WO2003003391A1 - E-i- oder e-e-übertrager - Google Patents

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WO2003003391A1
WO2003003391A1 PCT/EP2002/006738 EP0206738W WO03003391A1 WO 2003003391 A1 WO2003003391 A1 WO 2003003391A1 EP 0206738 W EP0206738 W EP 0206738W WO 03003391 A1 WO03003391 A1 WO 03003391A1
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coil
core
leg
wound around
web
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PCT/EP2002/006738
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Jiri Karbula
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Endress + Hauser Flowtec Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H01F2038/143—Inductive couplings for signals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/04—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 having two or more secondary windings, each supplying a separate load, e.g. for radio set power supplies

Definitions

  • the invention relates to E-I transmitters or E-E transmitters.
  • the magnetic circuit of an EI transmitter usually has a ferromagnetic E core, which has two outer legs and a middle leg, and a ferromagnetic yoke in the form of a straight rod, which is arranged such that it is double-closed together with the E core Magnetic circuit forms.
  • the magnetic circuit of an EE transmitter usually has a first ferromagnetic E-core, which has two outer legs and a middle leg, and a second ferromagnetic E-core, which is identical to the first E-core and also has two outer legs and a middle leg, and is arranged in such a way is that it forms a double closed magnetic circuit together with the first E-core.
  • the respective two outer legs then form two outer webs and the two middle legs form a central web.
  • the magnetic circuits mentioned usually become transformers for electrical energy in that at least two coils interact with the magnetic circuit, of which either one on an outer leg or outer web or one each on an outer leg or outer web and the middle leg or middle web, or both an outer leg or outer web or both are arranged on the middle leg or middle web.
  • Such transformers serve the primary-secondary circuit separation of e.g. AC voltage signals or DC voltage converters etc. Until now, a separate transformer was provided for each of these applications.
  • a first variant of the invention consists in an E-I transformer
  • ferromagnetic E core which has a first and a second outer leg and a middle leg, with a ferromagnetic yoke in the form of a straight rod, which is arranged such that it forms a double-closed magnetic circuit together with the E core,
  • a second variant of the invention consists in an E-E transformer
  • first ferromagnetic E core which has a first and a second outer leg and a first middle leg
  • the first coil is arranged next to the second coil.
  • the third coil is arranged next to the fourth coil.
  • the first and the second coil are a primary or a secondary coil of a first alternating energy transmission path and the third and the fourth coil are a primary or a secondary coil of a second alternating energy transmission path.
  • the frequency of the first alternating energy is substantially lower than the frequency of the second alternating energy, the first and the second coil preferably being a primary or a secondary coil of a direct voltage converter, and the third and fourth coils of the electrically isolated forwarding of digital signals.
  • a transmitter according to one of the above-mentioned configurations is used in a physical-electrical sensor with on-board evaluation electronics.
  • a transmitter is used in a physical-electrical sensor with on-board evaluation electronics, an external two-wire field bus being connected to the third coil and the fourth coil being connected to a digital circuit the on-board evaluation electronics cooperate.
  • An advantage of the invention is that one and the same transmitter can be used for two different functions, which saves material and space. The latter is of particular importance if the transmitter has only a small space for electronic components at the place of use; this is often the case with industrial measuring devices, since their housing shape is usually standardized.
  • FIG. 1 shows schematically and in perspective a first embodiment of an E-I transmitter with two coils arranged next to one another on the middle leg and two coils arranged next to one another on an outer leg,
  • Fig. 2 shows schematically and in perspective a second embodiment of an EI transmitter with two coils arranged one above the other on the Middle leg and two coils arranged on top of each other on one outer leg,
  • FIG. 3 shows schematically and in perspective a first exemplary embodiment of an E-E transformer with two coils arranged next to one another on the central web and two coils arranged next to one another on an outer web, and
  • FIG. 4 shows schematically and in perspective a second exemplary embodiment of an E-E transmitter with two coils arranged one above the other on the central web and two coils arranged one above the other on an outer web, and
  • FIG. 1 a first embodiment of an E-I transmitter is shown schematically and in perspective.
  • An E-I transformer 10 has a ferromagnetic E core E and a ferromagnetic yoke I in the form of a straight rod.
  • the E core E has a first outer leg E1 and a second outer leg E2 and a middle leg EM.
  • E-core E and yoke I are arranged in such a way that two closed magnetic circuits result.
  • the first magnetic circuit comprises the outer leg E1, the part of the yoke I connecting it to the middle leg EM, the middle leg EM and the part of the E core E connecting this to the outer leg E1.
  • the second magnetic circuit comprises the outer leg E2, which this with Part of the yoke I connecting the middle leg EM, the middle leg EM and the part of the E core E connecting it to the outer leg E2.
  • the EI transmitter 10 has a first coil 1 wound around the middle leg EM, a second coil 2 wound around the middle leg EM, a third coil 3 wound around the outer leg E1 and a fourth coil 4 wound around the outer leg E1.
  • the coil 1 has connections 11, 12, the coil 2 connections 21, 22, the coil 3 connections 31, 32 and the coil 4 connections 41, In Fig. 1, the coils 1, 2 are arranged on the central leg EM next to each other, preferably closely adjacent to each other.
