DE102015105087A1 - Electronic circuit for transmitting energy and measuring device comprising such - Google Patents

Electronic circuit for transmitting energy and measuring device comprising such Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung (1) zur Verwendung in der Prozessautomatisierung, wobei die elektronische Schaltung (1) zum Übertragen von Energie zwischen einer ersten Seite mit einer ersten Schnittstelle (23), und einer zweiten Seite mit einer, zur ersten Schnittstelle (23) korrespondierenden, zweiten Schnittstelle (24), ausgestaltet ist, wobei die erste Schnittstelle (23) und die zweite Schnittstelle (24) zum Übertragen der Energie ausgestaltet sind, und wobei die erste Schnittstelle (23) und die zweite Schnittstelle (24) als induktive Schnittstellen (L1, L2) ausgestaltet sind, umfassend: die erste Schnittstelle (23); einen Klasse-E Verstärker (4), wobei der Klasse-E Verstärker (4) die erste Schnittstelle (23) umfasst; einen Gleichspannungswandler (5), wobei der Ausgang des Gleichspannungswandlers (5) mit dem Eingang des Klasse-E Verstärkers (4) verbunden ist; und einen Regler (6) in einem Regelkreis, der auf konstante Leistung regelt, mit der Leistung (P), die der Klasse-E Verstärker an seinem Eingang aufnimmt, als Regelgröße (y), mit einer Sollleistung an der ersten Schnittstelle (23) als Führungsgröße (w), und mit der Spannung (Vout) am Ausgang des Gleichspannungswandlers (5) als Stellgröße (u). Die Erfindung betrifft weiter ein Messgerät (20) umfassend eine solche Schaltung (1).The invention relates to an electronic circuit (1) for use in process automation, the electronic circuit (1) for transmitting energy between a first side having a first interface (23), and a second side having a first interface (23 ), wherein the first interface (23) and the second interface (24) are designed to transmit the energy, and wherein the first interface (23) and the second interface (24) as inductive Interfaces (L1, L2) are configured, comprising: the first interface (23); a class E amplifier (4), the class E amplifier (4) comprising the first interface (23); a DC-DC converter (5), the output of the DC-DC converter (5) being connected to the input of the class-E amplifier (4); and a controller (6) in a control circuit which controls constant power, with the power (P) which the class E amplifier receives at its input, as control variable (y), with a set power at the first interface (23). as a reference variable (w), and with the voltage (Vout) at the output of the DC-DC converter (5) as a manipulated variable (u). The invention further relates to a measuring device (20) comprising such a circuit (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Übertragen von Energie. Die Erfindung betrifft weiter ein Messgerät umfassend eine solche Schaltung.The invention relates to an electronic circuit for transmitting energy. The invention further relates to a measuring device comprising such a circuit.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Prozessautomatisierung.The invention relates to the field of process automation.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem soll anhand der Energie- und Datenübertragung zwischen einer Transmitterseite (im Allgemeinen eine übergeordnete Einheit) und einer Sensorseite (im Allgemeinen ein Verbraucher) erläutert werden.The problem underlying the invention will be explained on the basis of energy and data transmission between a transmitter side (generally a higher-level unit) and a sensor side (generally a consumer).

Üblicherweise wird an einen Transmitter ein Kabel zur Verbindung an einen Sensor angeschlossen. Die Verbindung Kabel zu Sensor erfolgt häufig über eine Steckverbindung, beispielsweise durch galvanisch entkoppelte, insbesondere induktive Schnittstellen. Somit können kontaktlos elektrische Signale übertragen werden. Durch diese galvanische Trennung zeigen sich Vorteile hinsichtlich Korrosionsschutz, Potentialtrennung, Verhinderung mechanischer Abnutzung der Stecker usw. Von der Anmelderin werden solche Systeme unter der Bezeichnung „Memosens“ vertrieben.Usually, a cable is connected to a transmitter for connection to a sensor. The connection cable to sensor often takes place via a plug connection, for example by galvanically decoupled, in particular inductive interfaces. Thus, contactless electrical signals can be transmitted. This galvanic separation has advantages in terms of corrosion protection, electrical isolation, prevention of mechanical wear of the plug, etc. By the Applicant such systems are sold under the name "Memosens".

Die angesprochenen induktiven Schnittstellen sind üblicherweise als System mit zwei Spulen realisiert, die beispielsweise mittels der angesprochenen Steckverbindung ineinander gesteckt werden. Typischerweise werden sowohl Daten (in beide Richtungen) als auch Energie (von Transmitterseite zu Sensorseite) übertragen. Die Energie muss dabei so groß sein, dass ein angeschlossener Sensor ausreichend mit Energie versorgt wird und somit ein dauerhafter Messbetrieb gewährleistet ist.The mentioned inductive interfaces are usually realized as a system with two coils, which are plugged into each other, for example by means of the addressed connector. Typically, both data (in both directions) and energy (from transmitter side to sensor side) are transmitted. The energy must be so high that a connected sensor is sufficiently supplied with energy and thus a permanent measuring operation is guaranteed.

