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Die Erfindung betrifft ein Anschlusselement, einen Sensor und eine Sensoranordnung für die Prozessautomatisierung.
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Üblicherweise wird an einen Transmitter, auch Messumformer genannt, 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. Am Ende des Kabels befindet sich ein Anschlusselement, welches die Steckverbindung umfasst.
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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. Man spricht von der Primärspule auf der Seite des Anschlusselements und von Sekundärspule auf Seite des Sensors. Sie bilden einen Transformator. 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.
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Die magnetische Kopplung der beiden Spulen bestimmt den Wirkungsgrad des Transformators und damit die Qualität der Signal- und Energieübertragung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kopplung zwischen Sensor und Anschlusselement zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Anschlusselement, umfassend: einen im Wesentlichen zylinderförmigen Kern; eine Primärspule zum Übertragen und Empfangen von Daten und/oder zum Übertragen von Energie von bzw. an eine Sekundärspule; wobei die Primärspule den Kern umgibt; und einen ersten Kupplungskörper mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt, wobei der zweite Abschnitt die Primärspule umfasst. Das Anschlusselement ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kern an einem Ende einen ersten magnetischen Körper umfasst, der in seinem Durchmesser größer als der Kern ist und sich in den ersten Abschnitt erstreckt.
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Durch diese Anordnung erhöhen sich die Kopplung sowie die Induktivität des Transformators, die Verluste sinken und damit steigt der Wirkungsgrad. Es steht somit am Ausgang der Sekundärseite mehr Leistung zur Verfügung, bei gleichbleibend eingespeister Leistung auf der Primärseite.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Primärspule weniger Wicklungen als die bekannte Induktivität aus dem Stand der Technik. Durch die geringeren Windungen im Vergleich zum Stand der Technik werden sowohl die Gleichstromverluste (RDC bzw. Kupferwiderstand) als auch die Wechselstromverluste (parasitäre Kapazität, Wirbelstromverluste) deutlich verringert und somit der Wirkungsgrad erhöht.
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Zusätzlich erhöhen diese Verbesserungen die Designfreiheit des Anschlusselements.
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In einer Ausgestaltung erstreckt sich der zweite Abschnitt stabförmig aus dem ersten Abschnitt und ist im Durchmesser kleiner als der erste Abschnitt.
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In einer Ausgestaltung entspricht der Durchmesser des ersten magnetischen Körpers im Wesentlichen dem Durchmesser des ersten Abschnitts. Dadurch kann die Kopplung erhöht werden und der Luftspalt zwischen Sekundär- und Primärspule wird reduziert.
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In einer Ausgestaltung ist im ersten Abschnitt eine Leiterplatte angeordnet, wobei die Primärspule mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist. Dadurch können die Signale der Spule einfach weitergeleitet werden. Zusätzlich erfolgt eine mechanische Anbindung der Primärspule an die Leiterplatte.
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In einer Ausgestaltung umfasst der Kern an dem vom ersten Körper abgewandten Ende des Kerns einen zweiten magnetischen Körper, der in seinem Durchmesser größer ist als der Kern. Dadurch kann die Kopplung erhöht werden. Der Kern entspricht somit im Wesentlichen einem hantelförmigen Kern. In einer Ausgestaltung ist der erste magnetische Körper größer als der zweite magnetische Körper. Beide magnetische Körper haben im Wesentlichen die Abmessungen der jeweiligen Gehäuseabschnitte, nämlich des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts.
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In einer Ausgestaltung sind der erste und/oder der zweite Körper scheibenartig ausgestaltet. Im Rahmen dieser Anmeldung ist als „scheibenartig“ tatsächlich eine Scheibe zu verstehen, aber auch Ausgestaltungen mit mehreren Ecken. Im Allgemeinen können die Körper auch größer gleich drei Ecken umfassen. In einer Ausgestaltung umfasst zumindest einer der beiden Körper sechs Ecken.