  • An EI transmitter 10 ' has a ferromagnetic E core E 1 and a ferromagnetic yoke I' in the form of a straight rod.
  • the E core E ' has a first outer leg E1' and a second outer leg E2 1 and a middle leg EM '.
  • E core E 'and yoke I' are arranged in such a way that two closed magnetic circuits result.
  • the first magnetic circuit comprises the outer leg E1 ', the part of the yoke I' connecting it to the middle leg EM ', the middle leg EM' and the part of the E core E 'connecting it to the outer leg E1'.
  • the second magnetic circuit comprises the outer leg E2 1 , the part of the yoke I 'connecting it to the middle leg EM', the middle leg EM 'and the part of the E core E' connecting it to the outer leg E2 '.
  • the EI transmitter 10 ' has a first coil wound around the middle leg EM', a second coil 2 'wound around the middle leg EM' and onto the first coil, a third coil wound around the outer leg E1 'and one around the first outer leg E1 'and fourth coil 4' wound on the third coil. Since the first and third coils are each covered, they cannot be seen in FIG. 2.
  • the first coil has connections 11 ', 12', the coil 2 'connections 21', 22 ', the third coil connections 31', 32 'and the coil 4' connections 41 ', 42'.
  • An E-E transformer 20 has a first ferromagnetic E-core E1 and a second ferromagnetic E-core E2.
  • the E core E1 has a first outer leg ES11 and a second outer leg ES12 and a middle leg EM.
  • the E core E2 has a first outer leg ES21 and a second outer leg ES22 and a middle leg EM2.
  • the two E cores E1, E2 are arranged in such a way that two closed magnetic circuits result.
  • the first magnetic circuit comprises the outer leg ES11, the outer leg ES21, the part of the E core E2 which connects this to the middle leg EM2, the middle leg EM2, the middle leg EM1 and the this part of the E core E1 connecting to the outer leg ES11.
  • the second magnetic circuit comprises the outer leg ES21, the outer leg ES22, the part of the E core E2 connecting it to the middle leg EM2, the middle leg EM2, the middle leg EM1 and the part of the E core E1 connecting this to the outer leg ES21.
  • the outer legs ES11, ES12 form a first outer web ST1
  • the outer legs ES21, ES22 form a second outer web ST2
  • the middle legs EM1, EM2 form a middle web STM.
  • the E-E transformer 20 has a first coil 6 wound around the central web STM, a second coil 7 wound around the central leg STM, a third coil 8 wound around the external web ST1 and a fourth coil 9 wound around the external web ST1.
  • the coil 6 has connections 61, 62, the coil 7 connections 71, 72, the coil 8 connections 81, 82 and the coil 9 connections 91, 92.
  • the coils 8, 9 are next to one another on the outer web ST1, preferably closely adjacent, arranged.
  • the coils 6, 7, on the other hand, are arranged on the center leg STM with a selectable mutual distance next to each other; however, like the coils 8, 9, they can also be arranged closely adjacent to one another.
  • An EE transformer 20 ' has a first ferromagnetic E core E1' and a second ferromagnetic E core E2 '.
  • the E core E1 ' has a first outer leg ES11' and a second outer leg ES12 1 and a middle leg EM1 '.
  • the E core E2 ' has a first outer leg ES21' and a second outer leg ES22 'and a middle leg EM2'.
  • the two E cores E1 ', E2' are arranged in such a way that two closed magnetic circuits result.
  • the first magnetic circuit comprises the outer leg ES11 ', the outer leg ES21', the part of the e-core E2 1 connecting it to the middle leg EM2 ', the middle leg EM2', the middle leg EM1 'and the part of the leg connecting it to the outer leg ES11' E core E1 '.
  • the second magnetic circuit comprises the outer leg ES21 ', the outer leg ES22', the part of the e-core E2 ⁇ which connects this to the middle leg EM2 ', the middle leg EM2 ⁇ the middle leg EM1' and the latter with the outer leg ES21 ' connecting part of the E core E1 1 .
  • the outer legs ES11 ', ES12' form a first outer web ST1 1
  • the outer legs ES21 ', ES22' form a second outer web ST2 'and the middle legs EM1', EM2 'form a middle web STM'
  • the EE transformer 20 ' has a first coil wound around the central web STM', a second coil 7 'wound thereon, a third coil wound around the outer web ST1' and a fourth coil 9 'wound thereon.
  • the first coil has connections 61 ', 62', the coil 7 'connections 71', 72 ', the third coil connections 81', 82 'and the coil 9' connections 91 ', 92'.
  • the coils on the outer web ST1 ' are arranged approximately in the middle thereof, while the coils on the central web STM' are arranged on the middle leg EM1 '; however, any other position on the outer or middle web is also possible.
  • the E core E, E 1 , the yoke I, I 'and the two E cores E1, E2, E1', E2 ' can be, for example, a package of ferromagnetic individual sheets or corresponding ferrite components
  • the respective coils are also represented as air coils, ie as coils without a coil former, because of their clarity.
  • two individual coils to be arranged on one leg or web, as in FIG. 1 or 3, while two coils wound on one another, as in FIG. 2 or 4, are arranged on the associated leg or web.