Die Herausforderung einer solchen kontaktlosen Energie- und Datenübertragung besteht zunächst in den rauen Betriebs- und Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld. Diese Anforderung wirkt sich dahingehend aus, dass die wegen der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, etc.) anzusetzenden Toleranzbereiche für die Bauteile (Induktivitäten der Spulen etc.) besonders groß sind. Sind Baugruppen beispielsweise für typische Temperaturen auszulegen, bei denen medizintechnische Anlagen sterilisiert werden (typischerweise oberhalb von 120 °C), so ist z.B. für die in diesen Baugruppen verwendeten Spulen bei hohen Temperaturen mit erheblich modifizierten Induktivitätswerten zu rechnen.The challenge of such non-contact energy and data transmission initially lies in the harsh operating and environmental conditions in the industrial environment. This requirement has the effect that the due to the environmental conditions (temperature, humidity, etc.) to be applied tolerance ranges for the components (inductances of the coils, etc.) are particularly large. For example, if assemblies are to be designed for typical temperatures at which medical equipment is sterilized (typically above 120 ° C), e.g. to reckon with considerably modified inductance values for the coils used in these assemblies at high temperatures.

Hervorzuheben ist bezüglich der Toleranzen insbesondere der Kopplungsübertrager, der die Spule auf Transmitterseite mit der Spule auf Sensorseite induktiv koppelt, beziehungsweise mit diesen beiden gekoppelten Spulen einen Transformator bildet. Bei diesem Kupplungssystem ist die mechanische Paarung der beiden Partnerspulen entscheidend und eine große Streuung der induktiven Kopplung kann zu Problemen hinsichtlich des Übertragungsverhaltens führen.Particularly noteworthy in terms of tolerances of the coupling transformer which inductively couples the coil on the transmitter side with the coil on the sensor side, or forms a transformer with these two coupled coils. In this coupling system, the mechanical pairing of the two partner coils is crucial and a large dispersion of the inductive coupling can lead to problems with the transmission behavior.

Den Kern der Stromversorgung bildet ein Klasse-E-Verstärker. Er wandelt eine Gleichspannung in einen Wechselstrom um, der eine erste Spule fließt. Über die mit dieser Spule magnetisch gekoppelte zweite Spule gelangt Energie zum Sensor. Idealerweise ist die Leistungsabgabe an den Sensor unabhängig von den angesprochenen Bauteiltoleranzen, der Versorgungsspannung und Umgebungsbedingungen. So kann gewährleistet werden, dass der Sensor jederzeit voll funktionsfähig ist. Schwankt die Leistungsabgabe hat das negative Folgen für die gesamte Messstelle. Ist sie zu niedrig, dann ist die Stromversorgung des Sensors nicht mehr gesichert und eine Messung kann nicht mehr durchgeführt werden. Ist sie zu hoch, dann steigt die Leistungsaufnahme, also die Leistung, die auf der Transmitterseite bereitgestellt werden muss. Eine zu hohe Leistungsaufnahme kann die sichere Stromversorgung des angeschlossenen Transmitters gefährden. Besonders für Zweileitergeräte, aber auch für Vierleitergeräte ist dies relevant.The core of the power supply is a class E amplifier. It converts a DC voltage into an AC current that flows through a first coil. Energy is supplied to the sensor via the second coil magnetically coupled to this coil. Ideally, the power output to the sensor is independent of the addressed component tolerances, the supply voltage and ambient conditions. This ensures that the sensor is fully functional at all times. If the power output fluctuates, this has negative consequences for the entire measuring point. If it is too low, the power supply of the sensor is no longer secured and a measurement can no longer be performed. If it is too high, the power consumption, ie the power which has to be provided on the transmitter side, increases. Excessive power consumption can endanger the safe power supply of the connected transmitter. This is especially relevant for two-wire devices, but also for four-wire devices.

In der noch unveröffentlichten DE 10 2014 101 502 ist eine Lösung mittels einer Leistungsregelung durch Änderung der Taktfrequenz beschrieben. Allerdings verhalten sich Taktfrequenz und Leistungsabgabe nichtlinear zueinander, was gegebenenfalls zu Problemen führen kann.In the still unpublished DE 10 2014 101 502 a solution by means of a power control by changing the clock frequency is described. However, clock frequency and power output behave non-linearly to each other, which may possibly lead to problems.

Eine Alternativlösung um die Leistungsabgabe zu stabilisieren, ist ein Linearregler, der die Leistungsabgabe unabhängig von der Versorgungsspannung macht. Zudem können für den Klasse-E Verstärker Bauteile gewählt werden, die für eine konstante Leistungsabgabe vorteilhaft sind. Eine Änderung oder gar eine Regelung mittels Änderung der Betriebsspannung des Klasse-E Verstärkers zu realisieren ist nicht möglich, da die Ausgangsspannung eines Linearregler üblicherweise nicht veränderbar ist. Zwar sind Linearregler mit veränderbarer Ausgangsspannung erhältlich, jedoch verringert sich dann mit verringerter Ausgangsspannung des Linearreglers auch der Wirkungsgrad der Schaltung entsprechend. Ein konstanter Wirkungsgrad ist hierbei aber Voraussetzung für eine konstante Leistungsaufnahme.An alternative solution to stabilize the output is a linear regulator that makes the power output independent of the supply voltage. In addition, components that are advantageous for a constant power output can be selected for the class E amplifier. A change or even a regulation by means of changing the operating voltage of the class-E amplifier is not possible, since the output voltage of a linear regulator is usually not changeable. Although linear regulators are available with variable output voltage, but then reduced with reduced output voltage of the linear regulator and the efficiency of the circuit accordingly. However, a constant efficiency is a prerequisite for a constant power consumption.

