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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Energie an einen Sensor. Die Erfindung betrifft weiter eine entsprechende Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Eine „Sensoranordnung“ besteht aus einem Sensor mit einem daran induktiv angeschlossenen Kabel. Das Kabel wiederum ist mit einem Transmitter verbunden. Bekannt sind beispielsweise Produkte, welche die Anmelderin unter dem Namen „Memosens“ verkauft. Solche Sensoren verwenden eine induktive Energie- und Datenübertragung mittels zweier Spulen zwischen Sensor und dem Kabel.
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Bei solchen induktiven Energie- und Datenübertragungssystemen sind der Wirkungsgrad und Kommunikationsqualität in der Regel arbeitspunktabhängig und die Anordnung wird in einem Sollarbeitspunkt (mit entsprechender Sendespannung und Modulationsgrad) betrieben. Abhängig von den Toleranzen des Systems kommt es aber zu Abweichungen der Kommunikationsqualität und der Energieübertragung. Die Systeme sind in der Regel auf einen kontinuierlichen Betrieb um diesen Arbeitspunkt herum ausgelegt.
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Eine Erhöhung der Primärspannung (also der Spannung an der Primärspule) würde es ermöglichen, mehr Energie zu übertragen. Dies würde aber zu höheren Spannungspegeln auf der Sekundärseite führen. Dies führt aber zum Funktionsverlust oder zum Ausfall der Sekundärschaltung führen. In diesen Systemen ist ein fester Arbeitspunkt z. B. für eine sichere Kommunikation notwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mehr Energie an einen an ein Kabel angeschlossenen Sensor zu übertragen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren umfassend die Schritte: Übertragen von Energie von einer Primärseite an eine Sekundärseite, wobei der Sensor auf der Sekundärseite angeordnet ist, wobei die Primärseite und die Sekundärseite über eine Primärspule und einer Sekundärspule miteinander gekoppelt sind und eine Übertragung der Energie mittels der beiden Spulen erfolgt, wobei die Primärspule und Sekundärspule dazu ausgestaltet sind, dass darüber bidirektional Daten gesendet werden; Erfassen einer Messgröße mittels des Sensors; Übertragen eines von der Messgröße abhängigen Werts von der Sekundärseite an die Primärseite; Anfordern eines Energiepulses von der Sekundärseite an die Primärseite beim Auftreten eines Ereignisses, dass mehr Energie benötigt wird; Unterbrechen des Übertragens des von der Messgröße abhängigen Werts; Übertragen zumindest eines Energiepulses von der Primärseite an die Sekundärseite wobei der Energiepuls ereignisgesteuert übertragen wird, und Zurückkehren in den Normalmodus mit Erfassen der Messgröße und Übertragen des von der Messgröße abhängigen Werts an die Primärseite.
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In einer Ausgestaltung wird das Erfassens der Messgröße unterbrochen, insbesondere bevor das Unterbrechen des Übertragens des von der Messgröße abhängigen Werts erfolgt und nachdem das Anfordern des Energiepulses erfolgt.
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Die Erfindung ermöglicht die Erhöhung der Energieübertragung über die induktive Schnittstelle durch kurzzeitige Übertragung von Impulsen höherer Energie.