  • FIGS. 1 to 4 schematically shows in the form of a block diagram a preferred application of a transmitter according to FIGS. 1 to 4, namely the respective first coil and the respective second coil are a primary coil and a secondary coil of a first alternating energy transmission path W1 and respective third coil and the respective fourth coil a primary or a secondary coil of a second alternating energy transmission path W2.
  • the frequency of the first alternating energy is preferably substantially lower than the frequency of the second alternating energy.
  • the respective first coil and the respective second coil serve as primary or secondary coil of a DC / DC converter and the third and fourth coils are used the electrically isolated forwarding of digital signals, as described in EP-A 977 406, which corresponds to US patent application 09 / 354,689 dated July 16, 1999. .
  • a primary circuit 51 of the DC-DC converter is on the one hand connected to a first DC voltage U1 to be converted and on a circuit zero SN and on the other hand to the coil 1 of FIG. 1; the corresponding first coil from FIGS. 2 to 4 is of course also possible. Since this option also applies to the other coils, this is only indicated in the following by giving the corresponding reference number after an indent.
  • a secondary circuit 52 of the DC-DC converter is on the one hand on the coil 2 - 2 ', 7, 7' and on the other hand outputs a converted second DC voltage U2, which can be greater than, equal to or less than the DC voltage U1. Since the special design of DC-DC converters has long been part of the prior art and can be quite diverse, the DC-DC converter is only shown as consisting of the subcircuits 51, 52 and the coils 1, 2 etc.
  • DC-DC converters usually oscillate at frequencies from 20 kHz to 100 kHz.
  • the third coil 3 - 3 ', 8 is on the primary side and the fourth coil 4 - 4', 9, 9 'is on the secondary side in a subcircuit TS for galvanic digital signal separation in accordance with the aforementioned EP-A 977406.
  • a digital signal D1 is the terminal 31 - 31 ', 81, 81' of the coil 3 - 3 ', 8 fed.
  • a delay element 53 which here consists of the series connection of four inverters.
  • connection 41 - 41 ', 91, 91' of the coil 4 - 4 ', 9, 9' is connected to an input of an inverter 54, while the connection 42 - 42 ', 92, 92' of the coil 4 - 4 ' , 9, 9 'is the output of the secondary side of the subcircuit TS, at which a digital signal D2 which is practically identical to the digital signal D1 but is galvanically separated occurs.
  • An output of the inverter 54 is connected to a connection of a capacitor K, of which another connection is connected via a resistor R to the circuit zero SN.
  • connection point of capacitor K and resistor R is at an input of an inverter 55, from which an output is connected to the connection 42 - 42 ', 92, 92' of the coil 4 - 4 ', 9, 9'.
  • the two inverters 54, 55 together with capacitor K and resistor R form one monostable multivibrator. Reference is made to further details of EP-A 977406 mentioned.
  • the invention can be used with particular advantage in the case of physical-electrical measuring transducers customary today, such as for those for pressure, level, temperature, flow - i.e. the volume flowing per unit of time through a given cross-sectional area or the mass of a fluid flowing per unit of time through a given cross-sectional area - or pH value etc.
  • sensors usually have an on- board evaluation electronics; this processes a signal coming from a physical-electrical converter in such a way that it complies with a standard, e.g.
  • On-board means that the evaluation electronics are spatially close to the physical-electrical converter, that is, in its housing.
  • an external two-wire fieldbus for example HART, FIELDBUS, PROFIBUS etc., is connected to the third coil and the fourth coil interacts with a digital circuit of the on-board evaluation electronics or the other way around.

Abstract

Mit einem derartigen Übertrager sollen voneinander unabhängige Signale gleichzeitig übertragen werden können, wobei sich die Signale gegenseitig möglichst nicht stören sollen. Der E-I-Übertrager (10, 10') hat einen E-Kern (E, E'), der zwei Außenschenkel (ES1, ES2) und einen Mittelschenkel (EM) aufweist, und ein Joch (I), das zusammen mit dem E-Kern einen zweifach geschlossenen Magnetkreis bildet. Um den Mittelschenkel (EM) sind die Spule (1) und die Spule (2, 2') und um den Außenschenkel (ES1) die Spule (3) und die Spule (4, 4') gewickelt. Der E-E-Übertrager (20, 20') hat den E-Kern (E1, E1') und den damit identischen E-Kern (E2, E2'); jeder E-Kern weist zwei Außenschenkel (ES11, ES21, ES11', ES21'; ES12, ES22, ES12', ES22') und einen Mittelschenkel (EM1, EM1'; EM2, EM2') auf; die E-Kerne bilden zusammen einen zweifach geschlossenen Magnetkreis und zwei Außenstege (ST1, ST1'; ST2, ST2') sowie einen Mittelsteg (EM2, EM2'). Um den Mittelsteg sind die Spule (6) und die Spule (7, 7') und um den Außensteg (ST1, ST1') die Spule (8) und die Spule (9, 9') gewickelt. Die Spulen eines Schenkels bzw. Steges können neben einander oder über einander gewickelt sein. Die Spulen des Mittelschenkels bzw. -steges und die des Außenschenkels bzw. -steges gehören zu unterschiedlichen Wechselenergie-Übertragungstrecken.