Trotz Verwendung eines Linearreglers schwankt die Leistungsabgabe immer noch beträchtlich. Je nach Bauteiltoleranzen und Umgebungsbedingungen kann sich die Leistungsabgabe um bis zum Zweifachen ändern. Daher kann einem angeschlossenen Sensor unter allen möglichen Umgebungsbedingungen letztendlich nur eine minimale Leistung garantiert werden, die sicher übertragen werden kann. Die Energiequelle, also etwa der Transmitter, muss allerdings die maximal mögliche Energie mit einem ausrechend großen Puffer bereithalten. Das ist weder für den Transmitter noch für den Sensor optimal.Despite the use of a linear regulator, the power output still varies considerably. Depending on component tolerances and environmental conditions, the power output may change up to two times. Therefore, a connected sensor under all possible environmental conditions ultimately only a minimal Guaranteed performance, which can be transmitted safely. However, the energy source, such as the transmitter, must provide the maximum possible energy with a sufficiently large buffer. This is not optimal for the transmitter or the sensor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energiearme, aber dennoch sichere Energieübertragung von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite zu gewährleisten.The invention has for its object to ensure a low-energy, but safe energy transfer from a first page to a second page.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Schaltung wobei die elektronische Schaltung zum Übertragen von Energie zwischen einer ersten Seite mit einer ersten Schnittstelle, und einer zweiten Seite mit einer, zur ersten Schnittstelle korrespondierenden, zweiten Schnittstelle, ausgestaltet ist, wobei die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle zum Übertragen der Energie ausgestaltet sind, und wobei die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle als induktive Schnittstellen ausgestaltet sind, umfassend: die erste Schnittstelle; einen Klasse-E Verstärker; wobei der Klasse-E Verstärker die erste Schnittstelle umfasst, einen Gleichspannungswandler; wobei der Ausgang des Gleichspannungswandlers mit dem Eingang des Klasse-E Verstärkers verbunden ist; und einen Regler in einem Regelkreis, der auf konstante Leistung regelt, mit der Leistung, die der Klasse-E Verstärker an seinem Eingang aufnimmt, als Regelgröße, mit einer Sollleistung an der ersten Schnittstelle als Führungsgröße, und mit der Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers als Stellgröße.The object is achieved by an electronic circuit wherein the electronic circuit for transmitting energy between a first side with a first interface, and a second side with a, corresponding to the first interface, second interface is configured, wherein the first interface and the second Interface for transmitting the energy are designed, and wherein the first interface and the second interface are designed as inductive interfaces, comprising: the first interface; a class E amplifier; wherein the class E amplifier comprises the first interface, a DC-DC converter; wherein the output of the DC-DC converter is connected to the input of the class-E amplifier; and a controller in a closed-loop control circuit, with the power that the class-E amplifier receives at its input, as a controlled variable, with a setpoint power at the first interface as a command, and with the voltage at the output of the DC-DC converter as manipulated variable.

Durch die Verwendung eines Gleichspannungswandlers mit einstellbarer Ausgangsspannung, und der Regelung auf konstante Leistung mit dieser Ausgangsspannung als Stellgröße im Regelkreis, bleibt der Wirkungsgrad der Schaltung näherungsweise konstant, unabhängig von der Höhe der Ausgangsspannung. Der Gleichspannungswandler wandelt eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau um.By using a DC-DC converter with adjustable output voltage, and the control to constant power with this output voltage as a control variable in the control loop, the efficiency of the circuit remains approximately constant, regardless of the level of the output voltage. The DC-DC converter converts a DC voltage supplied to the input into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level.

Wird die gemessene Leistung als Regelgröße verwendet, ist es möglich die unweigerlich entstehenden Toleranzen der Schnittstellen selbst, der Positionierung der Schnittstellen zueinander und die Störungen in der Umgebung auszuregeln.If the measured power is used as a controlled variable, it is possible to correct the inevitable tolerances of the interfaces themselves, the positioning of the interfaces to each other and the disturbances in the environment.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform überträgt die elektronische Schaltung auch digitale Daten zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite, und die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle sind zum Übertragen der Daten ausgestaltet, wobei die elektronische Schaltung die digitalen Daten mittels Amplitudenumtastung überträgt. Dadurch kann eine gemeinsame Schaltung für Energie- und Datenübertragung verwendet werden und somit Kosten und Platzverbrauch gesenkt werden.In a further preferred embodiment, the electronic circuit also transfers digital data between the first page and the second page, and the first interface and the second interface are configured to transmit the data, the electronic circuit transferring the digital data by amplitude shift keying. As a result, a common circuit for energy and data transmission can be used and thus costs and space consumption can be reduced.

Bevorzugt moduliert der Gleichspannungswandler die digitalen Daten auf seinen Ausgang auf. Auch hier ist kein weiterer Platz notwendig. Zudem können hohe Wirkungsgrade erreicht werden.Preferably, the DC-DC converter modulates the digital data to its output. Again, no additional space is needed. In addition, high efficiencies can be achieved.

Alternativ umfasst der Klasse-E Verstärker eine Lastmodulationsschaltung, welche die digitalen Daten aufmoduliert. Diese Art der Schaltung ist einfach zu realisieren und ein gängiges Verfahren.Alternatively, the class-E amplifier includes a load modulation circuit that modulates the digital data. This type of circuit is easy to implement and a common procedure.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sollleistung an der ersten Schnittstelle als Führungsgröße variabel ausgestaltet. Somit können auf der zweiten Seite verschiedene Verbraucher angeschlossen werden, die je unterschiedliche Leistung verbrauchen können. So braucht beispielsweise ein Trübungssensor als Verbraucher auf der zweiten Seite mehr Leistung als etwa ein pH-Sensor. Wird ein entsprechender Verbraucher erkannt, wird die speziell benötigte Leistung zur Verfügung gestellt und die Führungsgröße entsprechend variiert.In an advantageous embodiment, the setpoint power at the first interface is made variable as a reference variable. Thus, on the second page different consumers can be connected, each of which can consume different power. For example, a turbidity sensor as a consumer on the second side needs more power than a pH sensor. If a corresponding consumer is detected, the specifically required power is made available and the reference variable is varied accordingly.