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In einer Ausgestaltung bestehen der Kern, der erste und/oder der zweite Körper aus einem Material mit einer Permeabilitätszahl von größer 1. Der Kern ist entweder aus einem einzigen Material. Alternativ besteht der Kern aus einem Verbundwerkstoff. Der Kern kann auch amorphe Materialien umfassen.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Sensor, umfassend: zumindest ein Sensorelement zum Erfassen einer Messgröße der Prozessautomatisierung; eine Sekundärspule zum Übertragen und Empfangen von Daten und zum Empfangen von Daten von bzw. an eine Primärspule; und einen zweiten Kupplungskörper, der komplementär zu einem ersten Kupplungskörper ausgestaltet ist, wobei der zweite Kupplungskörper die Sekundärspule umfasst. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule ein magnetischer Körper umgibt.
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Wie auch bei der Sensoranordnung sorgt der magnetische Körper für eine bessere Kopplung zu einer Gegenseite.
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Die Sekundärspule ist zylinderförmig um ein inneres Teil gewickelt. Der magnetische Körper umschließt die Spule nach außen.
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In einer Ausgestaltung ist der magnetische Körper topfartig ausgestaltet. Der magnetische Körper umschließt somit die Spule. Dadurch wird der magnetische Kreis geschlossen, die Kopplung erhöht und der Wirkungsgrad gesteigert. Dadurch können die Windungen zumindest bei ein der Spulen reduziert werden: Durch die geringeren Windungen werden sowohl die Gleichstromverluste (Gleichstromwiederstand bzw. Kupferwiderstand) als auch die Wechselstromverluste (parasitäre Kapazität, Wirbelstromverluste) deutlich verringert und somit der Wirkungsgrad erhöht.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Sensoranordnung umfassend ein oben beschriebenes Anschlusselement und einen oben beschriebenen Sensor.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
- 1a/b eine Sensoranordnung in einer symbolischen Übersicht und mit teilweisem Querschnitt,
- 2 einen Endabschnitt eines Anschlusselements als Schnittbild, und
- 3 eine Sensoranordnung mit Anschlusselement und Sensor im Querschnitt mit gezeigten magnetischen Körpern.
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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 1a und 1b 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 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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Die Schnittstellen 3, 13 sind als Spulen ausgestaltet, im Rahmen dieser Anmeldung werden diese als Primärspule 13 und Sekundärspule 3 bezeichnet. Im Rahmen dieser Anmeldung sollen die Begriffe „induktive Schnittstelle“ und „Spule“ gleich verwendet werden. Die Primärspule umschließt einen Kern 16.
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Sowohl der Sensor 1 als auch das Anschlusselement 11 umfassen zumindest eine Leiterplatte 5 bzw. 15, auf der elektrische Bauteile angeordnet sind, etwa die Datenverarbeitungseinheit µCS und µCA (siehe unten). Die Spulen 3, 13 sind jeweils mit den Leiterplatten 5, 15 elektrisch und gegebenenfalls auch mechanisch verbunden.
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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 einen Kupplungskörper 2, welche die Schnittstelle 3 umfasst. Wie erwähnt ist die Schnittstelle 3 zur Übertragung eines von der Messgröße abhängigen Werts an die 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 Spulen 3, 13 sind also zur bidirektionalen Kommunikation zwischen Sensor 1 und übergeordneter Einheit 20 ausgestaltet. Wie erwähnt gewährleisten neben der Kommunikation die Spulen 3, 13 auch die Energieversorgung des Sensors 1.
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Das Anschlusselement 11 umfasst die Schnittstelle 13, wobei diese Schnittstelle 13 komplementär zur anderen 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. Alternative Umtastungsmöglichkeiten umfassen Frequenzumtastung oder Phasenumtastung.
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Das Anschlusselement 11 umfasst einen zylindrischen Kupplungskörper 12, der komplementär zum Kupplungskörper 2 ausgestaltet ist und welcher mit einem hülsenförmigen Endabschnitt auf den ersten Kupplungskörper 2 aufsteckbar ist, wobei die Schnittstelle 13 in die Schnittstelle 3 gesteckt wird. Eine gegenteilige Anordnung, in der die Schnittstelle 13 hülsenartig und die Schnittstelle 3 steckerartig ausgestaltet ist, ist ohne erfinderisches Zutun möglich.