Description

E-I- oder E-E-Übertrager
Die Erfindung betrifft E-I-Übertrager bzw. E-E-Übertrager. Der Magnetkreis eines E-I-Übertragers weist üblicherweise einen ferromagnetischen E-Kern, der zwei Außenschenkel und einen Mittelschenkel hat, sowie ein ferromagnetisches Joch in der Form eines geraden Stabes auf, das derart angeordnet ist, dass es zusammen mit dem E-Kern einen zweifach geschlossenen Magnetkreis bildet. Der Magnetkreis eines E-E-Übertragers weist üblicherweise einen ersten ferromagnetischen E-Kern, der zwei Außenschenkel und einen Mittelschenkel hat, und einen mit dem ersten E-Kern identischen zweiten ferromagnetischen E-Kern auf, der ebenfalls zwei Außenschenkel und einen Mittelschenkel hat sowie derart angeordnet ist, dass er zusammen mit dem ersten E-Kern einen zweifach geschlossenen Magnetkreis bildet. Die jeweiligen beiden Außenschenkel bilden dann zwei Außenstege und die beiden Mittelschenkel einen Mittelsteg. Die genannten Magnetkreise werden üblicherweise dadurch zu Übertragern für elektrische Energie, dass mindestens zwei Spulen mit dem Magnetkreis zusammenwirken, von denen entweder je eine auf einem Außenschenkel bzw. Außensteg oder je eine auf einem Außenschenkel bzw. Außensteg und dem Mittelschenkel bzw. Mittelsteg oder beide auf einem Außenschenkel bzw. Außensteg oder beide auf dem Mittelschenkel bzw. Mittelsteg angeordnet sind.
Derartige Übertrager dienen der Primär-Sekundärkreis-Trennung von z.B. Wechselspannungssignalen oder Gleichspannungswandlern etc. Bisher wurde für jeden einzelnen dieser Anwendungsfälle ein eigener Übertrager vorgesehen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, E-I-Übertrager bzw. E-E-Übertrager so auszugestalten, dass voneinander unabhängige Signale gleichzeitig übertragen werden können, wobei sich die Signale gegenseitig möglichst nicht stören sollen.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht eine erste Variante der Erfindung in einem E-I- Übertrager
- mit einem ferromagnetischen E-Kern, der einen ersten und einen zweiten Außenschenkel und einen Mittelschenkel aufweist, - mit einem ferromagnetischen Joch in der Form eines geraden Stabes, das derart angeordnet ist, dass es zusammen mit dem E-Kern einen zweifach geschlossenen Magnetkreis bildet,
- mit einer um den Mittelschenkel gewickelten ersten Spule,
- mit einer um den Mittelschenkel gewickelten zweiten Spule,
- mit einer um den ersten Außenschenkel gewickelten dritten Spule und
- mit einer um den ersten Außenschenkel gewickelten vierten Spule.
Zur Lösung der genannten Aufgabe besteht eine zweite Variante der Erfindung in einem E-E-Übertrager
- mit einem ersten ferromagnetischen E-Kern, der einen ersten und einen zweiten Außenschenkel und einen ersten Mittelschenkel aufweist,
- mit einem mit dem ersten E-Kern identischen zweiten ferromagnetischen E-Kern, der einen dritten und einen vierten Außenschenkel und einen zweiten Mittelschenkel aufweist sowie derart angeordnet ist,
- dass er zusammen mit dem ersten E-Kern einen zweifach geschlossenen Magnetkreis bildet,
- der einen ersten Außensteg, einen zweiten Außensteg und einen Mittelsteg aufweist,
- mit einer um den Mittelsteg gewickelten ersten Spule,
- mit einer um den Mittelsteg gewickelten zweiten Spule,
- mit einer um den ersten Außensteg gewickelten dritten Spule und- mit einer um den ersten Außensteg gewickelten vierten Spule.
Nach einer ersten Ausgestaltung jeder der beiden Varianten der Erfindung ist die erste Spule neben der zweiten Spule angeordnet.
Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, die auch bei der ersten Ausgestaltung angewendet werden kann, ist die dritte Spule neben der vierten Spule angeordnet.
Nach einer dritten Ausgestaltung der Erfindung, die auch bei der ersten oder der zweiten Ausgestaltung angewendet werden kann, sind die erste und die zweite Spule eine Primär- bzw. eine Sekundärspule einer ersten Wechselenergie- Übertragungsstrecke sowie die dritte und die vierte Spule eine Primär- bzw. eine Sekundärspule einer zweiten Wechselenergie-Übertragungsstrecke. In weiterer Ausgestaltung der dritten Ausgestaltung der Erfindung ist die Frequenz der ersten Wechselenergie wesentlich kleiner als die Frequenz der zweiten Wechselenergie, wobei bevorzugt die erste und die zweite Spule eine Primärbzw, eine Sekundärspule eines Gleichspannungswandlers sind sowie die dritte und die vierte Spule der galvanisch getrennten Weiterleitung von Digitalsignalen dienen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Übertrager nach einer der genannten Ausgestaltungen in einem physikalisch-elektrischen Mess-Aufnehmer mit einer On-Board-Auswerte-Elektronik verwendet.
