WO2015104108A1 - Vorrichtung und verfahren zum versorgen eines sensors mit energie - Google Patents

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storage capacitor
sensor
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power supply
switching
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Martin Glänzer
Klaus Pointner
Richard Roskosch
Hannes Schuster
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/001—Energy harvesting or scavenging

Definitions

  • the present invention relates to a device for ver ⁇ provide a sensor with energy, a corresponding sensor and an associated method.
  • the monitoring of operating parameters for example at
  • components from the power engineering can be at ⁇ play as to power lines, transformers, Lucasspu ⁇ len, surge or switching devices.
  • the installation of suitable sensors directly to the corresponding components or their UNMIT ⁇ PUNITIVE proximity is required.
  • ⁇ can be performed in a similar manner in other areas, such as in factory automation or in process engineering, egg ⁇ ne monitoring of operating parameters or surroundingssbedingun ⁇ gen.
  • a direct connection of the sensors via lines is usually used in power installations with various problems. tied, since the corresponding components are often on ei ⁇ nem very high voltage potential. The effort for an adequate isolation of the sensors and their connection ⁇ lines of the power components is therefore high. DIE ses problem arises even when using Glasmaschineleitun ⁇ gen.
  • sensor systems in which the individual sensors are connected to the power supply and for communication over fiber-optic lines to an evaluation, but is also due to possible debris and moisture on the fiber optic cables often a ver ⁇ tively high expense for the insulation between Auswer ⁇ tesystem and given to the attached to the power-component sensors.
  • the sensors can be connected by radio to the associated Ausireein ⁇ ness.
  • a particularly useful for supplying the sensors form of energy in the field of power engineering represent magneti ⁇ cal alternating fields, how they're related, for example, near-carrying AC cables, or in the interior or in the vicinity of high-voltage coils are available.
  • Here can be converted easily energy from the alternating magnetic field ⁇ into electrical energy for operation of the respective Sen ⁇ sors.
  • a generic insertion of the sensors and their power supply unit of supply is therefore not possible. It is thus erforder ⁇ Lich, always adjust the sensors and their facilities Stromversor ⁇ supply to the respective application.
  • Also particularly high currents and magnetic field strengths can be it ⁇ ranges that should not lead to damage of the sensors briefly by short circuits or lightning.
  • the sensors are powered by laser light fed into fiber optic cables.
  • the communication between the sensors and an evaluation unit can also be made via the same fiber optic cable.
  • the problem of reliable electrical isolation between the lines of the sensor system and the power components is indeed eased, but still measures to increase possible creepage distances due to possible Verschmut ⁇ tions and moisture to the fiber-optic lines still to be made so. These additional measures can cause increased expense in the production and wiring of Sen ⁇ sensors and thus higher costs.
  • wireless sensors that are used to monitor Components ⁇ th in power installations exist comparable different solutions for power supply.
  • the ⁇ -like sensors in the field of power engineering come so far only partially used.
  • Such wireless sensors could be equipped with Bat ⁇ criteria with long shelf life, such as lithium primary batteries. This can be used above all for radio sensors which do not have to record and transmit measurement data at all times but only occasionally, that is to say have on average a low energy requirement. After ⁇ pieces can impact here, however, that the off ⁇ exchange the batteries when means some maintenance even in relatively large time intervals.
  • the sensors in the field of power engineering are exposed to elevated ambient temperatures, causing in this area a use of batteries either not at all or only with frequent replacement is possible.
  • the ratio of maximum to minimum possible input voltage for currently available systems is approximately 25: 1.
  • Particularly for linear voltage regulators is here all ⁇ recently another problem. With increasing input voltage, more and more power atponsreg ⁇ ler drops accordingly. The resulting heat must be dissipated from the sensor, which has an increased cost and thus increased costs in the mechanical design of the sensor result.
  • An exception here are sensors that have on average only a low power consumption, which leads to a low power loss at the voltage regulator. Often, however, the use of relatively powerful sensors with corresponding energy requirements is necessary.
