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Die Erfindung betrifft eine Steckverbindungseinheit zur Verbindung einer Kabelschaltung mit einem Sensormodul, umfassend eine drahtlose Schnittstelle zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen der Kabelschaltung und dem Sensormodul, deren erster Abschnitt in der Kabelschaltung und deren zweiter Abschnitt in dem Sensormodul angeordnet sind.
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In der Prozessautomatisierungstechnik wird eine Vielzahl von verschiedenen Sensoren zur Erfassung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele für derartige Sensoren sind pH-Sensoren, Gassensoren, Durchflusssensoren, Masseflusssensoren und ähnliches. In modernen Industrieanlagen werden derartige Sensoren oft unter widrigen Umgebungsbedingungen betrieben, beispielsweise sind die Sensoren korrosiven Chemikalien, Hitze, Vibration und ähnlichem ausgesetzt.
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Die Sensoren werden dabei in Messstellen angeordnet, die aus einem Sensorelement und einem Sensorkabel, welches den Sensor mit einem Messumformer verbindet, bestehen. In einigen Anwendungsfällen wird der Sensor in eine Armatur aus Edelstahl oder einen widerstandsfähigem Kunststoff eingebracht um ein Ein- und Austauchen des Sensors in den Prozess zu ermöglichen.
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Aus der
DE 10 2007 048 812 A1 ist eine Kabelschaltung mit digitaler Signalaufbereitung bekannt, die zur Verbindung eines Sensormoduls mit einem Messumformer dient. Die Kabelschaltung umfasst eine kontaktlose Schnittstelle zur Signalübertragung zwischen der im Kabel ausgebildeten Schaltung und dem Sensormodul, wobei das Sensormodul von der Kabelschaltung galvanisch getrennt ist und die Signalübertragung zwischen der Kabelschaltung und dem Sensormodul auf optischem, induktivem oder kapazitivem Weg erfolgt. Des Weiteren erfolgt auch die Energieversorgung für das Sensormodul über diese drahtlose Schnittstelle. Die drahtlose Schnittstelle ist dabei zum Teil in der Kabelschaltung und zum anderen Teil in dem Sensormodul positioniert, wobei die beiden Teile der drahtlosen Schnittstelle gegenüberliegend angeordnet sind, indem die Kabelschaltung in das Sensormodul eingesteckt wird. Das Gehäuse des Sensormoduls bzw. des Kabels haben einen relativ kleinen Durchmesser, im Beispiel 12 mm. Der Sensor kann in Armaturen angewendet werden (siehe unten), so dass die maximalen Außenmaße vorgegeben sind. Wie bereits erwähnt findet ein Teil der Signalaufbereitung durch eine Schaltung im Sensor und/oder im Kabel statt. Die für die Aufbereitung benötigten Bauteile wie Mikroprozessor, weitere aktive Bauteile sowie passive Bauteile müssen in den vorgegebenen Platzausmessungen untergebracht werden. Die Wandstärke der Gehäuse des Kabels bzw. des Sensormoduls ist – bedingt durch den relativ kleinen Gehäusedurchmesser – sehr gering, in etwa 1–2 mm.