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Dadurch steht auf Sensorseite mehr Energie für die Umsetzung von Sensorfunktionen zur Verfügung. Der Sollarbeitspunkt wird dabei kurzfristig verlassen und eine Kommunikation findet währenddessen nicht statt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Verfahren den Schritt umfasst: Speichern der zusätzlichen Energie aus dem Energiepuls auf Sekundärseite
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Der Energiepuls wird ereignisgesteuert übertragen. Ein solches Ereignis kann beispielsweise sein: der Energiespeicher auf der Sekundärseite ist leer oder unterhalb eines Schwellwerts, der Sensor soll in einen besonderen Modus geschaltet werden, wie beispielsweise einen Modus zur Durchführung eines Software- oder Firmwareupdates, einen Reinigungsmodus oder wenn in einem bestimmten Messbereich präziser gemessen werden soll. Ein Ereignis ist es auch, wenn ein Ereignis ansteht, das viel Energie benötigen wird. Daher würde der Sensor kurz vor dem Starten dieses Ereignisses Zusatzenergie anfordern. Auch wenn der Energiespeicher noch nicht besonders leer ist, wird in diesem Falls der Speicher auf sein Maximum gefüllt.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens wie oben beschrieben, die Sensoranordnung, umfassend: eine Primärseite, umfassend eine Energieversorgungseinheit, eine Primärspule, die mit der Energieversorgungseinheit verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, Energie und einen Energiepuls an eine Sekundärspule zu übertragen, und Daten bidirektional zu senden bzw. zu empfangen, und eine erste Datenverarbeitungseinheit, die dazu ausgestaltet ist, die Übertragung der Energie zu steuern und gegebenenfalls zu regeln, und die dazu ausgestaltet ist, einen Energiepuls mittels der Energieversorgungseinheit zu generieren, zu steuern, gegebenenfalls zu regeln, und an die Sekundärspule zu übertragen; und eine Sekundärseite mit einem Sensor, der Sensor umfassend eine Sekundärspule, die dazu ausgestaltet ist, Energie und einen Energiepuls von der Primärspule zu empfangen, und Daten bidirektional zu senden bzw. zu empfangen, zumindest eine Spannungsbegrenzung zur Begrenzung der Eingangsspannung an der Sekundärspule, wobei die Spannungsbegrenzung mit der Sekundärspule verbunden ist, ein Sensorelement zur Erfassung zumindest einer Messgröße, und eine zweite Datenverarbeitungseinheit, die zumindest mit dem Sensorelement und der Sekundärspule verbunden ist, wobei die zweite Datenverarbeitungseinheit dazu ausgestaltet ist mit der Messgröße korrelierte Daten zu erzeugen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst: zumindest einen Energiespeicher auf Sekundärseite, der mit der Sekundärspule verbunden ist, der zumindest die Energie aus dem Energiepuls speichert.
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Durch die Spannungsbegrenzung auf Sekundärseite wird ein definierter maximaler Spannungspegel auf Sekundärseite nicht überschritten. Wird die Schaltung so ausgelegt, dass diese prinzipiell bis zu diesem Punkt betreibbar ist und nicht irreparabel ausfällt und ein Schaltungsteil integriert, welcher die erhöhten Spannungs-/Energiepegel speichern kann, so kann diese Zusatzenergie effektiv gespeichert und später genutzt werden.
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Die Steuerung, wann ein Zusatzenergieimpuls übertragen wird, wie lang dieser ist und welche weiteren Parameter er besitzt, erfolgt systemintern, etwa mittels der Datenverarbeitungseinheit(en). Das System nutzt diese Steuerungsparameter um interne Messungen, Berechnungen, die Kommunikationszeiträume, Auf- und Entladevorgänge und andere arbeitspunktabhängige Abläufe zu koordinieren. Die Steuerung erfolgt in einer Ausgestaltung durch die Primärseite (z. B. erste Datenverarbeitungseinheit oder ein angeschlossener Messumformer) und die Sekundärseite (also Sensor mit der zweiten Datenverarbeitungseinheit) folgt den Steuerungsparametern.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst: einen Energiespeicher auf Primärseite. Diese Ausgestaltung ist beispielsweise sinnvoll bei Zwei-Leiter-Geräten, die naturgemäß über nicht viel Energie verfügen können. Bei Zwei-Leiter-Geräten wird der Energiepuls übertragen in Zeiträumen, in denen regulär weniger Energie verbraucht wird, damit der Energiehaushalt des Zwei-Leiter-Geräts nicht über Gebühr belastet wird.
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Vier-Leiter-Geräte können grundsätzlich auch einen solche Energiespeicher auf Primärseite umfassen. Man kann aber prinzipiell davon ausgehen, dass vom Vier-Leiter-Gerät auf Primärseite eine Energiemenge zur Verfügung gestellt werden kann, die an das übertragbare Maximum heran reicht. Hier ist der begrenzende Faktor, welcher die Energiemenge reduziert der Umstand, dass für eine Kommunikation der Messwerte der „Normalbetrieb“ aktiviert werden muss.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst: ein Steuerelement, insbesondere einen Transistor, auf Primärseite zur Generierung des Energiepulses.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst: ein Steuerelement, insbesondere einen Transistor, auf Sekundärseite zum Durchleiten des Energiepulses zum Energiespeicher oder zu einem Verbraucher.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst: einen Regler, insbesondere einen Linearregler oder Schaltregler, der dem Energiespeicher auf Sekundärseite nachgeschaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Regler als Abwärtsregler ausgestaltet ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst: eine Abtrennungsschaltung, insbesondere zumindest eine Diode, die zwischen Energiespeicher und Sensorelement geschaltet ist.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt die beanspruchte Sensoranordnung.
- 2 zeigt die beanspruchte Sensoranordnung mit dem Sensor und dem Kabel mit weiteren Details.