  • an object of the present invention is to provide a simplified and secure Energyversor ⁇ tion of a sensor.
  • the apparatus includes a storage capacitor for storing energy, said storage capacitor having a power supply device is coupled and is adapted to supply the sensor with Ener ⁇ energy.
  • the device further comprises a switching device for coupling the storage capacitor to the power supply device and decoupling the Spei ⁇ cherkondensators of the power supply device.
  • the apparatus comprises a control device which is coupled to the switching means and which is adapted to ren to tax the energy supply of the sensor.
  • the control means is adapted, and when the current Charging state falls below a first threshold, ⁇ a first control signal to the switching device to send to couple the memory capacitor to the Energyversor ⁇ restriction device, and if the current state of charge ⁇ stand exceeds a second threshold value, to send a second control signal to the switching device to couple the storage capacitor from the power supply means to ent ⁇ .
  • an energy converter can be used which converts energy from a magnetic alternating field, such as is present in the vicinity of conductors through which alternating current flows or also inside or in the vicinity of high-voltage coils, into electrical energy.
  • the electrical energy is temporarily stored, which is then used by the sensor. Due to the cyclical switching on and off or
  • Coupling and decoupling of the storage capacitor to the Ener ⁇ giewandler or the power supply device can advertising realized with a low outlay, an operation of the sensor with very different energy inputs to. As energy input, the energy as it is obtained from the power supply device is called.
  • a high-current capable capacitor for the brief intermediate storage of the electrical energy ⁇ rule is used.
  • the capacitor is switched by means of an intelligent control device via the switching device to the output of the power supply device to be charged.
  • the storage capacitor is connected to the power supply means until a second threshold is reached, and the Speicherkondensa ⁇ tor is disconnected from the power supply device.
  • the sensor is powered by the storage capacitor and therefore discharges it steadily.
  • the sensor is, for example, be an ener ⁇ gieautarken sensor.
  • the proposed device allows a reliable operation of the sensor at low to a high energy input and the sensor can be reliably protected even in extreme overloads
  • the proposed device can be used in addition to the Starkstromtech ⁇ technology in other areas such as plant automation and process engineering.
  • the first threshold is less than the second threshold. Therefore, the first threshold corresponds to a discharged ⁇ stand of the storage capacitor and the second threshold corresponds to a charged state of the storage capacitor.
  • the switching device has a field-effect transistor.
  • the field-effect transistor in particular a MOSFET, for example an n-channel MOSFET, depletion type
  • FET field-effect transistor
  • a MOSFET for example an n-channel MOSFET, depletion type
  • this provides the advantage that a good conductor already at a gate-source voltage of 0V, the FET. This ensures that represents that the circuit starts after the application of a voltage supplied by the power supply device of allei ⁇ ne.
  • the Siemenseinrich ⁇ processing on an upstream transistor for controlling the field effect transistor ⁇ is provided.
  • the upstream transistor may be any type of transistor based switch. This switched before ⁇ transistor, hereinafter also referred to as a transistor switch that receives the first or the second control signal from the control device and switches the field-effect transistor.
  • the Steuereinrich ⁇ tion on a microcontroller is the same as a microcontroller.
  • the microcontroller may be coupled via an A / D converter to an output of the storage capacitor. Based on an output signal which is passed via the A / D converter or aponsüberwachungseinrich- processing of the storage capacitor, the microcontroller determines a state of charge and refreshes ⁇ economic generated based on this current state of charge the corresponding control signal.
  • the Steuereinrich ⁇ tung a logic flow control.
  • a logic sequence control which may consist of conventional Logikbau ⁇ stones can lead to greater robustness, egg ⁇ nem larger permissible ambient temperature range, low ⁇ rer error rates and higher life.
  • control device is set up to detect a failure of the energy supply device and to send an error signal to the sensor in the event of a detected failure.
