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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung.
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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.
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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 Anschlussseite zu Sensorseite) übertragen. Die Energie muss dabei so groß sein, dass der angeschlossene Sensor ausreichend mit Energie versorgt wird und somit ein dauerhafter Messbetrieb gewährleistet ist.
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Bei den genannten Sensoren wird die die Versorgungsspannung bzw. der Versorgungsstrom eingestellt mittels eines geeigneten Vorwiderstandes R1, der zwischen einem Glättungskondensator C2 und eine Spannungsreferenz, etwa einer Diode D3, geschaltet. Siehe dazu auch 1. Hierbei kann die Spannung, die an der Schnittstelle anliegt durch diese ohmsche Belastung aber nur verringert werden.
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Im Allgemeinen hat eine Spule eine parasitäre Kapazität, die im Ersatzschaltbild der Spule parallel geschaltet ist. Die parasitäre Kapazität entsteht aus den voneinander beabstandeten einzelnen Spulenwicklungen. Da zwar bei modernen Fabrikationsmethoden der Mittelwert bzw. die Streuung der parasitären Kapazität konstant bzw. niedrig ist, so kann auch eine geringe Streuung schon den Arbeitspunkt so verschieben, dass eine ausreichende Energieversorgung nicht gewährleistet ist oder die Kommunikation beeinträchtigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Übertragungsstrecke von einer Sensorseite zu einer Anschlussseite robuster und variabler gegenüber Bauteilschwankungen zu machen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine wie oben beschriebene elektronische Schaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste und/oder zweite Schnittstelle eine dazu parallel geschaltete Kapazität umfasst.
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Dadurch, dass eine Kapazität parallel geschaltet ist, lässt sich die über die Schnittstellen übertragene Spannung auf der Sensorseite entsprechend beeinflussen. Je größer die zusätzliche Kapazität ist, desto größer ist der Betrag der Spannung. Der Kapazität stellt somit die Spannung und damit den Arbeitspunkt der Schaltung ein.
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Dies kann zumindest durch zwei verschiedene Ausgestaltungen erfolgen. Zum einen ist die parallel geschaltete Kapazität unmittelbar parallel zur ersten und/oder zweiten Schnittstelle geschaltet. In diesem Zusammenhang bedeutet „unmittelbar“, dass zwischen der ersten und/oder zweiten Schnittstelle und der parallel geschalteten Kapazität keine weiteren Bauteile angeschlossen sind. Die parallel geschaltete Kapazität „umschließt“ sozusagen die erste und/oder zweite Schnittstelle. In einer Ausgestaltung ist die parallel geschaltete Kapazität dabei das einzige Bauteil in dieser Parallelschaltung. Zum anderen ist zwischen parallel geschalteter Kapazität und erster induktiver Schnittstelle eine weitere Kapazität geschaltet. Dadurch kann der Wert der übertragenen Spannung weiter geändert bzw. angepasst werden.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Anschlussseite einen Klasse-E Verstärker.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Sensorseite zumindest eine Gleichrichterdiode, welche nur für eine Polarität durchlässig ist.
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In einer Ausgestaltung ist der Gleichrichterdiode ein Vorwiderstand nachgeschaltet.
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In einer Ausgestaltung ist die erste und/oder zweite induktive Schnittstelle als Mehrkammerspulen ausgestaltet. Bestimmend für die Höhe der übertragenen Spannung ist neben der beanspruchten parallelen Kapazität auch die Eigenkapazität der Spule, die sogenannte parasitäre Kapazität der Spule. Deswegen ist es sinnvoll, auf eine wenig streuende und möglichst niedrige parasitäre Kapazität zu achten. Dann lässt sich die Spannung genauer und in einem größeren Bereich einstellen. Mehrkammerspulen sind für eine solche Anwendung prädestiniert.
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In einer Ausgestaltung ist der Wert der parallel geschalteten Kapazität variabel, und kann im Betrieb der elektronischen Schaltung geändert werden.
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In einer Ausgestaltung ist die parallel geschaltete Kapazität als Basiskapazität ausgestaltet, und die Schaltung umfasst zumindest einen Schalter, der eine oder mehrere weitere parallel geschaltete Kapazitäten zuschaltet.
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Durch die oben genannten beiden Ausgestaltungen kann die übertragenen Spannung variabel und gegebenenfalls auch im laufenden Betrieb geändert werden. In einer Ausgestaltung kann dadurch die Schaltung in einen anderen Betriebsmodus versetzt werden. Für bestimmte Betriebsmodi, etwa die Kalibrierung, Wartung, Firmwareupdate o.ä. kann kurzfristig mehr Spannung benötigt werden, so dass durch Zuschalten einer weiteren Kapazität dies erreicht wird.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung eines Arbeitspunktes einer elektronischen Schaltung wie oben beschrieben, wobei der Wert der parallel geschalteten Kapazität den Arbeitspunkt der Schaltung einstellt.
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In einer Ausgestaltung ist der Wert aller parallel geschalteten Kapazitäten zumindest zwischen zwei Werten umschaltbar, damit der Arbeitspunkt zwischen zumindest zwei Werten umschaltbar ist, und dadurch die Schaltung in zumindest zwei verschiedene Betriebsmodi versetzt wird.
