-
Die Erfindung betrifft einen induktiven Steckverbindungsübertrager mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
-
Ein derartiger Steckverbindungsübertrager ist beispielsweise aus der
WO 20041047127 A1 bekannt. Üblicherweise umfasst ein solcher Steckverbindungsübertrager, wie er für die kontaktlose Übertagung von Daten- oder Energieversorgungssignalen über eine Steckkupplung bestehend aus einem Stecker- und Buchsenteil eingesetzt wird, einerseits eine Primärspule mit einer axialen Wicklungslänge d2, die auf einem Kern aus ferromagnetischem Material mit der Axiallänge d1- im Folgenden kurz „Ferritkern” bezeichnet – sitzt.
-
Andererseits ist der bekannte Steckverbindungsübertrager mit einer Sekundärspule mit einer axialen Wicklungslänge d3 versehen. In die Aufnahmeöffnung dieser Sekundärspule ist die Ferritkern-Primärspulen-Einheit radial symmetrisch und axial in eine Übertragungs-Sollposition einschiebbar. In dieser ragt der Ferritkern mit seinem durch die Sekundärspule hindurchgesteckten, freien Ende über die Sekundärspule axial hinaus.
-
Kennzeichnend für den Stand der Technik ist die Auslegung der Abmessungen und der Lage der beiden Wicklungen der Primär- und Sekundärspulen zueinander und zum Ferritkern. Um nämlich eine möglichst hohe induktive Kopplung k der beiden Spulen im Spulen eines Transformators zu erreichen, taucht der Ferritkern axial und radial symmetrisch in die Sekundärspule ein. Für die hier betrachtete axiale Position heißt dies, dass im zusammengesteckten Zustand, also in der Übertragungs-Sollposition, der Abstand jedes Endes des Ferritkerns zum jeweils benachbarten Ende der Sekundärwicklung gleich ist Ebenfalls gemäß dem oben angegebenen Stand der Technik ist es üblich, zur Maximierung der induktiven Kopplung k die Längen der beiden Spulen gleich zu wählen, also gilt d2 = d3. Außerdem ist es üblich, die Länge des Ferritkerns gleich oder größer als die Länge der Sekundärspule, also d1 ≥ d3 zu wählen.
-
Wird nun die Primärspule um eine bestimmte Distanz aus der Übertragungs-Sollposition heraus bewegt, so ergibt sich eine relative Änderung des induktiven Kopplungsfaktors k um einen Betrag dk:dk = |(k1 – k2)|/k1 mit k1 = induktiver Kopplungsfaktor in der Übertagungs-Sollposition und k2 = induktiver Kopplungsfaktor an der verschobenen Position. Da der Kopplungsfaktor relativ stark von den Symmetrieverhältnissen innerhalb der Übertragungsstrecke abhängt, ergeben sich bereits durch geringfügige Verschiebungen der Ferritkern-Primärspulen-Einheit zur Sekundärspule vergleichsweise große Änderungen im Kopplungsfaktor. Dies bedeutet für die Praxis, dass der induktive Steckverbindungsübertrager in seiner Übertragungsqualität stark von der möglichst genauen Positionierung der Ferritkern-Primärspulen Einheit innerhalb der Sekundärspule abhängig ist. Unter praktischen Gesichtspunkten wäre eine geringere Empfindlichkeit des Steckverbindungsübertragers gegenüber Abweichungen der Positionen der beiden Steckverbindungskomponenten unter verschiedenen Aspekten wünschenswert. So könnte die Fertigungsgenauigkeit der Steckverbindungskomponenten weniger kritisch ausgelegt werden. Ferner sind derartige Steckverbindungen im rauen Industriealltag Verschmutzungen und Ablagerungen unterworfen, die eine exakte Positionierung der Steckverbindungskomponenten verhindern können. Auch für diesen Fall soll der Übertrager noch mit einem befriedigenden Kopplungsfaktor arbeiten können.
-
Die
DE 27 32 626 A1 zeigt ebenfalls einen induktiven Steckverbindungsübertrager mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1. Bei diesem Übertrager ist auf einem Ferritkern eine Primärspule gewickelt, wobei die Einheit aus dem Ferritkern und der Primärspule von einer Sekundärspule umgeben ist. Diese Bauteile weisen unterschiedliche Längen auf und sind laut Abbildung in axialer Richtung leicht asymmetrisch angeordnet. Nähere Angabe über die Asymmetrieverhältnisse sind der Druckschrift nicht entnehmbar, sodass diese Druckschrift keine erkennbaren Hinweise auf eine Lösung der oben bereits erörterten Problematik eines befriedigenden Kopplungsfaktors des Übertragers auch unter Störeinflüssen gibt.
-
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Steckverbindungsübertrager anzugeben, dessen Kopplungsfaktor weniger empfindlich gegenüber einer Abweichung der Relativpositionen der einzelnen Komponenten des Übertragers von einer Sollposition zueinander ist.