Weiter kann die Führungsgröße Leistung auch durch andere Parameter beeinflusst und damit verändert werden. Zu nennen ist hier die Umgebungstemperatur. So kann beispielsweise der Temperaturgang des Klasse-E Verstärkers oder der ganzen Schaltung kompensiert werden.Furthermore, the reference variable power can also be influenced by other parameters and thereby changed. To call here is the ambient temperature. For example, the temperature response of the class-E amplifier or the entire circuit can be compensated.

Wie erwähnt können Bauteiletoleranzen ebenfalls kompensiert werden. Zwischen der ersten und zweiten Schnittstelle entsteht unweigerlich ein Luftspalt, der die Kopplung verringert. Dieser negative Effekt kann durch die Leistungsregelung weitgehend kompensiert werden.As mentioned, component tolerances can also be compensated. Between the first and second interface inevitably creates an air gap, which reduces the coupling. This negative effect can be largely compensated by the power control.

Weiter kann die Führungsgröße je nach Betriebsmodus eines an die zweite Seite angeschlossenen Verbrauchers eingestellt werden. Ein Betriebsmodus „Speicher löschen“, „Firmware ändern“ ö.ä. kann beispielsweise eine höhere Leistung erfordern.Furthermore, the reference variable can be adjusted depending on the operating mode of a consumer connected to the second side. One operating mode "Clear memory", "Change firmware", etc. For example, it may require more power.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung einer wie oben stehend beschriebenen elektronischen Schaltung in der Prozessautomatisierung.The object is further achieved by the use of an electronic circuit as described above in process automation.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Messgerät der Prozessautomatisierung, umfassend eine elektronische Schaltung wie oben stehend beschrieben.The object is further achieved by a process automation measuring device comprising an electronic circuit as described above.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Messgerät eine übergeordnete Einheit, insbesondere einen Transmitter, und einen Verbraucher, insbesondere einen Sensor, wobei die übergeordnete Einheit mit dem Verbraucher über die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle verbunden ist.In an advantageous embodiment, the measuring device comprises a higher-level unit, in particular a transmitter, and a consumer, in particular a sensor, wherein the parent unit is connected to the consumer via the first interface and the second interface.

Bevorzugt ist die Führungsgröße variabel und die Sollleistung an der ersten Schnittstelle ist durch die übergeordnete Einheit einstellbar.Preferably, the command variable is variable and the target power at the first interface is adjustable by the parent unit.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Führungsgröße je nach Art des Verbrauchers, Umgebungstemperatur, Bauteiletoleranzen, und/oder der Größe eines Luftspalts zwischen der ersten Schnittstelle und der zweiten Schnittstelle einstellbar.In an advantageous development, the reference variable is adjustable depending on the type of consumer, ambient temperature, component tolerances, and / or the size of an air gap between the first interface and the second interface.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung eines wie oben stehend beschriebenen Messgeräts in der Prozessautomatisierung.The object is further achieved by the use of a measuring device as described above in process automation.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it

1 das erfindungsgemäße Messgerät, 1 the measuring device according to the invention,

2a die erfindungsgemäße elektronische Schaltung, und 2a the electronic circuit according to the invention, and

2b die erfindungsgemäße elektronische Schaltung in einer Ausgestaltung. 2 B the electronic circuit according to the invention in one embodiment.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures, the same features are identified by the same reference numerals.

Zunächst soll auf ein Messgerät 20 eingegangen werden bei dem die erfindungsgemäße elektronische Schaltung angewendet werden kann. Dies ist in 1 dargestellt. Über eine Schnittstelle 24 kommuniziert ein Sensor 22 („Sensorseite 3“) mit einem Transmitter 21 („Transmitterseite 2“). Am Transmitter 21 ist ein Kabel 25 vorgesehen, an dessen anderem Ende eine zur ersten Schnittstelle 24 komplementäre Schnittstelle 23 vorgesehen ist. Die Schnittstellen 23, 24 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive Schnittstellen ausgestaltet, die mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander koppelbar sind. Die mechanische Steckverbindung ist hermetisch dicht, so dass von außen keine Flüssigkeit, etwa das zu messende Medium, Luft oder Staub eindringen kann.First, to a meter 20 be received in which the electronic circuit according to the invention can be applied. This is in 1 shown. Via an interface 24 a sensor communicates 22 ( "Sensor side 3 ") With a transmitter 21 ( "Transmitter side 2 "). At the transmitter 21 is a cable 25 provided, at the other end to the first interface 24 complementary interface 23 is provided. The interfaces 23 . 24 are designed as galvanically isolated, in particular as inductive interfaces which can be coupled to one another by means of a mechanical plug connection. The mechanical connector is hermetically sealed, so that no liquid, such as the medium to be measured, air or dust can penetrate from the outside.