  • the apparatus comprises a plurality of switching devices, which are each adapted to couple, based on the first control signal the control means controls the storage capacitor with the Energyver ⁇ sorgungs planted and decouple based on the second control signal to the storage capacitor from the Energyversor ⁇ restriction device ,
  • the plurality of switching devices may each be realized as a sepa rate ⁇ switching devices, or as an overall my same switching device which can operate with different inputs of the power supply device. Furthermore, the plurality of switching devices can be gesteu ⁇ ert by the same or various control signals from the controller.
  • the device has a plurality of power supply devices which can each be coupled by means of one of the plurality of switching devices with the storage capacitor.
  • the additional power supply devices also referred to as alternative power supply units may be separate power supply equipment, or, when it is in the power supply device to a coil, by various windings on dersel ⁇ ben coil be realized.
  • the Heidelbergeinrich ⁇ tung is adapted to couple the storage capacitor via a serving as a spark gap overvoltage protection to the power supply device ⁇ .
  • the switching device can for example be coupled via a DC ⁇ rectifiers via the radio link with the Energybookssein ⁇ direction. In this way, the sensor or the device for supplying the sensor with energy wirelessly coupled to the power supply ⁇ who.
  • the apparatus comprises a voltage regulator which is adapted to connect the storage capacitor to the sensor and to transmit the Ener ⁇ energy.
  • Such a voltage regulator may be, for example, a linear voltage regulator. This controls the voltage, which has such the energy that comes from the storage capacitor to correspond to the voltage Benö ⁇ actuated by the sensor.
  • a sensor with a device for supplying energy to the sensor is proposed.
  • the device for powering the sensor has the features described above.
  • ⁇ parameter of at least one component of a system insbeson ⁇ particular a power engineering system is detected.
  • the operating parameters can include various parameters such as temperature, current, voltage, etc.
  • they can, as described above, be connected via a respective fiber optic cable to an evaluation unit for evaluating the recorded operating parameters.
  • a method for powering a sensor comprises determining a current charge status of a storage capacitor for storing energy, said storage capacitor having a Energyversor ⁇ restriction device can be coupled to and adapted to supply the sensor with energy.
  • a first control signal is sent to a switching device for coupling the storage capacitor to the power supply ⁇ means if the current state of charge falls below a first threshold value.
  • a second control signal is sent restriction device to the switching means for disconnecting the storage capacitor from the power plant companies if the current state of charge exceeds ei ⁇ NEN second threshold.
  • a computer program product such as a computer program means may, for example, be used as a storage medium, e.g.
  • Memory card USB stick, CD-ROM, DVD, or even in the form of a downloadable file provided by a server in a network or delivered. This can be done, for example, in a wireless communication network through the transmission of a corresponding file with the Computerprogrammpro ⁇ product or the computer program means done.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a further exemplary embodiment of a device for supplying a sensor with energy
  • FIG. 3 shows a diagram of various states of the device for supplying a sensor with energy
  • FIG. 4 shows a schematic view of a further exemplary embodiment of a device for supplying a sensor with energy
  • 5 shows a schematic view of a further exemplary embodiment of a device for supplying a sensor with energy
  • Figures 6 to 9 show schematic views of examples of an exporting ⁇ approximately Energysavingseinrich ⁇ tung;
  • Fig. 10 shows a schematic view of an execution ⁇ example of a power supply device with attached sensor
  • FIG. 11 shows a schematic view of a further exemplary embodiment of a device for supplying a sensor with energy
  • Fig. 12 shows an embodiment of a method for
  • Fig. 1 shows a schematic view of awhosbei ⁇ game of a device 10 for supplying a sensor 21 with energy.
  • the sensor 21, device 10 and a power supply device 20 can be part of a Rescuesys ⁇ tems 100th
  • the overall system 100 may be, for example, a power plant, but also an automation system or a system of process engineering.
  • the device 10 for supplying the sensor 21 with energy has a storage capacitor 1.
  • this Speicherkon ⁇ capacitor 1 energy stored by the energy supply device 20 to which the storage capacitor 1 can be coupled.
  • the storage capacitor 1 is further to be directed ⁇ , the sensor 21 with the stored energy to provide ⁇ ver.
  • the device 10 further comprises a switching device 2.