-
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der induktive Steckverbindungsübertrager ist folglich charakterisiert durch
- – gestaffelte Axiallängen von Ferritkern, Primär- und Sekundärspule gemäß der Beziehung d1 > d3 > d2,
- – eine axial asymmetrisch verschobene Positionierung der Primärspule auf dem Ferritkern in Richtung zu dessen freien Ende hin, und
- – eine Positionierung der Primärspule in der Übertragungs-Sollposition innerhalb der Sekundärspule derart, dass die Primärspule auf einer Teillänge axial über die Sekundärspule um einen Überstand d4 < d2 hinausragt.
-
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf einer geschickten asymmetrischen Positionierung der einzelnen Übertragerkomponenten zueinander der Art, dass eine Verschiebung der Ferritkern-Primärspulen-Einheit in der Sekundärspule deutlich geringere Auswirkungen auf den Kopplungsfaktor hat. Dabei werden Einbußen beim maximal möglichen Kopplungsfaktor bewusst in Kauf genommen.
-
Das Prinzip lässt sich wie folgt umreißen:
Im Gegensatz zum Stand der Technik, liegt die Primärwicklung nicht axial symmetrisch zu dem Ferritkern, sondern einseitig zu demjenigen Ende des Ferritkerns hin verschoben, das beim Zusammenstecken des induktiven Steckverbindungsübertragers in Steckrichtung zuerst in die Sekundärspule eintaucht. Die Primärwicklung ist dabei so weit zu diesem freien Ende des Ferritkerns hin verschoben, dass sich der oben erwähnte Überstand d4 ergibt. Das heißt, die Primärwicklung ragt in axialer Richtung über die Sekundärwicklung um den Betrag d4 hinaus, wenn die Übertragungs-Sollposition erreicht ist.
-
Wird die Ferritkern-Primärspulen-Einheit nun ausgehend von dieser Position entgegen der Steckrichtung aus der Sekundärspule herausgezogen, so bewegt sich die Primärwicklung in die Sekundärwicklung hinein, ohne diese am anderen Ende wieder zu verlassen. Da die Primärwicklung vorher einen Überstand zur Sekundärwicklung besah, mm aber voll innerhalb der Sekundärwicklung liegt, ist die induktive Kopplung zwischen den Spulen aufgrund des nun geringeren räumlichen Abstands größer geworden. Gleichzeitig wird die Position des Ferritkerns aus der symmetrischen Lage zur Sekundärwicklung in eine unsymmetrische Position verschoben. Dadurch verringert sich aber die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen. Durch diese beiden gegenläufigen Effekte wird eine Kompensationswirkung erreicht. Die relative Änderung des induktiven Kopplungsfaktors k um den Betrag dk mit dk = (k1 – k2)/k1 ist bei der Verschiebung um einen bestimmten Weg deutlich kleiner als beim induktiven Steckverbinder nach dem Stand der Technik, wenn dort der gleiche relative Verschiebeweg der Spulen aus der Überragungs-Sollposition durchgeführt wird.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Sensoreinrichtung, an die der Steckverbindungsübertrager direkt angebunden ist.
-
In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen des Steckverbindungsübertragers angegeben, deren Merkmale, Einzelheiten und Vorteile zur Vermeidung von Wiederholungen in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht eines Steckverbindungsübertragers mit Ferritkern-Primärspulen-Einheit und Sekundärspule in voneinander getrenntem Zustand, jedoch mit einer axialen Zuordnung entsprechend der Übertragungs-Sollposition,
-
2 eine schematische Axialansicht eines Steckverbindungsübertragers in zusammengestecktem Zustand,
-
3 ein Wicklungsschema für die Primär- und Sekundärspule mit einer Aufteilung der Sekundärspule in zwei Teilwicklungen,
-
4 ein Wicklungsschema analog 3 in einer weiteren Ausführungsform für die Sekundärspule, und
-
5 einen ausschnittsweisen Axialschnitt durch eine physikalisch-chemischen Sensoreinrichtung mit direkt angeflanschtem Steckverbindungsübertrager.
-
Wie aus 1 deutlich wird, besteht die Primärspule 1 aus einer ein- oder vorzugsweise mehrlagigen Wicklung 2 der Axiallänge d2 aus einem isolierten Draht oder einer isolierten Litze. Die Primärspule 1 sitzt axial asymmetrisch auf dem Ferritkern 3 in einer zu dessen freien Ende 4 hin verschobenen Position. Wie ferner aus 1 hervorgeht, wird der Ferritkern 3 von einem Spulenhalteköper 5 gehalten, der auch die beiden elektrischen Anschlüsse 6, 7 für die Anschlussenden 8, 9 der Wicklung 2 trägt.