- 3 zeigt ein Zeit-Spannungsdiagram für das beanspruchte Verfahren.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine beanspruchte Sensoranordnung einen Sensor 1 und eine entsprechende Gegenstelle 11. Die Sensoranordnung 10 ist in 1 in einer Übersicht dargestellt. Die Primärseite umfasst die Gegenstelle 11, die Sekundärseite umfasst den Sensor 1. Über eine Schnittstelle 3 kommuniziert der Sensor 1 mit der Gegenstelle 11 und der daran angeschlossenen 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 über die Gegenstelle 11 direkt mit einem Leitsystem. Am Transmitter 20 ist sensorseitig ein Kabel 31 angeschlossen, dessen anderes Ende eine zur Schnittstelle 3 komplementäre Schnittstelle 13 umfasst. Die Gegenstelle 11 umfasst das Kabel 31 samt Schnittstelle 13.
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Die Schnittstellen 3, 13 sind als galvanisch getrennte induktive Schnittstellen ausgestaltet, die mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander koppelbar sind. Die Schnittstellen 3, 13 bilden also die Primärspule und die Sekundärspule, wobei diese Begriffe im Sinne dieser Schrift komplementär verwendet werden. 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) gesendet und empfangen. Über die Primär- und Sekundärspule wird Energie unidirektional, d. h. von der Primärseite an die Sekundärseite, gesendet. Die Sensoranordnung 10 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet.
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Der Sensor 1 umfasst zumindest ein Sensorelement 4 (in 1 nur angedeutet und symbolisch dargestellt) 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 ersten Kupplungskörper 2, welche die erste Schnittstelle 3 umfasst. Im Sinne dieser Anmeldung ist diese Schnittstelle die Sekundärspule 3. Der erste Kupplungskörper 2 ist zylinderförmig und hat beispielsweise einen Außendurchmesser von 12 mm.
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Wie erwähnt ist die Sekundärspule 3 zur Übertragung eines von der Messgröße abhängigen Werts an die Primärspule 13 ausgestaltet. Der Sensor 1 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 6, 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 erfolgen. Der Sensor 1 umfasst einen Datenspeicher, wobei der Datenspeicher persistente Daten, insbesondere Kalibrierdaten, Seriennummer, Tag, Abgleichwerte und/oder ein Logbuch, des Sensors umfasst. Als „persistente Daten“ sollen hierbei Daten verstanden werden, die „nicht unkontrolliert veränderlich“ sind, also dass die Daten auch nach Beenden des Programms bzw. des Sensors 1 (gegebenenfalls auch bei unvorhergesehenem Beenden, z. B. bei Stromausfall) vorhanden (gespeichert) bleiben, und bei erneutem Aufruf des Programms wieder rekonstruiert und angezeigt werden können.
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Ebenso kann die Gegenstelle 11 eine Datenverarbeitungseinheit, etwa einen Mikrocontroller, umfassen.
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Der Sensor 1 ist über die Schnittstellen 3, 13 mit der Gegenstelle 11 und schließlich mit einer übergeordneten Einheit 20 verbindbar. Die übergeordnete Einheit 20 ist beispielsweise wie erwähnt ein Transmitter oder eine Leitstelle. Die Datenverarbeitungseinheit 6 wandelt den von der Messgröße abhängigen Wert in ein dem Transmitter oder der Leitstelle verständliches Protokoll. Beispiele hierfür sind etwa das proprietäre Memosens-Protokoll oder auch HART, WirelessHART, Modbus, PROFIBUS, Foundation Fieldbus, IO-Link, Ethernet, 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 der Gegenstelle 11 angeordnet ist. Unter den erwähnten Protokollen sind auch Drahtlosprotokolle, so dass eine entsprechende Kommunikationseinheit ein Drahtlosmodul umfasst. Die Schnittstellen 3, 13 sind also zur bidirektionalen Kommunikation zwischen Sensor 1 und übergeordneter Einheit 20 ausgestaltet. Wie erwähnt wird der Sensor 1 darüber mit Energie versorgt, siehe unten.
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Die Gegenstelle 11 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 16. Die Datenverarbeitungseinheit 16 kann als Repeater für das gesendete Signal dienen. Weiter kann die Datenverarbeitungseinheit 16 das Protokoll wandeln oder ändern.
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Die Gegenstelle 11 umfasst 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 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. Der zweite Kupplungskörper 12 ist zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgestaltet mit einem Innendurchmesser von 12 mm.
