感器的类型，可以直接使用来自脉冲P的附加能量。例如，只需要偶尔借助于超声致动器执行清洁的传感器，需要相对大量的能量来完成这个动作。然后在更高能量的传输期间直接操作致动器，并且不需要临时存储能量。

在一个改进方案中，传感器1包括至少一个能量存储7，该至少一个能量存储7可选地经由电压限制器5连接到次级线圈3，其中所述能量存储至少存储来自能量脉冲P的能量。

能量存储7包括一个或多个电容器，诸如芯片多层电容器。这也可以通过使用一个或多个并联的电容器来实现。通过将电容器充电到(暂时)增加的输入电压来存储能量。此处合理的能量的量为10mJ至20mJ。电容器在这里被充电到最大可能的输入电压(参见电压限制器5，例如，大约15-35V，特别是20V)。这些能量的量仍然可以在足够短的时间内被传输/充电。典型的脉冲持续时间是例如50-250ms，尤其是100ms。在剩余时间(例如，100-750ms，特别是300ms的间隔)期间，可以使用所存储的能量，并且可以在正常操作N中操作传感器1。在次级线圈3或次级侧上的限制器的整流之后，布置电容器7。整流可以是简单的整流或桥式整流。

存储电容器7通过隔离电路9(例如，二极管)与输入电路的其余部分(特别是与数据处理单元6和传感器元件4)隔离。该隔离用于防止电容器7在正常操作N期间充当附加电容性负载。如果电容器7没有在低于额定输入电压的情况下放电，则在额定操作期间没有电流流向电容器。

放电过程最终经由调节器35进行，该调节器例如是线性调节器或开关调节器，特别是降压调节器，例如DC/DC转换器。

对于脉冲P的增加的输入电压，必须相应地设计存储电容器7、调节器35和供电电路其余部分的其余部件。

放电/功率输出可以由数据处理单元6经由调节器35上的控制输入或反馈输入相应地控制。

存储电容器7的充电状态的测量可以可选地经由数据处理单元6(可选地具有上游分压器)的模拟/数字转换器进行。

传感器1包括至少连接到能量存储7的消耗件。这里，“消耗件”例如可以是数据处理单元6、传感器元件4或清洁单元。如果没有存储，则消耗件将被连接到初级线圈13。

基于时间的功能机制有助于该原理的运作：

充电周期在传感器装置10中被计时。微控制器6、16用于控制这些过程。

当储能充电阶段开始时，次级电路尽可能地降低其自身的功耗。因此，可以潜在地实现高输入电压，并且固有输入电流导致的损耗保持较低。初级侧将所传输的电压增加到最大值。理想情况下，初级侧上的电压增加到这样的程度，以使得其精确地为尚未响应的电压限制措施。结果，实现了最大的能量存储，尽管如此，经由限制元件仍然没有明显的损耗。考虑到当电压升高到限制措施电压以上时损耗会大大增加，系统在一定范围内是自限制的。在放电过程期间，即，在次级侧上使用所存储的能量期间，传感器和电缆回到正常模式。在此期间，通信也再次成为可能。

存储在电容器7中的能量可以经由调节器35(线性或开关调节器)提供给应用。因此，可以提供更大的输入电流，从而可以通过应用实现更高的性能。应用的唯一条件是供电电路部分是为充电期间出现的短暂升高的电压而设计的。如上所述，清洁设备，例如超声波致动器，被视为是一种“应用”。进一步的可能性是，例如，用于移动另一个部件的电机，例如用于清洁表面(诸如光学窗口)的擦拭器，或者将传感器本身切换到具有增加的功率消耗的状态。因此，例如，当测量必须比平常更精确(更长的测量时间)或在不有规律地使用的测量范围(例如，电导传感器的高电导率)中进行时，就会出现这种情况。