-
Für die Einfassung der Wicklung 2 wird im Übrigen üblicherweise ein Spulenkörper 10 verwendet, in dessen zentralem Hohlraum dann der Ferritkern 3 sitzt. Alternativ dazu kann die ein- oder vorzugsweise mehrlagige Wicklung 2 auch direkt auf den Ferritkern 3 aufgebracht sein. Primärspule 1 und Ferritkern 3 sind fest miteinander verbunden.
-
Die Sekundärspule 11, wie sie in 1 und 2 gezeigt ist, weist in ihrer Grundkonfiguration eine ein- oder vorzugsweise mehrlagige Wicklung 12 auf, die auf einem entsprechenden Spulenkörper 13 gewickelt ist. Letzterer ist ebenfalls mit einem Spulenhaltekörper 14 verbunden, der die Anschlüsse 15, 16 für die Anschlussenden 17, 18 der Wicklung 12 trägt.
-
Grundsätzlich kann die Wicklung 12 der Sekundärspule 11 mehrlagig über die axiale Wicklungslänge d3 durchgehend gewickelt sein. Bevorzugtermaßen ist die Sekundärwicklung 12 jedoch in zwei Teilwicklungen 12.1, 12.2 durch einen in Axialrichtung A mittig angeordneten, ringförmig umlaufenden Trennnsteg 19 geteilt. Ein entsprechendes Wicklungsschema ergibt sich aus 3, das vereinfacht wiedergibt, dass beispielsweise zuerst die Teilwicklung 12.1 als mehrlagige Wicklung auf der einen Seite des Trennsteges 19 angelegt, dann die Wicklung über den Trennsteg 19 geführt und die zweite Teilwicklung als mehrlagige Wicklung angelegt werden. Die beiden Teilwicklungen 12.1, 12.2 werden dabei elektrisch miteinander so verbunden, dass bei Einspeisung eines Stromes die Windungen der Wicklungen 12.1, 12.2 gleichsinnige Teilmagnetfelder erzeugen würden. Die Feldlinien der beiden Spulen würden also in die gleiche Richtung zeigen und sich gegenseitig verstärken. Die gleichsinnige Durchflutung bei einer Einspeisung eines Stromes lässt sich dabei erreichen, indem die Teilwicklungen 12.1, 12.2 passend entweder in Serie oder parallel elektrisch verschaltet werden.
-
Die grundsätzliche Zuordnung von Primärspule 1, Ferritkern 3 und Sekundärspule 11 zueinander wird nun anhand von 1 erläutert. So gilt für die Axiallängen d1, d2, d3 von Ferritkern 3, Primärspule 1 und Sekundärspule 11 die Beziehung d1 > d3 > d2. Die jeweiligen Längen können beispielsweise um den Faktor 1,5 bis 2,5 differieren, d. h. der Ferritkern ist etwa doppelt so lang wie die Sekundärspule, diese wiederum etwa doppelt so lang wie die Primärspule.
-
Wie aus 1 ferner deutlich wird, wird die Ferritkern-Primärspulen-Einheit 1, 3 soweit in diese Sekundärspule 11 eingeschoben, bis der Ferritkern 3 mit seinem freien Ende 4 in der Position P1 bezüglich der Sekundärspule 11 sitzt. Dabei ist durch die asymmetrische Positionierung der Primärspule 1 auf dem Ferritkern 3 dafür gesorgt, dass die Primärwicklung 2 um den Überstand d4 über den in Einschubrichtung S weisenden Rand 21 der Sekundärwicklung 12 hinaussteht. Der Ferritkern 3 mit seiner Axiallänge d1 sitzt wiederum axial symmetrisch bezogen auf die Axiallänge d3 der Sekundärwicklung 12.
-
Wie oben bereits kurz erläutert, wird bei einem Herausziehen der Ferritkern-Primärspulen-Einheit 1, 3 aus der Sekundärspule 11 beispielsweise um einen Weg D2 in eine Position P2 des freien Endes 4 des Ferritkerns zum einen die Primärwicklung 2 in die Sekundärwicklung 12 hineinbewegt, ohne dass die Primärwicklung 1 am anderen Ende wieder aus der Sekundärspule 11 heraustritt. Da die Primärwicklung 2 den Überstand d4 zur Sekundärwicklung 12 besaß, mm aber voll innerhalb der Sekundärwicklung 12 liegt, ist die induktive Kopplung zwischen den beiden Wicklungen 2, 12 aufgrund des nun geringeren räumlichen Abstandes größer geworden. Gleichzeitig hat sich die Position des Ferritkerns 3 aus der symmetrischen Lage zur Sekundärwicklung 12 in eine unsymmetrische Position verschoben. Dadurch verringert sich die induktive Kopplung zwischen Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 12. Durch diese beiden gegenläufigen Effekte wird eine Kompensationswirkung erreicht, so dass die relative Änderung des induktiven Kopplungsfaktors zwischen den beiden Wicklungen 2, 12 bei der Verschiebung um den Weg D2 deutlich kleiner als bei einem induktiven Steckverbindungsübertrager nach dem Stand der Technik bei gleichem Verschiebeweg ist.