  • the Speicherkon ⁇ capacitor 1 can be coupled to the power supply device 20 or decoupled from this.
  • the device 10 has for this purpose a control device 3, which with the
  • Switching device 2 and the storage capacitor 1 is coupled. If the current state of charge falls below a first threshold value, ie is discharged, the control device 3 sends a first control signal to the switching device 2. The switching device 2 then couples the storage capacitor 1 to the Energybookssein ⁇ direction 20 to load the storage capacitor 1. If the current state of charge of the storage capacitor 1 exceeds a second threshold value, and is thus loaded, the STEU ⁇ er Huawei sends a second control signal to the switching device 2. Then, 2 decouples the switching means the
  • Storage capacitor 1 of the power supply device 20 stops charging the storage capacitor.
  • a stabilized operating voltage for the sensor electronics is made available from different high or fluctuating voltages at the output of a power supply device 20, here in the form of a pickup coil.
  • a power supply device 20 here in the form of a pickup coil.
  • the AC voltage from the pickup coil 20 is passed to a rectifier 6.
  • This linear voltage regulator 7 provides a stabilized versor ⁇ supply voltage for the other components in the wireless sensor 21 is available. With increasing input voltages always higher power losses in the linear voltage regulator 7 fall.
  • a further disadvantage is that the smoothing capacitor 112 must be designed so that it withstands the greatest occurring voltage after the rectifier 6, resulting in a correspondingly large design and a high price for the capacitor 112.
  • the spark gap 5 serves as overvoltage protection, z. B. in lightning strikes.
  • a voltage monitoring / reset device 113 is provided to pass signals 34, 35 to the control ⁇ tion to the sensor 21 in order to avoid malfunction due to low input voltages and a proper reset a microcontroller in the sensor 21 to ge ⁇ guarantee. This device 113 also turns off the linear voltage regulator 7 at too low input voltages.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the device of FIG. 1.
  • the power supply device 20 may be a pickup coil, which is explained in more detail in Figures 6 to 10.
  • the voltage supplied by the pickup coil 20 is passed through a rectifier 6.
  • the switching device 2 with a FET switch 36, which can withstand comparatively high voltages.
  • This FET switch 36 is gesteu ert ⁇ through a transistor switch 37 by its own microcontroller 32 in the control unit 3 and switches on the output voltage of the DC converter 6 to the storage capacitor 1.
  • This Speicherkon ⁇ capacitor 1 has a significantly higher capacitance than the smoothing capacitor 112 previously illustrated, and thus may provide for a short period of time sufficient power to operate the sensor 21st
  • the storage capacitor 1 is resistant to high current, ie it can be loaded with relatively high Strö ⁇ men and unloaded without being damaged.
  • a linear voltage regulator 7 is connected, which provides a regulated supply voltage for the sensor electronics 21.
  • the microcontroller 32 monitors the charging clamping ⁇ voltage on the storage capacitor C1 and turns on the FET switch 36 falls below a lower limit of the off ⁇ gear of the rectifier 6 to the storage capacitor 1 and reconnects when an upper limit is exceeded.
  • the microcontroller 32 and the analog / digital converter (A / D converter) 31 are also supplied via the voltage at the storage capacitor 1. Blocks 8 to the voltage monitoring ⁇ , Reset generating and voltage control ensure correct operating conditions at the microcontroller 32nd
  • the microcontroller 32 via the analog / digital converter 31 can always determine the current state of charge of the storage capacitor 1, it can according to the system state, the signal lines "Reset” (34), "Power Fail” (35) and the linear voltage regulator 7 for the sensor electronics 21 tax ⁇ ern.
  • an N-channel MOSFET Verar ⁇ tion type
  • FET 36 conducts be ⁇ already good. This ensures that the circuit 10 starts after the application of a voltage supplied by the pickup coil 20 by itself.
  • the microcontroller 32 begins to monitor the voltage at the storage capacitor 1 and switches off the FET switch 36 as soon as an upper voltage limit is reached. If the voltage at the storage capacitor 1 from ⁇ reaching high, the linear voltage regulator 7 are turned on for the sensor electronics 21 and the signals "Reset” (34) and "Power Fail” (36) driven accordingly.