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2 zeigt den Sensor 1 und die Gegenstelle 11 mit den jeweiligen Bauteilen, wobei mit einem gestrichelten Pfeil die jeweiligen Seiten angedeutet sind.
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Wie erwähnt, wird der Sensor 1 über die Schnittstellen 3, 13 mit Energie versorgt. Dazu wird Energie von der Primärseite an die Sekundärseite mit dem Sensor 1 gesendet. Dies garantiert den Normalbetrieb N. Zusätzlich kann ein Energiepuls von der Primärseite an die Sekundärseite übertragen werden, wobei dann die zusätzliche Energie auf Sekundärseite zunächst gespeichert wird. Schließlich wird die gespeicherte Energie an den oder die Verbraucher geleitet, siehe unten.
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3 zeigt ein Zeit-Energie-Diagramm mit der Zeit t, der Energie E und dem Energiepuls P, der zusätzlich zum Normalbetrieb übertragen wird.
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Das Übertragen des Energiepulses erfolgt ereignisgesteuert, d. h. der Puls wird in einem azyklischen Modus angefordert. Das Timing und die Steuerung erfolgt über die Datenverarbeitungseinheiten 6, 16. Die zeitliche Abfolge der Einzelschritte (siehe unten) wird somit über die Datenverarbeitungseinheiten 6, 16 gesteuert.
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Im Allgemein kann der Puls P angefordert und gesendet werden, wenn der Energiespeicher 7 leer ist. Ebenso ist es möglich, dass der Energiespeicher 7 aufgeladen wird, kurz bevor die Energie benötigt wird. Je nach Art des Sensors kann dies messwertabhängig sein, z. B. wenn eine Reinigung ausgeführt wird, etc. Eine weitere Möglichkeit besteht, wenn eine Messung durchgeführt werden soll, die besonders viel Energie benötigt, weil sie entweder präziser als sonst sein muss (längere Messzeit) oder in einem Messbereich stattfindet, der sonst nicht regulär bedient wird (z.B. hohe Leitfähigkeiten bei Leitfähigkeitssensoren). Dies sind „Ereignisse“ im Sinne der Anmeldung.
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Die Primärseite umfasst dazu eine Energieversorgungseinheit 15 zur Versorgung des Sensors 1. Die Energieversorgungseinheit 15 kann beispielsweise der Transmitter 20 sein, der dann Teil der Sekundärseite ist. Die Energieversorgungseinheit 15 kann auch ein Netzteil sein, das entsprechend an einem Energienetz hängt.
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Die Primärspule 13 ist mit der Energieversorgungseinheit 15 verbunden.
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Die Datenverarbeitungseinheit 16 steuert und (gegebenenfalls) regelt die Übertragung der Energie für den Normalbetrieb. Weiter ist diese dazu ausgestaltet, den Energiepuls P mittels der Energiequelle 15 zu generieren, zu steuern, gegebenenfalls zu regeln, und an die Sekundärspule 3 mit dem Sensor 1 zu übertragen. Das System auf Primärseite wird also in einen Modus versetzt, in dem es eine höhere Spannung als im Normalmodus erzeugt.
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Je nach Art der Energiequelle 15 umfasst die Primärseite einen Energiespeicher 17, also z. B. einen oder mehrere Kondensatoren. Dies ist vor allem dann sinnvoll oder notwendig, wenn die Energiequelle 15 nicht genug Energie für den Puls P liefern kann und somit die für den Puls P benötigte Energie gepuffert werden kann.
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Die Primärseite umfasst ein Steuerelement 18, insbesondere einen Transistor, zur Generierung des Energiepulses im Zusammenspiel mit der Energiequelle 15, und gegebenenfalls dem Energiespeicher 17. Durch Schalten des Steuerelements 18 wird die Primärseite in den Modus der erhöhten Energieübertragung versetzt.
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Auf Primärseite sind neben der Primärspule 13 ein oder mehrere Kondensatoren angeordnet (nicht eingezeichnet; gegebenenfalls auch zusätzlich zum Energiespeicher 17). Spule und Kondensator(en) bilden einen Schwingkreis. Durch das Steuerelement 18 wird der Schwingkreis geändert, indem mittels des Steuerelements 18 ein oder mehrere weitere Bauteile, insbesondere ein oder mehrere weitere Kondensatoren, zugeschaltet werden.