Nach einer anderen weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Übertrager in einem physikalisch-elektrischen Mess-Aufnehmer mit einer On-Board-Auswerte- Elektronik verwendet, wobei mit der dritten Spule ein externer Zwei-Draht-Feldbus verbunden ist und die vierte Spule mit einer Digitalschaltung der On-Board- Auswerte-Elektronik zusammenwirkt.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass für zwei unterschiedliche Funktionen ein und derselbe Übertrager verwendet werden kann, was material- und platzsparend ist. Das Letztere ist von besonderer Bedeutung, wenn am Einsatzort der Übertrager nur wenig Raum für elektronische Komponenten vorhanden ist; dies ist bei industriellen Messgeräten häufig der Fall, da deren Gehäuseform meist standardisiert ist.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen Ausführungsbeispiele von Übertragern dargestellt sind, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch und perspektivisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines E-I-Übertragers mit zwei neben einander angeordneten Spulen auf dem Mittelschenkel und zwei neben einander angeordneten Spulen auf einem Außenschenkel,
Fig. 2 zeigt schematisch und perspektivisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines E-I-Übertragers mit zwei übereinander angeordneten Spulen auf dem Mittelschenkel und zwei übereinander angeordneten Spulen auf einem Außenschenkel,
Fig. 3 zeigt schematisch und perspektivisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines E-E-Übertragers mit zwei neben einander angeordneten Spulen auf dem Mittelsteg und zwei neben einander angeordneten Spulen auf einem Außensteg, und
Fig. 4 zeigt schematisch und perspektivisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines E-E-Übertragers mit zwei übereinander angeordneten Spulen auf dem Mittelsteg und zwei übereinander angeordneten Spulen auf einem Außensteg, und
Fig. 5 zeigt schematisch in Form eines Blockschaltbilds eine bevorzugte Anwendung eines Übertragers nach den Fig. 1 bis 4.
In Fig. 1 ist schematisch und perspektivisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines E-I-Übertragers dargestellt. Ein E-I-Übertrager 10 weist einen ferromagnetischen E-Kern E und ein ferromagnetisches Joch I in der Form eines geraden Stabes auf. Der E-Kern E hat einen ersten Außenschenkel E1 und einen zweiten Außenschenkel E2 sowie einen Mittelschenkel EM. E-Kern E und Joch I sind derart angeordnet, dass sich zwei geschlossene Magnetkreise ergeben.
Der erste Magnetkreis umfasst den Außenschenkel E1, den diesen mit dem Mittelschenkel EM verbindenden Teil des Joches I, den Mittelschenkel EM und den diesen mit dem Außenschenkel E1 verbindenden Teil des E-Kernes E. Der zweite Magnetkreis umfasst den Außenschenkel E2, den diesen mit dem Mittelschenkel EM verbindenden Teil des Joches I, den Mittelschenkel EM und den diesen mit dem Außenschenkel E2 verbindenden Teil des E-Kernes E.
Der E-I-Übertrager 10 weist eine um den Mittelschenkel EM gewickelte erste Spule 1 , eine um den Mittelschenkel EM gewickelte zweite Spule 2, eine um den Außenschenkel E1 gewickelte dritte Spule 3 und eine um den Außenschenkel E1 gewickelte vierte Spule 4 auf. Die Spule 1 hat Anschlüsse 11, 12, die Spule 2 Anschlüsse 21 , 22, die Spule 3 Anschlüsse 31 , 32 und die Spule 4 Anschlüsse 41 , In Fig. 1 sind die Spulen 1 , 2 auf dem Mittelschenkel EM neben einander, bevorzugt eng benachbart zueinander, angeordnet.
In Fig. 2 ist schematisch und perspektivisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines E-I-Übertragers dargestellt. Ein E-I-Übertrager 10' weist einen ferromagnetischen E-Kern E1 und ein ferromagnetisches Joch I' in der Form eines geraden Stabes auf. Der E-Kern E' hat einen ersten Außenschenkel E1' und einen zweiten Außenschenkel E21 sowie einen Mittelschenkel EM'. E-Kern E' und Joch I' sind derart angeordnet, dass sich zwei geschlossene Magnetkreise ergeben. Der erste Magnetkreis umfasst den Außenschenkel E1', den diesen mit dem Mittelschenkel EM' verbindenden Teil des Joches I', den Mittelschenkel EM' und den diesen mit dem Außenschenkel E1' verbindenden Teil des E-Kernes E'. Der zweite Magnetkreis umfasst den Außenschenkel E21, den diesen mit dem Mitteischenkel EM' verbindenden Teil des Joches I', den Mittelschenkel EM' und den diesen mit dem Außenschenkel E2' verbindenden Teil des E-Kernes E'.
Der E-I-Übertrager 10' weist eine um den Mittelschenkel EM' gewickelte erste Spule, eine um den Mittelschenkel EM' und auf die erste Spule gewickelte zweite Spule 2', eine um den Außenschenkel E1' gewickelte dritte Spule und eine um den ersten Außenschenkel E1' und auf die dritte Spule gewickelte vierte Spule 4' auf. Da die erste und die dritte Spule jeweils verdeckt sind, sind sie in Fig. 2 nicht zu sehen. Die erste Spule hat Anschlüsse 11', 12', die Spule 2' Anschlüsse 21', 22', die dritte Spule Anschlüsse 31', 32' und die Spule 4' Anschlüsse 41', 42'.