  • the microcontroller 32 ensures that the voltage on the storage capacitor 1 is always moving at sufficient ⁇ the energy input in a specified voltage range. Falls below egg ne lower voltage limit, the storage capacitor ⁇ 1 is recharged again accordingly. The discharge occurs substantially over the load current through the Sen ⁇ sorelektronik 21. If now the supply from the pick-up coil 20 as Example ⁇ due to power failure entirely of or the energy input in a certain state of Starkstroman ⁇ location is too low, it may this can be detected by the microcontroller 32. If he turns on the FET switch 36, and the voltage at the storage capacitor 1 does not increase further, it can be assumed that a power failure or too low energy ⁇ entry.
  • the micro controller 32 ⁇ would this via the signal "Power Fail” (34) of Sen ⁇ sorelektronik 21 Report before a short time later the comparison is supply voltage switched off.
  • the signal "Power Fail” (34) of Sen ⁇ sorelektronik 21 Report before a short time later the comparison is supply voltage switched off.
  • the current system state is very much related to the voltage at the storage capacitor 1. Thus, to clarify the operation of the power supply in FIG. 3 different areas of the voltage at the storage capacitor 1 associated with corresponding system states. In addition, it is indicated for each system state what this state characterizes ⁇ net and how the microcontroller 32 switches the control lines to the other components according to the respective system state.
  • the state Z6 "shutdown due to overvoltage" occurs only in exceptional cases, for example, when the FET switch 36 has not properly separated the storage capacitor 1 from the voltage source ⁇ 20 or if due to a Blitzein ⁇ shock in the system a very high energy pulse on the Input of the power supply electronics 10.
  • the sensor electronics 21 should be protected by a complete shutdown.
  • the voltage at the Speicherkon ⁇ capacitor 1 is shown. Between a voltage of 0V and a threshold value SW1, the system 100 is in a state ZI.
  • ZI state refers to a lower voltage of the SpeI ⁇ cherkondensators 1.
  • the reset signal 34 is set to lo ⁇ cally "0", so active.
  • the power-fail signal 35 is also logical "0", so active.
  • the FET switch 36 is on
  • the system 100 befin ⁇ det Z2 in a state which is referred to as a "power fail".
  • the voltage regulator 7 is switched on, the reset signal is switched to logic “1” , so deactivated.
  • the power fail signal 35 is switched to logic "0", that is active.
  • the FET switch 36 is switched to low impedance.
  • the system befin ⁇ det located 100 in a state Z3, which as “Start loading” is called.
  • the voltage regulator 7 is turned on.
  • the reset signal 34 is at logic "1", is thus deactivated
  • the power-fail signal 35 is at logic "1” and is thus deactivated.
  • the FET switch 36 is switched to low impedance. Between the threshold value SW3 and a threshold value SW4 in which the work area A of the system is in normal operation, the system 100 is in a state Z4 called "continue charging / discharging.” The voltage regulator 7 is thereby turned on. The reset signal 34 is switched to logic "1" and thus deactivated. There
  • Power-fail signal 35 is also switched to logic "1" and thus also deactivated.
  • Switch 36 is switched to low-impedance in the “charging” state and switched to high-impedance in the "discharging” state.
  • FET switch 36 is switched to high impedance.
  • the system 100 in egg nem state Z6, which is be ⁇ is characterized as a "switch-off against excess voltage" above the threshold SW5 is located.
  • the voltage regulator 7 is in this case be scarf ⁇ tet.
  • the reset signal 34 is switched to logic “0” and thus active.
  • the power fail signal is also switched to logic "0” and thus active, and the FET switch 36 is switched to high-impedance.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the device of FIG. 2.
  • the power supply can be connected to a plurality of different windings 20, 40, 41 of the pickup coil.
  • the windings 20, 40, 41 under ⁇ differ in the number of turns and possibly also in the internal resistance (effective resistance, reactance).