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Insbesondere dann, wenn die drahtlose Schnittstelle als Streufeldtransformator ausgebildet ist, dessen Primärspule auf der Kabelschaltung und dessen Sekundärspule auf dem Sensormodul angeordnet ist, entstehen bei der Energie- und Datenübertragung magnetische Streufelder, die auch außerhalb von Kabel- und Sensorgehäuse auftreten. Durch den Einbau einer solchen Steckverbindungseinheit in eine beispielsweise rohrförmige Edelstahlarmatur zur Befestigung des Sensormoduls in einem zu untersuchenden Medium wird durch die Edelstahlarmatur das vorhandene Streufeld beeinflusst. Zum einen wirkt die Edelstahlarmatur wie eine zweite Sekundärwicklung, die elektrisch kurzgeschlossen ist. Zum anderen entstehen in der Edelstahlarmatur Eisenverluste. Damit werden die wirksame Induktivität und die wirksame Güte der Primärspule derart verändert, dass sich der Arbeitspunkt der Primärspule verändert und sich der Wirkungsgrad von Kabel inklusive Sensor verkleinert. Dies hat zur Folge, dass sowohl die Energie- als auch die Datenübertragung negativ beeinflusst werden.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Steckverbindungseinheit anzugeben, die unter gegebenen Platzanforderungen, insbesondere mit geringstmöglichem Platzbedarf, eine zuverlässige Energie- und/oder Datenübertragung zwischen einer Kabelschaltung und einem Sensormodul sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die drahtlose Schnittstelle von einer magnetischen Schirmung umgeben ist, die im Kabelschaltungsgehäuse und/oder im Sensormodulgehäuse angeordnet ist. So ist es möglich unter den gegebenen Platzanforderungen eine sichere Übertragung zu ermöglichen. Die magnetische Schirmung hat den Vorteil, dass der magnetische Kreis der Steckverbindungseinheit derart verändert wird, dass sich dieser nur innerhalb von Kabelschaltung und Sensormodul ausdehnt. Das Streufeld außerhalb von Kabelschaltung und Sensormodul wird dabei so klein, dass keinerlei Auswirkungen mehr auf die Energie- und Datenübertragung entstehen.
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Vorteilhafterweise ist die drahtlose Schnittstelle als induktive oder kapazitive Schnittstelle ausgebildet. Insbesondere bei solchen physikalischen Prinzipien ist es notwendig, Schirmungen zu verwenden, um eine Beeinflussung der Funktion dieser Schnittstellen durch äußere Streufelder zu unterbinden.
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In einer Variante besteht die magnetische Schirmung aus einer Folie oder einem Blech, die im Innern des Kabelschaltungsgehäuses und/oder des Sensormodulgehäuses angeordnet ist. Auf diese Art und Weise lässt sich die magnetische Schirmung konstruktiv einfach und kostengünstig herstellen.
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Vorteilhafterweise ist die magnetische Schirmung in das aus einem Kunststoff bestehende Kabelschaltungsgehäuse und/oder in das aus Kunststoff bestehende Sensormodulgehäuse eingebracht. Somit entfällt eine Justage von zwei Schichten, bestehend aus Gehäuse und Schirmung, gegeneinander, wenn das ferromagnetische Material von dem Kunststoff beispielsweise umspritzt ist.
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In einer Ausführungsform sind das Kabelschaltungsgehäuse und/oder das Sensormodulgehäuse vollständig oder teilweise aus einem kunststoffgebundenen Ferrit hergestellt. Somit bestehen das Kabelschaltungsgehäuse und das Sensormodulgehäuse selbst aus einem Material, was gleichzeitig als magnetische Schirmung dient.
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In einer weiteren Variante ist die magnetische Schirmung in mindestens einem Bereich des Kabelschaltungsgehäuses, welches den ersten Abschnitt der drahtlosen Schnittstelle umgibt und/oder mindestens in einem Bereich eines Sensormodulgehäuses, welches den zweiten Abschnitt der drahtlosen Schnittstelle umfasst, ausgebildet. In dieser Form ist ein Mindestmaß an Abschirmung gegenüber dem äußeren Streufeld gegeben. Das Magnetfeld, welches durch die induktive oder kapazitive Schnittstelle erzeugt wird, verläuft umso mehr im Inneren der Kabelschaltung bzw. des Sensormoduls, je vollständiger die magnetische Schirmung das Kabelschaltungsgehäuse bzw. das Sensormodulgehäuse einnimmt.
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In einer Ausgestaltung besteht die magnetische Schirmung aus einem Material mit einer relativen Permeabilität > 1. Die Wahl des Materials mit einer solchen Permeabilität erlaubt die sichere Abschirmung der Streufelder außerhalb der Steckverbindungseinheit.
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Die magnetische Schirmung kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein. Insbesondere, wenn die magnetische Schirmung aus einem ferromagnetischen Material besteht, wird eine besonders hohe relative Permeabilität erreicht.