Über die Schnittstellen 23, 24 werden Daten (bidirektional) und Energie (unidirektional, d.h. von Transmitter 21 zu Sensor 22) gesendet. Das Messgerät 20 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet. Bei dem Sensor 20 handelt es sich deswegen etwa um einen pH-, Redoxpotential-, auch ISFET-, Temperatur-, Leitfähigkeit-, Druck-, Sauerstoff-, insbesondere gelöster Sauerstoff-, oder Kohlenstoffdioxidsensor; um einen ionenselektiven Sensor; um einen optischen Sensor, insbesondere einen Trübungssensor, einen Sensor zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, oder einen Sensor zur Bestimmung der Anzahl von Zellen und Zellstrukturen; um einen Sensor zur Überwachung bestimmter organischer oder metallischer Verbindungen; um einen Sensor zur Bestimmung einer Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung; oder um einen Biosensor, z.B. einen Glukosesensor.About the interfaces 23 . 24 be data (bidirectional) and energy (unidirectional, ie from transmitter 21 to sensor 22 ) Posted. The measuring device 20 is mainly used in process automation. At the sensor 20 it is therefore about a pH, redox potential, also ISFET, temperature, conductivity, pressure, oxygen, in particular dissolved oxygen, or carbon dioxide sensor; an ion-selective sensor; an optical sensor, in particular a turbidity sensor, a sensor for optically determining the oxygen concentration, or a sensor for determining the number of cells and cell structures; a sensor for monitoring certain organic or metallic compounds; a sensor for determining a concentration of a chemical substance, for example a particular element or a particular compound; or a biosensor, eg a glucose sensor.

Die erfindungsgemäße Schaltung mit dem Bezugszeichen 1 kann dabei sowohl im Transmitter 21 selbst, im Kabel 25 oder auch im Sensor 22 platziert sein. Bevorzugt befindet sich die elektronische Schaltung im Transmitter 21 oder im Kabel 25.The circuit according to the invention with the reference numeral 1 can do both in the transmitter 21 yourself, in the cable 25 or in the sensor 22 be placed. Preferably, the electronic circuit is located in the transmitter 21 or in the cable 25 ,

Die erfindungsgemäße Schaltung in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in einer schematischen Übersicht in 2a und 2b dargestellt. Die Schaltung 1 befindet sich hierbei auf der Transmitterseite 2. Die Transmitterseite 2 ist mit der Sensorseite 3, über die bereits angesprochene erste Schnittstelle 23 und die zweite Schnittstelle 24 verbindbar.The circuit according to the invention in its entirety has the reference numeral 1 and is in a schematic overview in 2a and 2 B shown. The circuit 1 is located on the transmitter side 2 , The transmitter side 2 is with the sensor side 3 , about the already mentioned first interface 23 and the second interface 24 connectable.

Die elektronische Schaltung 1 umfasst die folgenden Komponenten: Spannungsquelle VCC, Gleichspannungswandler 5, Regler 6, Klasse-E Verstärker 4. Ein Gleichspannungswandler wird auch DC-DC-Wandler genannt.The electronic circuit 1 includes the following components: Voltage source VCC, DC-DC converter 5 , Controller 6 , Class E amplifier 4 , A DC-DC converter is also called a DC-DC converter.

Der Transmitter 21 umfasst die Spannungsquelle VCC, die Spannung an den DC-DC-Wandler 5 liefert. Der Ausgang des DC-DC-Wandlers 5 ist mit dem Eingang des Klasse-E Verstärkers 4 verbunden. Der Regler 6 regelt die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 5.The transmitter 21 includes the voltage source VCC, the voltage to the DC-DC converter 5 supplies. The output of the DC-DC converter 5 is with the input of the class-E amplifier 4 connected. The regulator 6 regulates the output voltage of the DC-DC converter 5 ,

Der Klasse-E Verstärker 4 umfasst zumindest die Bauteile L1, L3, C1, C2 und T1. Im gezeigten Beispiel wird ein Feldeffekttransistor, der mit einer Frequenz f angesteuert wird. verwendet. Ein Fachmann ist ebenso auch in der Lage Bipolartransistoren oder andere Schaltmittel zu verwenden. Der Klasse-E Verstärker 4 wandelt eine Gleichspannung an seinem Eingang in einen Wechselstrom um, der in die Spule L1 fließt. Über die mit dieser Spule L1 magnetisch gekoppelte zweite Spule L2 gelangt Energie zum Sensor 22.The class E amplifier 4 comprises at least the components L1, L3, C1, C2 and T1. In the example shown, a field effect transistor which is driven with a frequency f. used. A person skilled in the art is also able to use bipolar transistors or other switching means. The class E amplifier 4 Converts a DC voltage at its input into an AC current that flows into the coil L1. Energy is supplied to the sensor via the second coil L2 magnetically coupled to this coil L1 22 ,

Zur Datenübertragung werden Daten aufmoduliert. Dies erfolgt durch zuschaltbares Lastmodulationsschaltung 7, dargestellt in 2a. Das Lastnetzwerk ist hierbei durch einen Widerstand symbolisiert. Die Lastmodulationsschaltung 7 wird durch ein geeignetes Schaltmittel, etwa ein Transistor ö.ä., zugeschaltet. Das Schaltmittel ist durch einen Schalter symbolisiert. Die Lastmodulationsschaltung 7 ist mit Masse oder mit der Versorgungsspannung VCC (nicht dargestellt) verbunden.For data transfer, data is modulated. This is done by switchable load modulation circuit 7 represented in 2a , The load network is symbolized by a resistor. The load modulation circuit 7 is switched by a suitable switching means, such as a transistor ö.ä. The switching means is symbolized by a switch. The load modulation circuit 7 is connected to ground or to the supply voltage VCC (not shown).