In Fig. 3 ist schematisch und perspektivisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines E-E-Übertragers dargestellt. Ein E-E-Übertrager 20 weist einen ersten ferromagnetischen E-Kern E1 und einen zweiten ferromagnetischen E-Kern E2 auf. Der E-Kern E1 hat einen ersten Außenschenkel ES11 und einen zweiten Außenschenkel ES12 sowie einen Mittelschenkel EM Der E-Kern E2 hat einen ersten Außenschenkel ES21 und einen zweiten Außenschenkel ES22 sowie einen Mittelschenkel EM2.
Die beiden E-Kerne E1 , E2 sind derart angeordnet, dass sich zwei geschlossene Magnetkreise ergeben. Der erste Magnetkreis umfasst den Außenschenkel ES11, den Außenschenkel ES21 , den diesen mit dem Mittelschenkel EM2 verbindenden Teil des E-Kernes E2, den Mittelschenkel EM2, den Mittelschenkel EM1 und den diesen mit dem Außenschenkel ES11 verbindenden Teil des E-Kernes E1. Der zweite Magnetkreis umfasst den Außenschenkel ES21 , den Außenschenkel ES22, den diesen mit dem Mittelschenkel EM2 verbindenden Teil des E-Kernes E2, den Mittelschenkel EM2, den Mittelschenkel EM1 und den diesen mit dem Außenschenkel ES21 verbindenden Teil des E-Kernes E1.
In zusammengesetztem Zustand bilden die Außenschenkel ES11 , ES12 einen ersten Außensteg ST1 , die Außenschenkel ES21 , ES22 einen zweiten Außensteg ST2 und die Mittelschenkel EM1 , EM2 einen Mittelsteg STM.
Der E-E-Übertrager 20 weist eine um den Mittelsteg STM gewickelte erste Spule 6, eine um den Mittelschenkel STM gewickelte zweite Spule 7, eine um den Außensteg ST1 gewickelte dritte Spule 8 und eine um den Außensteg ST1 gewickelte vierte Spule 9 auf. Die Spule 6 hat Anschlüsse 61, 62, die Spule 7 Anschlüsse 71 , 72, die Spule 8 Anschlüsse 81, 82 und die Spule 9 Anschlüsse 91 , 92. In Fig. 3 sind die Spulen 8, 9 auf dem Außensteg ST1 neben einander, bevorzugt eng benachbart, angeordnet. Die Spulen 6, 7 sind dagegen auf dem Mittelschenkel STM mit einem wählbaren gegenseitigen Abstand neben einander angeordnet; sie können jedoch auch wie die Spulen 8, 9 eng benachbart zueinander angeordnet werden.
In Fig. 4 ist schematisch und perspektivisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines E-E-Übertragers dargestellt. Ein E-E-Übertrager 20' weist einen ersten ferromagnetischen E-Kern E1' und einen zweiten ferromagnetischen E-Kern E2' auf. Der E-Kern E1' hat einen ersten Außenschenkel ES11' und einen zweiten Außenschenkel ES121 sowie einen Mittelschenkel EM1'. Der E-Kern E2' hat einen ersten Außenschenkel ES21' und einen zweiten Außenschenkel ES22' sowie einen Mittelschenkel EM2'. Die beiden E-Kerne E1', E2' sind derart angeordnet, dass sich zwei geschlossene Magnetkreise ergeben. Der erste Magnetkreis umfasst den Außenschenkel ES11', den Außenschenkel ES21', den diesen mit dem Mittelschenkel EM2' verbindenden Teil des E-Kernes E21, den Mittelschenkel EM2', den Mittelschenkel EM1' und den diesen mit dem Außenschenkel ES11' verbindenden Teil des E-Kernes E1'. Der zweite Magnetkreis umfasst den Außenschenkel ES21', den Außenschenkel ES22', den diesen mit dem Mittelschenkel EM2' verbindenden Teil des E-Kernes E2\ den Mittelschenkel EM2\ den Mittelschenkel EM1' und den diesen mit dem Außenschenkel ES21' verbindenden Teil des E-Kernes E11. In zusammengesetztem Zustand bilden die Außenschenkel ES11', ES12' einen ersten Außensteg ST11, die Außenschenkel ES21', ES22' einen zweiten Außensteg ST2' und die Mittelschenkel EM1', EM2' einen Mittelsteg STM'. Der E-E-Übertrager 20' weist eine um den Mittelsteg STM' gewickelte erste Spule, eine auf diese gewickelte zweite Spule 7', eine um den Außensteg ST1' gewickelte dritte Spule und eine auf diese gewickelte vierte Spule 9' auf. Die erste Spule hat Anschlüsse 61', 62', die Spule 7' Anschlüsse 71', 72', die dritte Spule Anschlüsse 81', 82' und die Spule 9' Anschlüsse 91', 92'.
In Fig. 4 sind die Spulen auf dem Außensteg ST1' etwa in dessen Mitte, die Spulen auf dem Mittelsteg STM' dagegen auf dem Mittelschenkel EM1' angeordnet; es ist jedoch auch jede beliebige andere Lage auf dem Außen- bzw. dem Mittelsteg möglich.
Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 können der E-Kern E, E1, das Joch I, I' sowie die beiden E-Kerne E1 , E2, E1', E2' z.B. ein Paket aus ferromagnetischen Einzelblechen oder entsprechende Ferritkomponenten sein. In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 sind ferner wegen deren Übersichtlichkeit die jeweiligen Spulen als Luftspulen, d.h. als Spulen ohne Spulenkörper dargestellt. Es ist selbstverständlich auch möglich, einzelne oder alle Spulen auf entsprechende Spulenkörper zu wickeln und diese dann auf den Schenkeln bzw. Stegen zu plazieren. Es ist auch möglich, dass auf dem einen Schenkel bzw. Steg zwei einzelne Spulen wie in Fig. 1 oder 3 angeordnet werden, während auf dem zugehörigen Schenkel bzw. Steg zwei aufeinander gewickelte Spulen wie in Fig. 2 oder 4 angeordnet werden.
In Fig. 5 ist schematisch in Form eines Blockschaltbilds eine bevorzugte Anwendung eines Übertragers nach den Fig. 1 bis 4 dargestellt, und zwar sind die jeweilige erste Spule und die jeweilige zweite Spule eine Primärspule bzw. eine Sekundärspule einer ersten Wechselenergie-Übertragungsstrecke W1 sowie die jeweilige dritte Spule und die jeweilige vierte Spule eine Primär- bzw. eine Sekundärspule einer zweiten Wechselenergie-Übertragungsstrecke W2. Dabei ist bevorzugt die Frequenz der ersten Wechselenergie wesentlich kleiner als die Frequenz der zweiten Wechselenergie. Unter dieser Voraussetzung sind die jeweilige erste Spule und die jeweilige zweite Spule Primär- bzw. Sekundärspule eines Gleichspannungswandlers DCW und die dritte und die vierte Spule dienen der galvanisch getrennten Weiterleitung von Digitalsignalen, wie dies in der EP-A 977 406, die der US-Patent-Anmeldung 09/354,689 vom 16. Juli 1999 entspricht, beschrieben ist. ,
Ein Primärkreis 51 des Gleichspannungswandlers DCW liegt einerseits an einer zu wandelnden ersten Gleichspannung U1 und an einem Schaltungsnullpunkt SN sowie andererseits an der Spule 1 von Fig. 1 ; die entsprechende erste Spule von Fig. 2 bis 4 zu wählen, ist selbstverständlich auch möglich. Da diese Wahlmöglichkeit auch für die anderen Spulen gilt, ist dies im Folgenden nur noch durch die Angabe des entsprechenden Bezugszeichens hinter einem Gedankenstrich angedeutet. Ein Sekundärkreis 52 des Gleichspannungswandlers DCW liegt einerseits an der Spule 2 - 2', 7, 7' und gibt andererseits eine gewandelte zweite Gleichspannung U2 ab, die größer, gleich oder kleiner als die Gleichspannung U1 sein kann. Da der spezielle Aufbau von Gleichspannungswandlern schon lange zum Stand der Technik gehört und recht vielfältig sein kann, ist der Gleichspannungswandler DCW nur als aus den Teilschaltungen 51 , 52 und den Spulen 1 , 2 etc. bestehend dargestellt.
Üblicherweise schwingen Gleichspannungswandler bei Frequenzen von 20 kHz bis 100 kHz. Die dritte Spule 3 - 3', 8 liegt primärseitig und die vierte Spule 4 - 4', 9, 9' liegt sekundärseitig in einer Teilschaltung TS zur galvanischen Digitalsignal- Trennung entsprechend der genannten EP-A 977406. Ein Digitalsignal D1 ist dem Anschluss 31 - 31', 81 , 81' der Spule 3 - 3', 8 zugeführt. Am Anschluss 32 - 32', 82, 82' der Spule 3 - 3', 8, liegt ein Ausgang eines Verzögerungsglieds 53, das hier aus der Serienschaltung von vier Invertern besteht. Der Anschluss 41 - 41', 91 , 91' der Spule 4 - 4', 9, 9' ist mit einem Eingang eines Inverters 54 verbunden, während der Der Anschluss 42 - 42', 92, 92' der Spule 4 - 4', 9, 9' der Ausgang der Sekundärseite der Teilschaltung TS ist, an dem ein mit dem Digitalsignal D1 praktisch identisches, jedoch galvanisch getrenntes Digitalsignal D2 auftritt. Ein Ausgang des Inverters 54 ist mit einem Anschluss eines Kondensators K verbunden, von dem ein anderer Anschluss über einen Widerstand R am Schaltungsnullpunkt SN liegt. Der Verbindungspunkt von Kondensator K und Widerstand R liegt an einem Eingang eines Inverters 55, von dem ein Ausgang mit dem Anschluss 42 - 42', 92, 92' der Spule 4 - 4', 9, 9' verbunden ist. Die beiden Inverter 54, 55 bilden zusammen mit Kondensator K und Widerstand R einen monostabilen Multivibrator. Auf weitere Einzelheiten der genannten EP-A 977406 wird verwiesen.