附图标记列表

1 传感器

2 耦合体

3 次级线圈

4 传感器元件

5 电压调节器

6 数据处理单元

7 能量存储

8 控制元件

9 隔离电路

10 传感器装置

11 远程站

12 耦合体

13 初级线圈

15 电源单元

16 数据处理单元

17 能量存储

18 控制元件

20 上级单元

31 电缆

35 控制器

t 时间

E 能量

N 正常操作

P 能量脉冲

Claims (10)

1.一种向传感器(1)传输能量的方法，所述方法包括以下步骤：

–从初级侧向次级侧传输能量，其中所述传感器(1)被布置在所述次级侧上，

其中所述初级侧和所述次级侧经由初级线圈(13)和次级线圈(3)相互耦合，并且所述能量借助于两个线圈(3、13)得以传输，

其中所述初级线圈(13)和所述次级线圈(3)由此被设计用以双向发送数据，

–借助于所述传感器(1)获取被测变量，

–从所述次级侧向所述初级侧传输取决于所述被测变量的值，

–当发生需要更多能量的事件时，从所述次级侧向所述初级侧请求能量脉冲(P)，

–中断取决于所述被测变量的值的传输，

–将至少一个能量脉冲(P)从所述初级侧传输到所述次级侧，其中所述能量脉冲(P)以事件控制的方式被传输，并且

-在获取所述被测变量后返回正常模式并且向所述初级侧传输取决于所述被测变量的值。

2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：

–在所述次级侧上存储来自所述能量脉冲(P)的附加能量。

3.一种用于将能量传输到传感器(1)以执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法的传感器装置(10)，所述传感器装置(10)包括：

–初级侧，所述初级侧包括：

■电源单元(15)，

■初级线圈(13)，所述初级线圈(13)被连接到所述电源单元(15)并且被设计用以向次级线圈(3)传输能量和能量脉冲(P)并且被设计用以双向传输或接收数据，以及

■第一数据处理单元(16)，所述第一数据处理单元(16)被设计用以控制和可选地调节所述能量的传输，并且

所述第一数据处理单元(16)被设计用以借助于所述电源单元(15)生成、控制、在适当的情况下调节能量脉冲(P)并且将所述能量脉冲(P)传输到所述次级线圈(3)，以及

–次级侧，所述次级侧带有传感器(1)，所述传感器(1)包括：

■次级线圈(3)，所述次级线圈(3)被设计用以从所述初级线圈(13)接收能量和能量脉冲(P)并且被设计为双向传输或接收数据，

■至少一个电压限制器(5)，所述至少一个电压限制器(5)用于限制所述次级线圈(3)处的输入电压，其中所述电压限制器(5)被连接到所述次级线圈(3)，

■传感器元件(4)，所述传感器元件(4)用于获取至少一个被测变量，以及

■第二数据处理单元(6)，所述第二数据处理单元(6)至少被连接到所述传感器元件(4)以及被连接到所述次级线圈(3)，其中所述第二数据处理单元(6)被设计用以生成与所述被测变量相关的数据。

4.根据前述权利要求所述的传感器装置(10)，包括：

–所述次级侧上的至少一个能量存储(7)，所述至少一个能量存储(7)被连接到所述次级线圈(3)，所述次级线圈(3)至少存储来自所述能量脉冲(P)的能量。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(10)，包括：

–在所述初级侧上的能量存储(17)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(10)，包括：

–在所述初级侧上的控制元件(18)，尤其是晶体管，用于生成所述能量脉冲(P)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(10)，包括：

–在所述次级侧上的控制元件(8)，尤其是晶体管，用于将所述能量脉冲传递到所述能量存储(7)或传递到消耗件。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(10)，包括：

–调节器(35)，尤其是线性调节器或开关调节器，所述调节器在所述次级侧上被连接在所述能量存储(7)的下游。

9.根据前述权利要求所述的传感器装置(10)，

其中，所述调节器被设计为降压调节器。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(10)，包括：

–隔离电路(9)，尤其是至少一个二极管，所述隔离电路(9)被连接在所述能量存储(7)和所述传感器元件(4)之间。

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