Alternativ kann eine Verstärkung mittels DC-DC-Wandler 5 verwendet werden, siehe 2b. Dabei wird das Datensignal beispielweise so umgewandelt, dass eine kleinere Verstärkung (kleines Ausgangssignal), einer digitalen „0“ entspricht; eine größere Verstärkung (größeres Ausgangssignal), entspricht einer digitalen „1“. Als weitere Alternative kann ein Verstärker, wie er in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 110 310 vorgestellt wird, verwendet werden. Die Modulation der Spannung an der ersten Spule L1 über eine Energiequelle als Verstärker mit logikpegelabhängiger Ausgangsspannung hat den Vorteil, dass damit bessere Wirkungsgrade erzielt werden können als mit alternativen Modulationsmethoden, wie einer resistiven Bedämpfung der ersten Spule L1, und dass mit diesem Verfahren die Einflüsse von Exemplarstreuungen geringer sind. Ist eine z.B. 10 %-ige Modulationsamplitude gefordert, so kann dies bei 10 %-iger Reduzierung der Eingangsgleichspannung realisiert werden, unabhängig von Exemplarstreuungen der Bauelemente. Alternatively, a gain using DC-DC converter 5 to be used, see 2 B , In this case, for example, the data signal is converted such that a smaller gain (small output signal) corresponds to a digital "0"; a larger gain (larger output signal) corresponds to a digital "1". As a further alternative, an amplifier, as described in the German patent application DE 10 2012 110 310 will be used. The modulation of the voltage at the first coil L1 via a power source as an amplifier with a logic level-dependent output voltage has the advantage that better efficiencies can be achieved than with alternative modulation methods, such as a resistive damping of the first coil L1, and that with this method the influences of Exemplary scatters are less. If, for example, a 10% modulation amplitude is required, this can be achieved with a 10% reduction in the DC input voltage, independent of specimen scattering of the components.

Durch die Nutzung eines DC-DC-Wandlers 5 mit einstellbarer Ausgangsspannung durch den Regler 6 bleibt der Wirkungsgrad der Schaltung 1 näherungsweise konstant, unabhängig von der Höhe der Ausgangsspannung. Es entsteht ein Regelkreis mit folgenden zeitabhängigen Größen: Führungsgröße w (Sollwert) ist die Sollleistung, die vom Klasse-E-Verstärker 4 verbraucht werden soll, wobei diese multipliziert mit dem Wirkungsgrad des Klasse-E-Verstärkers 4 an die zweite Spule L2 übertragen wird. Regelgröße y ist die Istleistung, die der Klasse-E-Verstärker 4 aufnimmt. Dies ist das Produkt aus einer Strom- und einer Spannungsmessung am Eingang des Klasse-E-Verstärkers 4, durch das Bezugszeichen P symbolisiert. Stellgröße u ist die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 5.By using a DC-DC converter 5 with adjustable output voltage through the regulator 6 remains the efficiency of the circuit 1 approximately constant, regardless of the magnitude of the output voltage. The result is a control loop with the following time-dependent variables: Command value w (setpoint) is the setpoint power, that of the Class E amplifier 4 which is multiplied by the efficiency of the Class E amplifier 4 is transmitted to the second coil L2. Controlled variable y is the actual power that the class E amplifier 4 receives. This is the product of a current and voltage measurement at the input of the class E amplifier 4 , symbolized by the reference P. Manipulated variable u is the output voltage of the DC-DC converter 5 ,

Wesentliche Eigenschaft dieser Regelung ist, dass der Wert der Leistung durch eine Messschaltung festgestellt und bei Abweichung e von seinem gewollten Wert w mit e = w – y durch entsprechende Wechselwirkung wieder hergestellt wird.An essential feature of this regulation is that the value of the power is determined by a measuring circuit and, in the case of deviation e, is restored from its desired value w with e = w-y by corresponding interaction.

Dazu umfasst die elektronische Schaltung 1 eine Messschaltung (nicht detailliert dargestellt, symbolisiert mit dem Bezugszeichen P), welche die Leistung, also insbesondere die Strom- und Spannungspegel, misst. Die Messschaltung gibt den Wert der Messung an eine Datenverarbeitungseinheit. Es ist denkbar, dass die Messschaltung oder auch nur Teile der Messschaltung in der Datenverarbeitungseinheit realisiert werden, insbesondere kann die Berechnung der Leistung in der Datenverarbeitungseinheit geschehen. Die Datenverarbeitungseinheit kann dabei als Mikrocontroller, Mikroprozessor o.ä. ausgestaltet sein. Die Datenverarbeitungseinheit muss dabei in der Lage sein, Signale zu empfangen und zu senden, (Regel-)Algorithmen auszuführen und entsprechende Steuersignale zu liefern. Die Datenverarbeitungseinheit ist etwa Teil des Transmitters 21.This includes the electronic circuit 1 a measuring circuit (not shown in detail, symbolized by the reference numeral P), which measures the power, ie in particular the current and voltage levels. The measuring circuit outputs the value of the measurement to a data processing unit. It is conceivable that the measuring circuit or only parts of the measuring circuit are realized in the data processing unit, in particular, the calculation of the power in the data processing unit can be done. The data processing unit can be used as a microcontroller, microprocessor or similar. be designed. The data processing unit must be able to receive and send signals, execute (control) algorithms and deliver appropriate control signals. The data processing unit is about part of the transmitter 21 ,

