DE102015105087A1 - Electronic circuit for transmitting energy and measuring device comprising such - Google Patents
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- H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive loop type
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- H04B5/24—
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- H04B5/79—
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
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
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
Über die Schnittstellen
Die erfindungsgemäße Schaltung mit dem Bezugszeichen
Die erfindungsgemäße Schaltung in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen
Die elektronische Schaltung
Der Transmitter
Der Klasse-E Verstärker
Zur Datenübertragung werden Daten aufmoduliert. Dies erfolgt durch zuschaltbares Lastmodulationsschaltung
Alternativ kann eine Verstärkung mittels DC-DC-Wandler
Durch die Nutzung eines DC-DC-Wandlers
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
Die Führungsgröße w Leistung ist variabel verstellbar, etwa durch den Transmitter
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
Wie erwähnt sind die beiden Seiten
Die Führungsgröße w kann auch je nach Betriebsmodus des Sensors
Typischerweise werden Daten nicht kontinuierlich gesendet. Hingegen wird der Sensor
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, corresponds23 - L2L2
-
Spule, entspricht
24 Coil, corresponds24 - L3L3
- Spule Kitchen sink
- T1T1
- Transistor transistor
- PP
-
Leistungsmessung am Eingang von
5 Power measurement at the input of5 - VCCVCC
- Versorgungsspannung supply voltage
- VoutVout
-
Ausgangsspannung von
5 Output voltage of5
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102012110310 [0042] DE 102012110310 [0042]
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