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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Energiequelle dual gespeister Verbraucher in der Prozessautomatisierung.
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Es ist allgemein bekannt, Verbraucher in der Prozessautomatisierung insbesondere solche mit geringer Leistungsaufnahme und/oder in explosionsgefährdeter Umgebung aus Batterien (primärzellen) oder Akkumulatoren mit elektrischer Energie zu ihrem Betrieb zu versorgen. Zu diesen Verbrauchern zählen nicht abschließend Sensoren zur Messung von Druck, Differenzdruck, Temperatur, Durchfluss, pH-Wert, Pegel, Füllstand, Abstand sowie Aktoren zur Betätigung von Schaltern, Ventilen und dergleichen.
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Darüber hinaus ist bekannt, derartige Verbraucher zu ihrer Eneergieversorgung mit Wandlern auszustatten, die eine nichtelektrische Umweltenergie, wie Temperaturgradient, Strömung, Licht, Vibration, in eine elektrische Energie umformen. Beispielsweise ist aus der
DE 10 2007 056 150 A1 ein Sensorsystem mit einer thermoelektrischen Generatoranordnung bekannt.
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Ferner ist in der
DE 10 2005 043 771 A1 eine Energieversorgung eines Feldgeräts beschrieben, bei der Thermogenerator vorgesehen ist, der mit einer Energiespeichereinheit gekoppelt ist, in der überschüssige Energie zwischengespeichert wird, um die Versorgung des Feldgeräts auch in den Zeiten sicherzustellen, in denen der Thermogenerator keine ausreichende Energie liefert.
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Derartige Feldgeräte sind dual aus dem Thermogenerator und der Energiespeichereinheit gespeist.
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Insbesondere besteht die Anforderung der Betreiber, die Wartungsintervalle batterigespeister Verbraucher durch Hinzuschaltung eines Wandlers, der nichtelektrische Umweltenergie in elektrische Energie umformt zu verlängern. Dabei ist der Wandler der Batterie parallelgeschaltet. Zur Gewährleistung der kontinuierlichen Verfügbarkeit der Versorgung des Verbrauchers besteht dabei das Problem zu ermitteln, aus welcher Quelle der Verbraucher aktuell gespeist wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aktuell speisende Energiequelle dual gespeister Verbraucher zu erkennen, bei denen die Energiequellen parallelgeschaltet sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Im Einzelnen ist vorgesehen, das Rauschspektrum der Versorgungsspannung zu untersuchen und in Abhängigkeit vom ermittelten Rauschverhalten die speisende Energiequelle zu bestimmen. Die Erfindung macht dabei von den verschiedenen Spektralanteilen der Versorgungsspannungen der jeweiligen Energiequelle Gebrauch. Während eine Batterie reine Gleichspannung abgibt, liefert ein Wandler, der nichtelektrische Umweltenergie in elektrische Energie umformt, bauartbedingt eine Gleichspannung, der ein hochfrequenter Wechselspannungsanteil überlagert ist. Die Herkunft dieses Wechselspannungsanteils ist ein Gleichspannungswandler, der die variable elektrische Spannung des Energiewandlers in eine konstante Gleichspannung umsetzt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird aus dem Tastverhältnis der Speisung aus dem Wandler nichtelektrischer Energie in elektrische Energie die maximal verfügbare Energie des Wandlers ermittelt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird aus der Frequenz des hochfrequenten Wechselspannungsanteils die maximal verfügbare Energie des Wandlers nichtelektrischer Energie in elektrische Energie ermittelt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird aus der Amplitude des hochfrequenten Wechselspannungsanteils die maximal verfügbare Energie des Wandlers nichtelektrischer Energie in elektrische Energie ermittelt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines dual gespeisten Verbrauchers
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2 eine Darstellung von Zeitverläufen
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In der 1 ist ein dual gespeister Verbraucher 10 prinzipiell dargestellt. Dieser Verbraucher 10 weist Versorgungsanschlüsse 11 und 12 auf. An diese Versorgungsanschlüsse 11 und 12 sind eine Batterie 20 und ein Wandler 30 nichtelektrischer Energie in elektrische Energie angeschlossen. Der Wandler 30 ist der Batterie 20 parallelgeschaltet.