  • the pilot ckup coil can also be designed so that it contains only one winding and several intermediate taps of this winding are led out.
  • the windings 40 and 41 represent alternative or additional power supply means to the winding 20.
  • the operation of the apparatus 10 is the same as described in connection with FIG. 2 described in principle, except that here, in normal operation after falling below a lower threshold Sw3 of FIG. 3, first, the winding with the nied ⁇ rigsten energy input to the storage capacitor 1 maral ⁇ tet , If its charging voltage then increases, it remains in this switching state until an upper threshold Sw4 is reached in Fig. 3 and the charging is completed. On the other hand, if the charging voltage does not rise after the current supply has applied to the winding with the lowest energy input, the power supply switches to a winding with a higher energy input. Now rises to the charging ⁇ voltage, the switching condition remains, otherwise turn is locked onto a winding with even higher energy input.
  • the device In order to process the plurality of windings 20, 41, 42, the device has a second and third spark gap 42, 43, a second and third rectifier 44, 45 and a second and third switching device 46, 49.
  • the second and third switching devices 46, 49 each have a FET 47, 50 and a transistor 48, 51.
  • a device 10 may provide a greater Ro ⁇ bustheit.
  • the threshold switch 53 is controlled via a resistor network 52.
  • ⁇ NEN apparatus 10 36 has the FET switch only two Moegli ⁇ che switching states: ideal considered open or CLOSED ⁇ sen. Thus, regardless of the energy input, only a low power loss always occurs at the FET switch 36. Even on the used linear voltage regulator 7 between Speicherkon ⁇ capacitor 1 and sensor electronics 21 drops only a small power, since the input voltage of this voltage regulator 7 is always kept in a limited range.
  • the pickup coil 20 is usually not operated together with a capacitor in a resonant circuit.
  • This Kondensa ⁇ tor would, depending on the occupied frequency range a comparatively large capacity and also have a high dielectric strength, a great design and a high price has resulted.
  • a specific, narrow frequency range for energy production would Festge ⁇ sets by the resonant circuit, in practice, a wider frequency band is often used to generate energy.
  • the possible ⁇ ness is obtained by the separation of the pickup coil 20 and sensor 21 to provide a pick-up coil 20 several sensors 21 gleichzei ⁇ tig with energy. Examples of a pickup coil 20 as Energymakerssein ⁇ direction are shown below.
  • FIG. 6 shows, by way of example, the arrangement of a so-called Ro ⁇ gowski coil around a conductor 62.
  • the current flowing through the high current conductor 62 has a magnetic field around it
  • Power cables from DC networks are used, provided that temporal fluctuations of the current are superimposed.
  • a coil body can not be used ferromagnetic materials or ferrite rings.
  • ferrite ring there is another way to protect against excessive currents through the conductor (and thereby causing too much energy input into the coil).
  • Dimensioning ⁇ tion and ferrite material are chosen so that the ferrite goes to saturation when a certain magnetic field strength is exceeded.
  • a further increase in the current through the conductor or the magnetic field strength above a certain limit only leads to a slight increase in the power input into the coil.
  • Fig. 7 shows a further variant of a Rogowski coil.
  • the coil 61 is not arranged entirely circumferentially around the Wi ⁇ ckel Equity 63rd
  • a terminal 64 of the coil is not led out directly, but runs along the longitudinal axis of the coil back to the coil start (65).
  • FIG. 8 Another variant is shown in FIG. 8.
  • the coil may be wound over only a portion of the ferrite 67 61, which can lead to a simplification of the structure under ⁇ To stalls.
  • the coil 61 can thus for example be pre-wound by machine on a Kunststoffoffoffmie and then attached to a (hinged) ferrite 67.
  • a suitable arrangement 70 is provided for this is ⁇ .
  • the alternating magnetic field 71 penetrates the cross-sectional area of a coil 72, which is also used as a pickup coil 70 is designated and induces electrical voltages in the coil.
  • Fig. 10 shows a corresponding arrangement 80 is provided exemplifies ⁇ .
  • connection line 86 of a high-current air coil should be monitored here.