-
In 4 ist schließlich eine weitere bevorzugte Ausführungsform für die Bewicklung der Sekundärspule 11 dargestellt. Diese geht aus von der aus zwei Teilwicklungen 12.1, 12.2 bestehenden Sekundärspule gemäß 3, wobei jedoch die Teilwicklungen 12.1, 12.2 durch eine durchgehende Basiswicklung 22 unterlegt sind. Diese Wicklungskonfiguration kann trotz des Trennsteges 19 dadurch erzeugt werden, dass beim Wickeln eine erste durchgängige Lage des Spulendrahtes über den Trennsteg 19 hinweg entlang der Gesamtlänge d3 der Sekundärspule 11 gelegt wird. Anschließend wird eine der beiden Teilwicklungen 12.1 oder 12.2 mit der gewünschten Windungszahl gewickelt, dann der Wickeldraht über den Trennsteg 19 hinweg geführt und dort die zweite Teilwicklung 12.2 oder 12.1 in der gewünschten Windungszahl aufgebracht. Bei beiden Teilwicklungen 12.1, 12.2 können unterschiedliche Windungszahlen verwendet werden. Auch können mehr als zwei Teilwicklungen vorgesehen sein.
-
Abschließend ist festzuhalten, dass die Wicklungen 2, 12, 12.1, 12.2 sowie eine etwaige durchgehende Basiswicklung 22 aus einem isolierten Draht oder einer isoliertem Litze bestehen können. Statt der Verwendung eines Spulenkörpers 10, 13 können die Wicklungen 2, 12, 12.1, 12.2 sowie eine etwaige durchgehende Basiswicklung 22 auch freitragend als sogenannte „Backlackspulen” aufgebaut sein.
-
Wie aus
5 deutlich wird, kann der Steckverbindungsübertrager mit seiner Sekundärspule
11 in einem Buchsenteil
25 eines als Ganzes mit
26 bezeichneten Steckverbinders untergebracht sein. Die Ferritkern-Primärspulen-Einheit
1,
3 sitzt in einem entsprechenden Steckerteil
27 des Steckverbinders
26, das vom Buchsenteil
25 abziehbar ist. Die mechanische Verbindung zwischen Buchsen- und Steckerteil
25,
27 wird über einen gegen diese beiden Teile durch Ringdichtungen
28,
29 abgedichteten Überwurfring
30 gewährleistet. Die mechanische Ausbildung dieses Steckverbinders
26 ist im Übrigen Gegenstand der älteren
deutschen Patentanmeldung 10 2006 022 713 der Anmelderin.
-
Der Steckverbinder 26 mit dem integrierten Steckverbindungsübertrager gemäß der vorliegenden Erfindung dient zur mess- und energietechnischen Anbindung einer Sensoreinrichtung zur Messung eines chemischen oder physikalischen Messparameters. Im vorliegenden Falle ist ein pH-Messsensor 31 ausschnittsweise gezeigt, mit dem fest ein Sensorkopf 32 verbunden ist Darin ist eine nicht näher dargestellte Schaltung 33 zur Aufbereitung der vom pH-Messsensor 31 über eine Signalleitung 34 herangeführten pH-Messsignale untergebracht. Direkt am Sensorkopf 32 ist das Buchsenteil 25 des Steckverbinders 26 mit der Sekundärspule 11 des erfindungsgemäßen Steckverbindungsübertragers angebunden.
-
Das Steckerteil 27 mit der Ferritkern-Primärspulen-Einheit 1, 3 ist ebenfalls mit einer Schaltung 35 versehen, mittels derer einerseits Steuer- und Energieversorgungssignale, die über die Übertragungsleitung 36 von einer übergeordneten Einheit, wie beispielsweise einem Feldgerät herangeführt werden, zur Übertragung via Steckverbindungsübertrager aufbereitet werden. In der Schaltung 33 im Sensorkopf 32 werden entsprechend die Messsignale zur Rückübertragung über den Steckverbindungsübertrager aufbereitet. Die Energieversorgung dieser Schaltung 33 wird von den oben erwähnten Energieversorgungssignalen abgeleitet.
-
Neben dem pH-Messsensor 31 können auch weitere Sensoren, beispielsweise zur Temperaturerfassung oder auch andere Sensoren, wie beispielsweise Sauerstoff oder Leitfähigkeits-Messsensoren mit Hilfe des erfindungsgemäßen Steckverbindungsübertragers signal- und energieversorgungstechnisch an eine übergeordnete Einheit angebunden werden.