Die Führungsgröße w Leistung ist variabel verstellbar, etwa durch den Transmitter 21. Verschiedene Sensoren verbrauchen unterschiedliche Leistung, so braucht beispielsweise ein Trübungssensor mehr Leistung als ein pH-Sensor. Erkennt der Transmitter 21 einen Sensor, wird für den entsprechenden Sensor die benötigte Leistung zur Verfügung gestellt und die Führungsgröße w entsprechend variiert. Dies ist möglich bei Vierleiter-Transmittern, wie sie etwa die Anmelderin unter dem Namen „Liquiline CM44“ vertreibt. Aber auch Zweileiter-Transmitter, wie sie die Anmelderin unter dem Namen „Liquiline CM42“ vertreibt, können so etwa durch Reduzierung der zu übertragenden Leistung mehrere Sensoren gleichzeitig, alternierend oder nacheinander betreiben.The reference variable w power is variably adjustable, for example by the transmitter 21 , Different sensors consume different power, for example, a turbidity sensor needs more power than a pH sensor. Detects the transmitter 21 a sensor, the required power is made available for the corresponding sensor and the reference variable w is varied accordingly. This is possible with four-wire transmitters, such as those sold by the applicant under the name "Liquiline CM44". However, two-wire transmitters, such as those marketed by the applicant under the name "Liquiline CM42", can also operate several sensors simultaneously, alternately or one after the other by reducing the power to be transmitted.

Weiter kann die Führungsgröße w Leistung auch von anderen Parametern beeinflusst werden. Zu nennen ist hier die Umgebungstemperatur. So kann beispielsweise der Temperaturgang des Klasse-E Verstärkers 4 oder gar der ganzen Schaltung 1 kompensiert werden. Dafür wird vorab das Temperaturverhalten des Klasse-E Verstärkers 4 aufgenommen und die Führungsgröße je nach Temperaturverlauf angepasst.Furthermore, the reference variable w power can also be influenced by other parameters. To call here is the ambient temperature. For example, the temperature response of the Class E amplifier 4 or even the whole circuit 1 be compensated. This is preceded by the temperature behavior of the class-E amplifier 4 recorded and adjusted the reference variable depending on the temperature profile.

Wie erwähnt sind die beiden Seiten 2 und 3 mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander gekoppelt. An den Spulen L1 und L2 entsteht unweigerlich ein Luftspalt, der je nach Sensor unterschiedlich sein kann und der die Kopplung zwischen den Spulen L1 und L2 verändert und verringert. Auch dieses unerwünschte Verhalten kann durch die Regelung entsprechend kompensiert werden.As mentioned, the two sides 2 and 3 coupled together by means of a mechanical connector. The coils L1 and L2 inevitably create an air gap, which may vary depending on the sensor and which changes and reduces the coupling between the coils L1 and L2. This undesirable behavior can also be compensated accordingly by the regulation.

Die Führungsgröße w kann auch je nach Betriebsmodus des Sensors 22 eine anders eingestellt werden. Ein Betriebsmodus „Speicher löschen“, „Firmware ändern“ ö.ä. kann beispielsweise eine höhere Leistung erfordern.The command variable w can also vary depending on the operating mode of the sensor 22 to be set differently. One operating mode "Clear memory", "Change firmware", etc. For example, it may require more power.

Typischerweise werden Daten nicht kontinuierlich gesendet. Hingegen wird der Sensor 22 kontinuierlich mit Energie versorgt. Während der Datenübertragung ist keine verlässliche Regelung der Leistung möglich. Eine mögliche Maßnahme besteht dann darin, für die Dauer der Datenübertragung keine Anpassungen der Leistung durchzuführen und keine Leistungsmessungen vorzunehmen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass so ausgeschlossen werden kann, dass während einer laufenden Kommunikation durch einen Regeleingriff eine unerwünschte Amplitudenmodulation erfolgt, die irrtümlich als Pegelwechsel interpretiert werden könnte.Typically, data is not sent continuously. On the other hand, the sensor 22 continuously supplied with energy. During data transmission, no reliable control of the power is possible. One possible measure is then to make no adjustments to the performance for the duration of the data transmission and to make no performance measurements. Another advantage of this method is that it can be ruled out that during an ongoing communication by a control intervention an undesirable amplitude modulation takes place, which could be erroneously interpreted as a level change.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Elektronische Schaltung Electronic switch
22
Transmitterseite transmitter side
33
Sensorseite sensor side
44
Klasse-E Verstärker Class E amplifier
55
DC-DC-Wandler DC-DC converter
66
Regler regulator
77
Lastmodulationsschaltung Load modulation circuit
2020
Messgerät gauge
2121
Transmitter transmitter
2222
Sensor sensor
2323
Schnittstelle interface
2424
Schnittstelle interface
2525
Kabel electric wire
ee
Regelabweichung deviation
ff
Frequenz für T1 Frequency for T1
uu
Stellgröße manipulated variable
ww
Führungsgröße command variable
yy
Regelgröße controlled variable
C1C1
Kondensator capacitor
C2C2
Kondensator capacitor
L1L1
Spule, entspricht 23 Coil, corresponds 23
L2L2
Spule, entspricht 24 Coil, corresponds 24
L3L3
Spule Kitchen sink
T1T1
Transistor transistor
PP
Leistungsmessung am Eingang von 5 Power measurement at the input of 5
VCCVCC
Versorgungsspannung supply voltage
VoutVout
Ausgangsspannung von 5 Output voltage of 5

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014101502 [0009] DE 102014101502 [0009]
  • DE 102012110310 [0042] DE 102012110310 [0042]

Claims (10)