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Die nachfolgenden Figuren erläutern das gesagte genauer. Es zeigen
- 1 eine Sensoranordnung in einer Übersicht,
- 2 die beanspruchte elektronische Schaltung,
- 3 die beanspruchte elektronische Schaltung in einer Ausgestaltung, und
- 4 die beanspruchte elektronische Schaltung in einer weiteren Ausgestaltung.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine Sensoranordnung 10 umfasst einen Sensor 1 und ein Anschlusselement 11, worauf zunächst eingegangen werden soll. Die Sensoranordnung 10 ist in 1 dargestellt. Über eine Schnittstelle 3 kommuniziert ein Sensor 1 mit einer übergeordneten Einheit 20. Im Beispiel ist ein Transmitter angeschlossen. Der Transmitter wiederum ist mit einem Leitsystem (nicht dargestellt) verbunden. In einer Ausgestaltung kommuniziert der Sensor 1 direkt über das Anschlusselement 11 mit einem Leitsystem. Am Transmitter 20 ist sensorseitig ein Kabel 31 angeschlossen, dessen anderes Ende eine zur ersten Schnittstelle 3 komplementäre Schnittstelle 13 umfasst. Ein Anschlusselement 11 umfasst das Kabel 31 samt Schnittstelle 13. Die Schnittstellen 3, 13 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.
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Über die Schnittstellen 3, 13 werden Daten (bidirektional) und Energie (unidirektional, d.h. vom Anschlusselement 11 zum Sensor 1) gesendet bzw. übertragen. Die Sensoranordnung 10 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet.
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Der Sensor 1 umfasst daher zumindest ein Sensorelement 4 zum Erfassen einer Messgröße der Prozessautomatisierung. Bei dem Sensor 1 handelt es sich dann etwa um einen pH-Sensor, auch als ISFET, im Allgemeinen einen ionenselektiven Sensor, einen Sensor zur Messung des Redoxpotentials, von der Absorption von elektromagnetischen Wellen im Medium, beispielsweise mit Wellenlängen im UV-, IR-, und/oder sichtbaren Bereich, des Sauerstoffs, der Leitfähigkeit, der Trübung, der Konzentration von nicht-metallischen Werkstoffen oder der Temperatur mit der jeweils entsprechenden Messgröße.
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Der Sensor 1 umfasst weiter einen ersten Kupplungskörper 2, welche die erste Schnittstelle 3 umfasst. Wie erwähnt ist die erste Schnittstelle 3 zur Übertragung eines von der Messgröße abhängigen Werts an eine zweite Schnittstelle 13 ausgestaltet. Der Sensor 1 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit µCS, etwa einen Mikrocontroller, welcher die Werte der Messgröße verarbeitet, etwa in ein anderes Datenformat wandelt. So kann etwa eine Mittelung, Vorverarbeitung und Digitalwandlung durch die Datenverarbeitungseinheit µCS erfolgen.
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Der Sensor 1 ist über die Schnittstellen 3, 13 mit dem Anschlusselement 11 und schließlich mit einer übergeordneten Einheit 20 verbindbar. Die übergeordnete Einheit 20 ist beispielsweise wie erwähnt ein Transmitter oder eine Leitstelle. Die Datenverarbeitungseinheit µCS wandelt den von der Messgröße abhängigen Wert (also das Messsignal des Sensorelements 4) in ein dem Transmitter oder der Leitstelle verständliches Protokoll. Beispiele hierfür sind etwa das proprietäre Memosens-Protokoll oder auch HART, wirelessHART, Modbus, Profibus Fieldbus, WLAN, ZigBee, Bluetooth oder RFID. Diese Übersetzung kann statt in der Datenverarbeitungseinheit auch in einer separaten Kommunikationseinheit erfolgen, wobei die Kommunikationseinheit auf der Seite des Sensors 1 oder des Anschlusselements 11 angeordnet ist. Unter den erwähnten Protokollen sind auch Drahtlosprotokolle, so dass eine entsprechende Kommunikationseinheit ein Drahtlosmodul umfasst. Die erste und zweite Schnittstelle 3, 13 sind also zur bidirektionalen Kommunikation zwischen Sensor 1 und übergeordneter Einheit 20 ausgestaltet. Wie erwähnt gewährleisten neben der Kommunikation die erste und zweite Schnittstelle 3, 13 auch die Energieversorgung des Sensors 1.
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Das Anschlusselement 11 umfasst die zweite Schnittstelle 13, wobei die zweite Schnittstelle 13 komplementär zur ersten Schnittstelle 3 ausgestaltet ist. Das Anschlusselement 11 umfasst ebenfalls eine Datenverarbeitungseinheit µCA. Die Datenverarbeitungseinheit µCA kann als Repeater für das gesendete Signal dienen. Weiter kann die Datenverarbeitungseinheit µCA das Protokoll wandeln oder ändern. Beispielsweise können Daten in einem proprietären Protokoll vom Sensor 1 an das Anschlusselement 11 übertragen werden, während die Datenverarbeitungseinheit µCA auf Seiten des Anschlusselements 11 diese proprietäre Protokoll in ein Busprotokoll (siehe oben) wandelt. Das Anschlusselement 11 umfasst einen Modulator 14, der die Daten auf seinen Ausgang aufmoduliert. Der Modulator 14 kann beispielsweise als Lastmodulator ausgestaltet sein. Alternativ kann die Datenverarbeitungseinheit µCA auch die Daten aufmodulieren. Die Daten werden mittels Amplitudenumtastung übertragen.