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Die Sekundärseite wird dann in einen Modus versetzt, der den Empfang des Pulses P ermöglicht, d. h. das Durchleiten des Energiepulses zum Energiespeicher oder direkt zum Verbraucher, beispielweise auch durch ein Steuerelement 8. Das Steuerelement 8 auf Sekundärseite sorgt etwa dafür, dass die Last auf Sekundärseite verringert wird. Dadurch wird die Kommunikation für die Dauer des Pulses P zwar unterbrochen, eine erhöhte Energieübertragung aber ermöglicht.
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Es wird also regelmäßig Energie von der Primärseite an eine Sekundärseite übertragen und grundsätzlich werden bidirektional Daten gesendet. Der Sensor 1 erfasst Messdaten, also eine Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik. Diese Daten, bzw. von der Messgröße abhängige Werte, werden dann von der Sekundärseite an die Primärseite übertragen.
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Dann erfolgt ein Anfordern eines Energiepulses P von der Sekundärseite an die Primärseite beim Auftreten eines Ereignisses, nämlich, dass mehr Energie benötigt wird. In einer Ausgestaltung wird dann das Erfassen der Messgröße unterbrochen. Dann erfolgt das Übertragen des von der Messgröße abhängigen Werts. Weiter erfolgt das Übertragen zumindest eines Energiepulses P von der Primärseite an die Sekundärseite, wobei der Energiepuls P ereignisgesteuert übertragen wird.
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Schließlich wird in den Normalmodus zurückgekehrt, also das Erfassen der Messgröße und das Übertragen des von der Messgröße abhängigen Werts an die Primärseite startet erneut.
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Der Sekundärspule 3 nachgeschaltet ist zunächst zumindest eine Spannungsbegrenzung 5 zur Begrenzung der Eingangsspannung an der Sekundärspule 3.
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Die zusätzliche Energie aus dem Puls P kann je nach Art des Sensors direkt verwendet werden. Beispielsweise braucht ein Sensor, der mittels einem Ultraschallaktor nur gelegentlich gereinigt werden muss, für diese Aktion relativ viel Energie. Der Aktor wird dann im Zeitraum der Übertragung der höheren Energie direkt betrieben und die Energie muss nicht zwischengespeichert werden.
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Der Sensor 1 umfasst in einer Ausgestaltung zumindest einen Energiespeicher 7, der mit der Sekundärspule 3 - gegebenenfalls über die Spannungsbegrenzung 5 - verbunden ist, wobei dieser zumindest die Energie aus dem Energiepuls P speichert.
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Der Energiespeicher 7 umfasst einen oder mehrere Kondensatoren, etwa Chip-Mehrschichtkondensatoren. Dies kann auch durch einen oder durch mehrere parallel geschaltete Kondensatoren realisiert werden. Die Energie wird gespeichert, indem die Kondensatoren auf eine (zeitweise) erhöhte Eingangsspannung aufgeladen werden. Sinnvolle Energiemengen sind hier 10 bis 20 mJ. Die Kondensatoren werden dabei bis auf die maximal mögliche Eingangsspannung (siehe Spannungsbegrenzung 5, beispielsweise etwa 15-35 V, insbesondere 20 V) aufgeladen. Diese Energiemengen können noch in genügend geringer Zeit übertragen/aufgeladen werden. Eine typische Pulsdauer ist beispielsweise 50-250 ms, insbesondere 100 ms. In der restlichen Zeit (etwa ein Intervall von 100-750 ms, insbesondere 300 ms) kann die gespeicherte Energie verwendet werden und der Sensor 1 kann im Normalbetrieb N betrieben werden. Der Kondensator 7 ist nach einer Gleichrichtung im Anschluss an die Sekundärspule 3 bzw. die Begrenzung auf der Sekundärseite angeordnet. Bei der Gleichrichtung kann es sich um eine einfache Gleichrichtung oder um eine Brückengleichrichtung handeln.
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Der Speicherkondensator 7 ist durch eine Abtrennungsschaltung 9, beispielsweise eine Diode, von der restlichen Eingangsschaltung (insbesondere von der Datenverarbeitungseinheit 6 und dem Sensorelement 4) abgetrennt. Die Abtrennung dient dazu, damit der Kondensator 7 im Normalbetrieb N nicht als zusätzliche kapazitive Last wirkt. Wird der Kondensator 7 nicht unter Nenneingangsspannung entladen, so fließt kein Strom im Nennbetrieb auf den Kondensator.
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Der Entladevorgang geschieht schließlich über einen Regler 35, etwa einen Linearregler oder Schaltreger, insbesondere einen Abwärtsregler, etwa ein DC/DC-Wandler).