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2 zeigt einen Endabschnitt des Anschlusselements 12, und zwar den Teil, der dem Sensor 1 zugewandt ist. Das Anschlusselement 12 ist eingeteilt in einen ersten Abschnitt 12.1, der u.a. die Leiterplatte 15 umfasst, und einen zweiten Abschnitt 12.2, der die Primärspule 13 umfasst.
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An den Enden des Kerns 16 der Primärspule 13 werden magnetische Körper 17 und 18 mit einer Permeabilitätszahl > 1 derart angebracht, dass die magnetischen Feldlinien den Weg durch diese Materialien nehmen und damit die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule 13, 3 verbessert wird. Der Kern 16 und die Körper 17, 18 können aus einem Stück bestehen und der Kern 16 hat somit eine Hantelform. Der Kern 16 samt Körpern 17, 18 kann auch als Verbundwerkstoff ausgestaltet sein. Der Großteil des Kerns 16 befindet sich im zweiten Abschnitt 12.2.
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Der erste Körper 17 ist in seinem Durchmesser größer als der Kern 16 und erstreckt sich in den ersten Abschnitt 12.1. Der Durchmesser entspricht im Wesentlichen dem maximalen Durchmesser des Anschlusselements 12, also dem des ersten Abschnitts 12.1 um eine maximale Kopplung zu erzielen.
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Der erste magnetische Körper 17 ist in Richtung der Leitplatte 15 angeordnet. Ein zweiter magnetischer Körper 18 ist in Richtung Sensor 1 angeordnet. Beide Körper 17, 18 sind im Wesentlichen so groß wie die jeweiligen Gehäuseabschnitte 12.1, 12.2.
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Die Körper 17, 18 haben die Form von Scheiben. Die Scheiben können auch andere geometrische Außenkonturen aufweisen als rund. Als Beispiel soll hier ein regelmäßiges Sechseck genannt sein.
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Der Kern 16 umfasst am anderen Ende, also am vom ersten magnetischen Körper 17 abgewandten Ende, den zweiten magnetischen Körper 18, der in seinem Durchmesser ebenfalls größer ist als der Kern 16. Der zweite magnetische Körper 18 ist in seinem Durchmesser kleiner als der erste magnetische Körper 17.
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3 zeigt die Sensoranordnung 10 im Querschnitt. Dabei sind Sensor 1 und Anschlusselement 11 ineinander gesteckt. Man erkennt den Kern 16 des Anschlusselements 11 samt den magnetischen Körpern 17, 18 an den jeweiligen Enden des Kerns 16 wie oben beschrieben. Die Primärspule 13 ist um den Kern 16 gewickelt und in 3 rechts mit der Leiterplatte 15 elektrisch verbunden.
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Der Sensor 1 umfasst die Sekundärspule 3. Die Spule 3 ist um einen „Kern“ gewickelt, wobei dieser Kern nicht aus einem Material mit einer Permeabilitätszahl > 1 besteht, sondern nur der mechanischen Befestigung der Spule 3 dient. Dieser Kern ist etwa aus einem Kunststoff hergestellt. Um die Sekundärspule 3 herum umfasst der Sensor 1 einen magnetischen Körper 7. Der magnetische Körper 7 ist topfartig ausgestaltet. Dieser magnetische Körper ist aus einem Material mit einer Permeabilitätszahl > 1 um die Kopplung zwischen den Spulen 3 ,13 zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Kupplungskörper
- 3
- Sekundärspule
- 4
- Sensorelement
- 5
- Leiterplatte
- 7
- magnetischer Körper
- 10
- Sensoranordnung
- 11
- Anschlusselement
- 12
- Kupplungskörper
- 12.1
- Erster Abschnitt
- 12.2
- Zweiter Abschnitt
- 13
- Primärspule
- 14
- Modulator
- 15
- Leiterplatte
- 16
- Kern
- 17
- erster magnetischer Körper
- 18
- zweiter magnetischer Körper
- 20
- übergeordnete Einheit
- 31
- Kabel
- µCA
- intelligente Einheit in 11
- µCS
- intelligente Einheit in 1