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Vorteilhafterweise ist die aus einem leitenden Material bestehende magnetische Schirmung rohrförmig ausgebildet und weist einen Längsschlitz auf. Durch diesen Längsschlitz wird das Auftreten einer sekundären Kurzschlusswicklung unterbunden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind das Kabelschaltungsgehäuse und das Sensormodulgehäuse rohrförmig ausgebildet und haben einen Durchmesser von circa 12 mm. Die Gehäuse sollen insbesondere so ausgestaltet sein, dass die in einer Armatur angewendet werden können.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:
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1: Datenaustausch zwischen dem Messumformer, der Kabelschaltung und dem Sensormodul,
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2: ein Ausführungsbeispiel von Kabelschaltung und Sensormodul,
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3: ein Ausführungsbeispiel der Schirmung einer induktiven Schnittstelle gemäß 2.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist eine Steckverbindungseinheit zum Erfassen und Weiterleiten von Messwerten dargestellt. Diese Steckverbindungseinheit umfasst ein Sensormodul 1, das über eine drahtlose Schnittstelle 2 mit einer Kabelschaltung 3 kommuniziert. Die drahtlose Schnittstelle 2 ist dabei als induktive Schnittstelle ausgebildet. Um die in dem Sensormodul 1 erfassten Daten an ein übergeordnetes System weiterleiten zu können, ist die Kabelschaltung 3 über ein Kabel 4 mit einem Messumformer 5 verbunden. Teile der Aufgaben des Messumformers 5 können von der Kabelschaltung 3 übernommen werden. So ist es beispielsweise auch möglich das Sensormodul 1 direkt an einen Bus anzuschließen.
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Das Sensormodul 1 umfasst einen Sensor 6, welcher im dem Gebiet der Prozessautomatisierung angewendet wird, also beispielsweise als Durchflusssensor, Massenflusssensor, pH-Sensor, Gassensor oder ähnliches ausgebildet ist. Innerhalb des Sensormoduls 1 ist der Sensor 6 mit einer elektronischen Schaltung 7 verbunden, die wiederum mit der drahtlosen induktiven Schnittstelle 2 gekoppelt ist. Die induktive Schnittstelle 2 umfasst eine auf Seiten der Kabelschaltung 3 angeordnete Primärspule 8 sowie eine auf Seiten des Sensormoduls 1 angeordnete Sekundärspule 9, die mit der elektronischen Schaltung 7 verbunden ist. Wenn das Sensormodul 1 mittels einer Steckverbinderkupplung auf die Kabelschaltung 3 aufgesteckt wird, werden die Primärspule 8 und die Sekundärspule 9 in eine definierte räumliche Position zueinander gebracht, so dass Hochfrequenzsignale in beide Richtungen zwischen der Kabelschaltung 3 und dem Sensormodul 1 übertragen werden können. Dadurch wird ein Datenaustausch zwischen Kabelschaltung 3 und Sensormodul 1 ermöglicht.
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Darüber hinaus kann auch die Energieversorgung des Sensormoduls 1 über die induktive Schnittstelle 2 erfolgen. Dazu wird das von der Kabelschaltung 3 in der elektrischen Schaltung 12 erzeugte Hochfrequenzsignal durch die Sekundärspule 9 des Sensormoduls 1 empfangen, um als Betriebsspannung für die elektronische Schaltung 7 und den Sensor 6 zu dienen. Zusätzlich zu der drahtlosen Schnittstelle 2 weist die Kabelschaltung 3 eine Schnittstelle 11 zum Kabel 4 auf, über die der Datenaustausch mit dem Messumformer 5 erfolgt.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer am Ende eines Kabels 13 angeordneten Kabelschaltung 14 dargestellt. Außerdem ist ein Sensormodul 15 gezeigt, das über die Steckverbinderkupplung mit der Kabelschaltung 14 verbunden wird, so dass über die induktive Schnittstelle 2 eine Daten- und Energieübertragung erfolgen kann. Das Sensormodul 15 umfasst einen Sensor 16 zur Erfassung von Messwerten. Das Sensormodulgehäuse 17 weist ein Gewinde 18 auf, um das Sensormodul 15 in eine, nicht weiter dargestellte Edelstahlarmatur montieren zu können. An dem vom Sensor 16 abgewandten Ende des Sensormoduls 15 ist ein zylindrischer Endabschnitt 19 vorgesehen, in dem eine Sekundärspule 20 der induktiven Schnittstelle 2 angeordnet ist. In der Mantelfläche des zylindrischen Endabschnittes 19 befinden sich Aussparungen eines Bajonettverschlusses 21.