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Der Speicherkondensator 7, der Regler 35 und die restlichen Bauelemente der sonstigen Versorgungsschaltung müssen entsprechend für die erhöhte Eingangsspannung des Pulses P ausgelegt sein.
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Über Steuereingänge oder Feedbackeingänge am Regler 35 kann die Entladung/Leistungsabgabe entsprechend durch die Datenverarbeitungseinheit 6 gesteuert werden.
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Die Messung des Ladezustandes des Speicherkondensators 7 kann optional über den Analog/Digital-Wandler der Datenverarbeitungseinheit 6 erfolgen, gegebenenfalls mit vorgeschaltetem Spannungsteiler.
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Der Sensor 1 umfasst einen Verbraucher, der zumindest mit dem Energiespeicher 7 verbunden ist. Der „Verbraucher“ kann dabei beispielweise die Datenverarbeitungseinheit 6, das Sensorelement 4 oder eine Reinigungseinheit sein. Ist kein Speicher vorhanden, ist der Verbrauch mit der Primärspule 13 verbunden.
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Für das Funktionieren des Prinzips ist ein zeitliches Funktionsregime hilfreich:
- Der Zeitraum der Aufladung wird in der Sensoranordnung 10 eingetaktet. Zur Steuerung der Vorgänge werden die Mikrocontroller 6, 16 genutzt.
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Beginnt der Zeitraum der Energiespeicheraufladung, verringert die Sekundärschaltung ihre Eigenstromaufnahme so weit wie möglich. Dadurch kann potenziell eine hohe Eingangsspannung erreicht werden und die Verluste resultierend aus dem Eigeneingangsstrom bleiben gering. Die Primärseite erhöht die übertragene Spannung auf ein Maximum. Idealer Weise wird die Spannung auf der Primärseite so weit erhöht, dass gerade die spannungsbegrenzenden Maßnahmen auf Sekundärseite noch nicht ansprechen. Dadurch wird ein Maximum an Energiespeicherung erreicht und es treten aber noch keine nennenswerten Verluste über die begrenzenden Elemente auf. Dadurch, dass die Verluste stark steigen, wenn die Spannung über die Spannung der begrenzenden Maßnahmen erhöht wird, ist das System in einem gewissen Bereich selbst begrenzend. Während des Entladevorganges, also der Zeitraum, in dem die gespeicherte Energie auf Sekundärseite genutzt wird, befinden sich der Sensor und das Kabel wieder im Normalmodus. Dadurch wird während dieses Zeitraumes auch wieder Kommunikation möglich.
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Die auf den Kondensatoren 7 gespeicherte Energie kann über einen Regler 35 (Linear- oder Schaltregler) der Anwendung zur Verfügung gestellt werden. Dadurch lassen sich größere Eingangsströme bereitstellen und es kann somit eine höhere Leistung durch die Anwendung umgesetzt werden. Bedingung für die Anwendung ist nur, dass die Versorgungsschaltungsteile für die kurzzeitig erhöhte Spannung während des Ladevorganges ausgelegt sind. Als „Anwendung“ wird hierbei wie schon oben erwähnt ein Reinigungsgerät, etwa ein Ultraschallaktor, gesehen. Weitere Möglichkeiten sind beispielsweise ein Motor zur Bewegung einer weiteren Komponente, etwa ein Wischer zur Reinigung einer Oberfläche, beispielsweise eines optischen Fensters oder das Schalten des Sensors selbst in einen Zustand mit erhöhten Energieverbrauch. Dies ist also dann etwa der Fall, wenn die Messung präziser als sonst sein muss (längere Messzeit) oder in einem Messbereich stattfindet, der sonst nicht regulär bedient wird (z.B. hohe Leitfähigkeiten bei Leitfähigkeitssensoren).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Kupplungskörper
- 3
- Sekundärspule
- 4
- Sensorelement
- 5
- Spannungsbegrenzung
- 6
- Datenverarbeitungseinheit
- 7
- Energiespeicher
- 8
- Steuerelement
- 9
- Abtrennungsschaltung
- 10
- Sensoranordnung
- 11
- Gegenstelle
- 12
- Kupplungskörper
- 13
- Primärspule
- 15
- Energieversorgungseinheit
- 16
- Datenverarbeitungseinheit
- 17
- Energiespeicher
- 18
- Steuerelement
- 20
- übergeordnete Einheit
- 31
- Kabel
- 35
- Regler
- t
- Zeit
- E
- Energie
- N
- Normalbetrieb
- P
- Energiepuls