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In bevorzugter Ausgerstaltung der Erfindung ist der Wandler 30 ausgebildet, eine nichtelektrische Umweltenergie, wie Temperaturgradient, Strömung, Licht, Vibration, in eine elektrische Energie umzuformen. Im Einzelnen kann der Wandler 30 als thermoelektrischer Generator, Solarzelle, Schwingungswandler oder magnetoelektrischer Wandler ausgebildet sein.
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An die Versorgungsanschlüsse 11 und 12 ist eine Auswerteeinheit 40 angeschlossen. Diese Auswerteeinheit 40 umfasst eine Kettenschaltung bestehend aus einem Hochpassfilter 41, einer Gleichrichterschaltung 42, einer Diskriminatorschaltung 43 und einer Recheneinheit 44.
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Der hochfrequente Wechselspannungsanteil der Versorgungsspannung des Verbrauchers 10 an den Versorgungsanschlüssen 11 und 12 wird mit dem Hochpassfilter 41 selektiert und mit der nachgeschalteten Gleichrichterschaltung 42 gleichgerichtet. Die Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung 42 ist ein Maß für den hochfrequenten Wechselspannungsanteil der Versorgungsspannung des Verbrauchers 10.
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Die Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung 42 wird mit der Diskriminatorschaltung 43 bewertet. Wenn die Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung 42 gleich Null ist, dann liegt an den Versorgungsanschlüssen 11 und 12 reine Gleichspannung an. Demnach wird der Verbraucher 10 aus der Batterie 20 gespeist. Wenn die Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung 42 ungleich Null ist, dann ist der Versorgungsspannung des Verbrauchers 10 an den Versorgungsanschlüssen 11 und 12 ein Wechselspannungsanteil überlagert, der ein Indiz für die Speisung des Verbrauchers 10 aus dem Wandler 30 ist. Folglich ist durch Bewertung des Wechselspannungsanteils der Versorgungsspannung die speisende Quelle eindeutig identifizierbar.
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In der 2 sind exemplarische Zeitverläufe über derselben Zeitachse t dargestellt. Der Zeitverlauf n(t) repräsentiert den hochfrequenten Wechselspannungsanteil der Versorgungsspannung, wie er am Ausgang des Hochpassfilters 41 abgreifbar ist. Dieser Zeitverlauf n(t) zeigt während der Zeitphasen T1, T3 und T5 einen signifikant höheren hochfrequenten Wechselspannungsanteil der Versorgungsspannung, welcher ein Indiz für die Versorgung des Verbrauchers 10 aus dem Wandler 30 ist, als während der Zeitphasen T0, T2, T4 und T6, während denen der Verbraucher 10 aus der Batterie 20 gespeist ist.
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Der Zeitverlauf s(t) repräsentiert das Schaltsignal am Ausgang der Diskriminatorschaltung 43. Während der Zeitphasen T1, T3 und T5 erfolgt die Versorgung des Verbrauchers 10 aus dem Wandler 30, gekennzeichnet durch den Schaltzustand h = 1. Während der Zeitphasen T0, T2, T4 und T6, ist der Verbraucher 10 aus der Batterie 20 gespeist, gekennzeichnet durch den Schaltzustand b = 1.
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Der Zeitverlauf P(t) repräsentiert die bereitgestellte Leistung des Wandlers
30. Die durchschnittliche Leistung des Wandlers
30 kann nach folgender Gleichung allgemein abgeschätzt werden:
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Die Bestimmung der durchschnittliche Leistung des Wandlers
30 kann durch analoge oder digitale Signalverarbeitung bestimmt werden. Darüber hinaus kann die durchschnittliche Leistung des Wandlers
30 für eine bekannte Zeitdauer T
a vereinfacht durch folgende Gleichung bestimmt werden:
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Dabei beschreibt
nicht nur die durchschnittliche Leistung des Wandlers
30 über eine bestimmte Zeitdauer T
a sondern auch die maximale Leistung des Wandlers
30 über diese Zeitdauer T
a. Die Kenntnis des Parameters
kann somit verwendet werden, um das Verhalten des Verbrauchers
10 zu modulieren, um zu verhindern, dass die maximale Leistung des Wandlers
30 überschritten wird und wenig bis keine Energie von der Batterie
20 bezogen wird.