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Der zylindrische Endabschnitt 19 des Sensormoduls 15 weist eine stirnseitige Aussparung 22 auf, welche als Aufnahme für eine, an dem Kabelschaltungsgehäuse 23 angeformte zylinderförmige Nase 24 dient. Innerhalb der zylinderförmigen Nase 24 befindet sich ein Ferritkern mit der Primärspule der induktiven Schnittstelle 2. Beim Aufstecken der Kabelschaltung 14 auf das Sensormodul 15 wird die, innerhalb der Nase 24 angeordnete Primärspule in eine definierte räumliche Position relativ zur Sekundärspule 20 gebracht, so dass eine Daten- und Energieübertragung zwischen der Kabelschaltung 14 und dem Sensormodul 15 stattfinden kann. Radial einwärts verlaufende Vorsprünge auf der hülsenartigen Mantelfläche 25 der Kabelschaltung 14 befinden sich dann mit den Aussparungen des Bajonettverschlusses 21 im Eingriff und sichern die Steckverbindung. Kabelschaltungsgehäuse 23 und Sensormodulgehäuse 24 sind rohrförmig ausgestaltet und haben einen Durchmesser von 12 mm. Die Wandstärke der Gehäuse 23, 24 beträgt circa 1 mm, so dass die Kabelschaltung 15 bzw. das Sensormodul 15 im Innern, also innerhalb 10 mm platziert werden müssen.
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In 3 ist eine magnetische Schirmung 10 zur Umhüllung der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 dargestellt. Die magnetische Schirmung 10 besteht aus einem ferromagnetischen Material und ist rohrförmig in einer ersten Ausgestaltung vorzugsweise aus einer Folie oder aus einem Blech geformt. Das Kabelschaltungsgehäuse 23 sowie das Sensormodulgehäuse 17 sind aus Kunststoff angefertigt und, wie in 2 erläutert, ebenfalls rohrförmig ausgebildet. Im montierten Zustand umfasst die magnetische Schirmung 10 mindestens die induktive Schnittstelle 2 der Steckverbindungseinheit und somit die Primärspule 8 und die Sekundärspule 9. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der magnetischen Schirmung 10 an der Steckverbindungseinheit. Die magnetische Schirmung 10 kann innen sowohl an dem Kabelschaltungsgehäuse 23 als auch dem Sensormodulgehäuse 17 angebracht sein. Eine besonders elegante Lösung ist gegeben, wenn das Sensormodulgehäuse 17 und das Kabelschaltungsgehäuse 23 aus einem Kunststoff bestehen, in welchem die magnetische Schirmung 10 eingebracht ist. In einer weiteren Alternative kann die Schirmung 10 auf die Primärspule 8 bzw. die Sekundärspule 9 aufgeklebt werden. Die magnetische Schirmung 10 kann dabei als geschlossener Körper oder auch als geschlitzter Körper ausgebildet werden. Ein geschlitzter Körper ist immer dann von Vorteil, wenn das Material der magnetischen Schirmung 10 elektrisch leitend ist, um somit die Ausbildung einer sekundären Kurzschlusswicklung zu unterbinden.
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Die erläuterte Steckverbindungseinheit hat den Vorteil, dass die Energie- und Datenübertragung zwischen dem Sensormodul 1, 15 und der Kabelschaltung 3, 14 unbeeinflußt von äußeren Magnetfeldern stattfindet. Dabei werden auch magnetisch wirksame äußere Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Edelstahlarmaturen, die das Sensormodul aufnehmen, eliminiert. Auch benachbarte Sensormodule, die in derselben Art und Weise mit einer induktiven Schnittstelle 2 ausgebildet sind, werden aufgrund der Verwendung der magnetischen Schirmung 10 untereinander nicht beeinflusst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007048812 A1 [0004]