Da Digitalsignale bekanntlich Rechteck-Signale sind, deren Pulsfrequenz wesentlich größer als die Frequenz von Gleichspannungswandlern ist, lässt sich die erwähnte Frequenzbedingung leicht einhalten. Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft bei heute üblichen physikalisch-elektrischen Mess- Aufnehmern anwenden, wie z.B. bei solchen für Druck, Füllstand, Temperatur, Durchfluss - also das pro Zeiteinheit durch eine gegebene Querschnittsfläche fließende Volumen oder die pro Zeiteinheit durch eine gegebene Querschnittsfläche fließende Masse eines Fluids -, oder pH-Wert etc. Derartige Mess-Aufnehmer haben meist eine On-Board-Auswerte-Elektronik; diese bereitet ein von einem physikalisch-elektrischen Wandler stammendes Signal derart auf, dass es einem Standard, z.B. dem seit langem üblichen Stromstandard von 4 mA bis 20 mA oder einem Frequenzstandard, entspricht. On-Board bedeutet, dass die Auswerte-Elektronik räumlich nahe beim physikalisch-elektrischen Wandler, also in dessen Gehäuse, angeordnet ist. Bei derartigen Mess-Aufnehmern ist es besonders vorteilhaft, wenn mit der dritten Spule ein externer Zwei-Draht-Feldbus, z.B HART, FIELDBUS, PROFIBUS etc., verbunden ist und die vierte Spule mit einer Digitalschaltung der On-Board-Auswerte-Elektronik zusammenwirkt oder umgekehrt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. E-I-Übertrager (10, 10') - mit einem ferromagnetischen E-Kern (E, E'), der einen ersten und einen zweiten Außenschenkel (ES1 , ES2) und einen Mittelschenkei (EM) aufweist,
- mit einem ferromagnetischen Joch (I) in der Form eines geraden Stabes, das derart angeordnet ist, dass es zusammen mit dem E-Kern einen zweifach geschlossenen Magnetkreis bildet,
- mit einer um den Mittelschenkel (EM) gewickelten ersten Spule (1) ,
- mit einer um den Mittelschenkel (EM) gewickelten zweiten Spule (2, 2'),
- mit einer um den ersten Außenschenkel (ES1) gewickelten dritten Spule (3) und
- mit einer um den ersten Außenschenkel (ES1) gewickelten vierten Spule (4, 4').
2. E-E-Übertrager (20, 20')
- mit einem ersten ferromagnetischen E-Kern (E1 , E1'), der einen ersten und einen zweiten Außenschenkel (ES11 , ES21 , ES11', ES21') und einen ersten Mittelschenkel (EM1 , EM1') aufweist,
- mit einem mit dem ersten E-Kern identischen zweiten ferromagnetischen E-Kern (E2, E2'), der einen dritten und einen vierten Außenschenkel (ES12, ES22, ES12', ES22') und einen zweiten Mittelschenkel (EM2, EM2') aufweist sowie derart angeordnet ist,
- dass er zusammen mit dem ersten E-Kern einen zweifach geschlossenen Magnetkreis bildet,
- der einen ersten Außensteg (ST1 , ST1'), einen zweiten Außensteg (ST2, ST2') und einen Mittelsteg (EM2, EM2') aufweist,
- mit einer um den Mittelsteg gewickelten ersten Spule (6),
- mit einer um den Mittelsteg gewickelten zweiten Spule (7, 7'),
- mit einer um den ersten Außensteg gewickelten dritten Spule (8) und
- mit einer um den ersten Außensteg gewickelten vierten Spule (9, 9').
3. Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Spule (1 , 6) neben der zweiten Spule (2; 7) angeordnet ist.
4. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die dritte Spule (3, 8) neben der vierten Spule (4, 9) angeordnet ist.
5. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste und die zweite Spule (1 ,1', 2, 2'; 6,6', 7, 7') eine Primär- bzw. eine Sekundärspule einer ersten Wechselenergie-Übertragungsstrecke (W1) sowie die dritte und die vierte Spule (3, 4, 4'; 8, 9, 9') eine Primär- bzw. eine Sekundärspule einer zweiten Wechselenergie-Übertragungsstrecke (W2) sind.
6. Übertrager nach Anspruch 5, bei dem die Frequenz der ersten Wechselenergie wesentlich kleiner als die Frequenz der zweiten Wechselenergie ist.
7. Übertrager nach Anspruch 6, bei dem die erste und die zweite Spule (1 , 2, 2') eine Primär- bzw. eine Sekundärspule eines Gleichspannungswandlers (DCW) sind sowie die dritte und die vierte Spule (3, 4, 4') der galvanisch getrennten Weiterleitung von Digitalsignalen (D1 , D2) dienen.
8. Verwendung eines Übertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem physikalisch-elektrischen Mess-Aufnehmer mit einer On-Board-Auswerte- Elektronik.
9. Verwendung eines Übertragers nach Anspruch 7 in einem physikalischelektrischen Mess-Aufnehmer mit einer On-Board-Auswerte-Elektronik, wobei mit der dritten Spule (3, 3'; 8, 8') ein externer Zwei-Draht-Feldbus verbunden ist und die vierte Spule (4, 4'; 9, 9') mit einer Digitalschaltung der On-Board-Auswerte- Elektronik zusammenwirkt.
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