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Falls der Zeitverlauf s(t) dauerhaft im Schaltzustand h = 1 verharrt, wird durch den Wandler 30 ausreichend Energie geliefert, um den Verbraucher 10 zu speisen. Zur Ermittlung der maximalen Leistung des Wandlers 30 kann vorgesehen sein, die aufgenommene Leistung des Verbrauchers 10 temporär zu erhöhen und wieder abzusenken.
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In analoger Weise kann die Energie der Batterie
20 durch folgende Gleichung abgeschätzt werden:
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Die in der Batterie 20 verbleibende Energie kann dann in Bezug auf die Anfangsenergie und möglicherweise andere Parameter wie Betriebstemperatur bestimmt werden. Diese Informationen können verwendet werden, um den nächsten Batteriewechsel zu bestimmen oder das Lastverhalten des Verbrauchers 10 anzupassen, um am Ende der Lebensdauer der Batterie 20 den Batteriewechsel zu verzögern.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Recheneinheit 44 geeignet sein, aus dem Tastverhältnis des Wechselspannungsanteils der Versorgungsspannung bei Speisung aus dem Wandler 30 nichtelektrischer Energie in elektrische Energie die maximal verfügbare Energie des Wandlers 30 zu ermitteln.
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Ein resultierender Mittelwert des Tastverhältnisses des Wechselspannungsanteils der Versorgungsspannung von Null oder nahe Null bedeutet, dass der Verbraucher 10 von der Batterie 20 gespeist wird. Bei einem größeren resultierenden Mittelwert des Tastverhältnisses wird der Verbraucher 10 von der Wandler 30 gespeist. Der Energieverbrauch ist dann proportional zu dem Durchschnittswert von s(t). Die Proportionalitätskonstante kann durch Analyse der Spannungsinformationen gefunden werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Recheneinheit
44 ausgebildet sein, aus der Frequenz des hochfrequenten Wechselspannungsanteils die maximal verfügbare Energie des Wandlers
30 nichtelektrischer Energie in elektrische Energie ermittelt. Dadurch kann die Schätzung der verfügbaren Energie P(t) sowie die durchschnittliche Leistung
des Wandlers
30 verbessert werden.
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Im Einzelnen kann dazu vorgesehen sein, in einem ersten Schritt eine Beziehung zwischen der Frequenz des hochfrequenten Wechselspannungsanteils und der verbrauchten Leistung herzustellen, indem in einem ersten Schritt die aufgenommene Leistung des Verbrauchers 10 temporär erhöht und wieder abgesenkt wird und in einem zweiten Schritt aus der Beziehung zwischen der Frequenz des hochfrequenten Wechselspannungsanteils und der verbrauchten Leistung die Leistungsaufnahme des Verbrauchers 10 ohne weitere Messung zu schätzen, um so über die Betriebszeit die Gesamtleiszungsaufnahme zu senken.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Recheneinheit 44 ausgebildet sein, aus der Amplitude des hochfrequenten Wechselspannungsanteils die maximal verfügbare Energie des Wandlers 30 nichtelektrischer Energie in elektrische Energie ermittelt.
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Die Ausgangsspannung eines Gleichspannungswandlers des Wandlers 30, welcher im Niedrigenergiemodus betrieben wird, weist einen niederfrequenten Anteil in Form einer Dreieckswelle auf, der zur Burst-Periode synchronisiert ist. Aus der Kenntnis der mittleren Spannung des Wandlers 30, der Amplitude des Dreieckssignals, der Burst-Periode und dem Laststrom durch den Verbraucher 10 ist die Kapazität des Kondensators am Ausgang des Gleichspannungswandlers bestimmbar. Sobald die Kapazität des Kondensators am Ausgang des Gleichspannungswandlers bekannt ist, genügt es, die Burst-Periode zu messen, um den durchschnittlichen Energieverbrauch über den durchscnittlichen Speisestrom zu bestimmen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbraucher
- 11, 12
- Versorgungsanschluß
- 20
- Batterie
- 30
- Wandler
- 40
- Auswerteeinheit
- 41
- Hochpassfilter
- 42
- Gleichrichterschaltung
- 43
- Diskriminatorschaltung
- 44
- Recheneinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007056150 A1 [0003]
- DE 102005043771 A1 [0004]