Elektronische Schaltung (1) zur Verwendung in der Prozessautomatisierung, wobei die elektronische Schaltung (1) zum Übertragen von Energie zwischen einer ersten Seite mit einer ersten Schnittstelle (23), und einer zweiten Seite mit einer, zur ersten Schnittstelle (23) korrespondierenden, zweiten Schnittstelle (24), ausgestaltet ist, wobei die erste Schnittstelle (23) und die zweite Schnittstelle (24) zum Übertragen der Energie ausgestaltet sind, und wobei die erste Schnittstelle (23) und die zweite Schnittstelle (24) als induktive Schnittstellen (L1, L2) ausgestaltet sind, umfassend – die erste Schnittstelle (23), – einen Klasse-E Verstärker (4), wobei der Klasse-E Verstärker (4) die erste Schnittstelle (23) umfasst, – einen Gleichspannungswandler (5), wobei der Ausgang des Gleichspannungswandlers (5) mit dem Eingang des Klasse-E Verstärkers (4) verbunden ist, und – einen Regler (6) in einem Regelkreis, der auf konstante Leistung regelt, mit der Leistung (P), die der Klasse-E Verstärker an seinem Eingang aufnimmt, als Regelgröße (y), mit einer Sollleistung an der ersten Schnittstelle (23) als Führungsgröße (w), und mit der Spannung (Vout) am Ausgang des Gleichspannungswandlers (5) als Stellgröße (u).Electronic switch ( 1 ) for use in process automation, wherein the electronic circuit ( 1 ) for transferring energy between a first page having a first interface ( 23 ), and a second page with a, to the first interface ( 23 ), second interface ( 24 ), the first interface ( 23 ) and the second interface ( 24 ) are configured for transmitting the energy, and wherein the first interface ( 23 ) and the second interface ( 24 ) are designed as inductive interfaces (L1, L2), comprising - the first interface ( 23 ), - a class E amplifier ( 4 ), the class E amplifier ( 4 ) the first interface ( 23 ), - a DC-DC converter ( 5 ), wherein the output of the DC-DC converter ( 5 ) with the input of the Class E amplifier ( 4 ), and - a controller ( 6 ) in a control circuit that controls constant power, with the power (P) that the class-E amplifier receives at its input, as a controlled variable (y), with a nominal power at the first interface ( 23 ) as a reference variable (w), and with the voltage (Vout) at the output of the DC-DC converter ( 5 ) as manipulated variable (u). Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Schaltung (1) auch digitale Daten zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite überträgt und die erste Schnittstelle (23) und die zweite Schnittstelle (24) zum Übertragen der Daten ausgestaltet sind, wobei die elektronische Schaltung (1) die digitalen Daten mittels Amplitudenumtastung überträgt. Electronic switch ( 1 ) according to claim 1, wherein the electronic circuit ( 1 ) also transfers digital data between the first page and the second page and the first interface ( 23 ) and the second interface ( 24 ) are configured for transmitting the data, wherein the electronic circuit ( 1 ) transmits the digital data by means of amplitude shift keying. Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 2, wobei der Gleichspannungswandler (5) die digitalen Daten auf seinen Ausgang aufmoduliert.Electronic switch ( 1 ) according to claim 2, wherein the DC-DC converter ( 5 ) modulates the digital data to its output. Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 2, wobei der Klasse-E Verstärker (4) eine Lastmodulationsschaltung (7) umfasst, welche die digitalen Daten aufmoduliert.Electronic switch ( 1 ) according to claim 2, wherein the class E amplifier ( 4 ) a load modulation circuit ( 7 ) which modulates the digital data. Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sollleistung an der ersten Schnittstelle (23) als Führungsgröße (w) variabel ausgestaltet ist.Electronic switch ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 4, wherein the setpoint power at the first interface ( 23 ) is configured variably as a reference variable (w). Verwendung einer elektronischen Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Prozessautomatisierung.Use of an electronic circuit according to one of claims 1 to 5 in process automation. Messgerät (20) der Prozessautomatisierung, umfassend eine elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5.Measuring device ( 20 ) of process automation, comprising an electronic circuit ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 5. Messgerät (20) nach Anspruch 7, wobei das Messgerät (10) eine übergeordnete Einheit, insbesondere einen Transmitter (21), und einen Verbraucher, insbesondere einen Sensor (22), umfasst, wobei die übergeordnete Einheit mit dem Verbraucher über die erste Schnittstelle (23) und die zweite Schnittstelle (24) verbunden ist.Measuring device ( 20 ) according to claim 7, wherein the measuring device ( 10 ) a higher-level unit, in particular a transmitter ( 21 ), and a consumer, in particular a sensor ( 22 ), wherein the superordinate unit with the consumer via the first interface ( 23 ) and the second interface ( 24 ) connected is. Messgerät (20) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Führungsgröße (w) variabel ist und die Sollleistung an der ersten Schnittstelle (23) durch die übergeordnete Einheit (21) einstellbar ist.Measuring device ( 20 ) according to one of claims 7 or 8, wherein the reference variable (w) is variable and the desired power at the first interface ( 23 ) by the superordinate unit ( 21 ) is adjustable. Messgerät (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Führungsgröße (w) je nach Art des Verbrauchers, Umgebungstemperatur, Bauteiletoleranzen, und/oder der Größe eines Luftspalts zwischen der ersten Schnittstelle und der zweiten Schnittstelle einstellbar ist.Measuring device ( 20 ) according to one of claims 7 to 9, wherein the reference variable (w) is adjustable between the first interface and the second interface, depending on the type of consumer, ambient temperature, component tolerances, and / or the size of an air gap.
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