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Das Anschlusselement 11 umfasst weiter einen zweiten, zylindrischen Kupplungskörper 12, der komplementär zum ersten Kupplungskörper 2 ausgestaltet ist und welcher mit einem hülsenförmigen Endabschnitt auf den ersten Kupplungskörper 2 aufsteckbar ist, wobei die zweite Schnittstelle 13 in die erste Schnittstelle 3 gesteckt wird. Eine gegenteilige Anordnung, in der die zweite Schnittstelle 13 hülsenartig und die erste Schnittstelle 3 steckerartig ausgestaltet ist, ist ohne erfinderisches Zutun möglich.
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2 zeigt einen Teil der elektronischen Schaltung 40 genauer. Die elektronische Schaltung 40 umfasst auf Sensorseite 1 die erste induktive Schnittstelle 3 und auf Anschlussseite 11 die zweite induktive Schnittstelle 13.
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Im Rahmen dieser Anmeldung sollen die Begriffe „induktive Schnittstelle“ und „Spule“ gleich verwendet werden, wobei die erste induktive Schnittstelle 3 der Primärspule L1 und die zweite induktive Schnittstelle 13 der Sekundärspule L2 entspricht.
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In 2 umfasst das Sensorelement 4 gegebenenfalls nötige weiter elektronische Bauteile, die nicht näher beschrieben werden.
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Die Anschlussseite 11 umfasst eine Gleichrichterdiode D2, welche nur eine Polarität der Spannung an der Sekundärspule L2 durchlässt. Der Gleichrichterdiode D2 ein Vorwiderstand R1 nachgeschaltet.
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Der zweiten Schnittstelle 13 parallel geschaltet ist eine Kapazität C13. Wird der Sekundärspule L2 eine Kapazität C13 parallelgeschalten, kann die negative Rohspannung (nach der Diode D2) verändert werden. Je größer die Kapazität C13, desto größer der Betrag der negativen Rohspannung. Diese Beschaltung etwa kann einmalig bei der Schaltungsdimensionierung erfolgen.
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Denkbar ist aber mittels geeigneten Schaltern auch ein Verändern der Spannungshöhe im laufenden Betrieb. Wird eine im Betrag höhere Spannung benötigt, wird etwa mittels eines Schalters S eine Kapazität zugeschaltet. Soll die Spannung z.B. zwecks geringerer Leistungsaufnahme gesenkt werden, wird die Kapazität von der Sekundärspule getrennt. Der Wert der insgesamt parallel zuschaltbaren Kapazität ist somit variabel und kann je nach Anforderung geändert werden. So kann etwa die Schaltung bzw. der Sensor in einen anderen Betriebsmodus geschaltet werden, etwa für ein Firmwareupdate, zur Kalibrierung etc.
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In einer Variante ist möglich, dass die Schaltung eine Basiskapazität C13 umfasst, und dass zudem weitere Kapazitäten C14 mittels eines Schalters S zuschaltbar sind.
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3 und 4 zeigen weitere Ausgestaltungen der elektronischen Schaltung 40. In 3 ist auf Anschlussseite der Primärspule L1 eine Kapazität C3 parallel geschaltet. In 4 ist ebenfalls eine Kapazität C4 parallel zur Primärspule L1, allerdings noch mittels einer weiteren Kapazität C1 verbunden.
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Die Kapazität C1 sowie die Bauteile Transformator T1 und Spule L1 bilden den Klasse E Verstärker, also den Modulator 14.
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Die beiden Spulen L1 und L2 der Schnittstellen können als Mehrkammerspulen ausgestaltet sein. Eine Mehrkammerspule ist eine Spule, die aus mehreren Einzelspulen besteht, die in einzelnen Kammern untergebracht sind.
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Bevorzugt sind die Spulen L1 und L2 wenig streuend ausgestaltet und haben eine geringe Eigenkapazität. Eine Ausgestaltung dessen ist die bereits erwähnte Mehrkammerspule.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Erster Kupplungskörper
- 3
- Erste Schnittstelle
- 4
- Sensorelement
- 10
- Sensoranordnung
- 11
- Anschlusselement
- 12
- Zweiter Kupplungskörper
- 13
- Zweite Schnittstelle
- 14
- Modulator
- 20
- übergeordnete Einheit
- 31
- Kabel
- 40
- Elektronische Schaltung
- C
- Kapazität
- R
- Widerstand
- D
- Diode
- L
- Spule
- S
- Schalter
- T
- Transformator
- µCA
- intelligente Einheit in 11
- µCS
- intelligente Einheit in 1