  • the upper portion of the large-current air-core coil can be seen in accordance with a ty ⁇ European structure:
  • the turns 87 of the coil are zy ⁇ relieving wound in one layer and are molded with geeigne ⁇ th materials.
  • This cylindrical coil is supported vertically by a respective aluminum support arm 81 above and below the coil 87, and also the electrical connections are made via the aluminum support arms 81.
  • both the ends of the coils and the power connection lines 86 are connected.
  • the upper, crossed arranged set aluminum support arms 81 and also the connection point 86 for the Stark ⁇ power line can be seen.
  • a radio sensor 21 is arranged in the vicinity of the connection point, which has a device for current measurement, for example, the Rogowski coil described above.
  • the radio sensor 21 is to be fed by energy from the alternating magnetic field 82 of the high-current air coil 87, which is why the pickup coil 70 is arranged directly in the alternating magnetic field 82 of the coil 87.
  • a line 83 is provided between the pickup coil 70 and the radio sensor 21, a line 83 is provided.
  • the radio sensor 21 with the device for current measurement is placed a bit away from the high-current air coil 87, so that the coil surrounding strong magnetic Matt ⁇ field 82 does not affect the accuracy and reliability of the current measurement too strong.
  • Fig. 12 shows an embodiment of a method for supplying a sensor with energy.
  • a current charge state of the storage capacitor ⁇ 1 is determined for the storage of energy ⁇ Ener.
  • a first control signal is sent to the switching device 2 for coupling the storage capacitor 1 to the power supply device 20 if the current charge state falls below a first threshold value.
  • a second control signal to the switching device 2 for decoupling the Speicherkondensa- is tors 1 transmitted from the power supply device 20 if the current state of charge below a second threshold over ⁇ .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) zum Versorgen eines Sensors (21) mit Energie vorgeschlagen. Die Vorrichtung (10) weist einen Speicherkondensator (1) zur Speicherung von Energie auf, wobei der Speicherkondensator (1) mit einer Energieversorgungseinrichtung (20) koppelbar ist und dazu eingerichtet ist, den Sensor (21) mit Energie zu versorgen. Des Weiteren weist die Vorrichtung (10) eine Schalteinrichtung (2) zum Koppeln des Speicherkondensators (1) mit der Energieversorgungseinrichtung (20) und Entkoppeln des Speicherkondensators (1) von der Energieversorgungseinrichtung (20) auf. Zusätzlich weist die Vorrichtung (10) eine Steuereinrichtung (3) auf, die mit der Schalteinrichtung (2) gekoppelt ist und die dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung des Sensors (21) zu steuern, wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, einen aktuellen Ladezustand des Speicherkondensators (1) zu ermitteln und, wenn der aktuelle Ladezustand einen ersten Schwellwert unterschreitet, ein erstes Steuersignal an die Schalteinrichtung (2) zu senden, um den Speicherkondensator (1) mit der Energieversorgungseinrichtung (20) zu koppeln, und wenn der aktuelle Ladezustand einen zweiten Schwellwert überschreitet, ein zweites Steuersignal an die Schalteinrichtung (2) zu senden, um den Speicherkondensator (1) von der Energieversorgungseinrichtung (20) zu entkoppeln. Hierdurch kann ein Betrieb des Sensors über einen sehr weiten Bereich möglicher Energieeinträge ohne hohe Verlustleistung in der Vorrichtung (10) realisiert werden. Des Weiteren werden ein Sensor (21) mit einer solchen Vorrichtung (10) sowie ein Verfahren zum Versorgen des Sensors (21) mit Energie vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Versorgen eines Sensors mit Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ver¬ sorgen eines Sensors mit Energie, einen entsprechenden Sensor sowie ein zugehöriges Verfahren. Die Überwachung von Betriebsparametern, beispielsweise bei
Komponenten im Bereich der Starkstromtechnik, gewinnt zuneh¬ mend an Bedeutung. Durch eine solche Überwachung können die einzelnen Komponenten ohne die Gefahr einer Überbeanspruchung und den individuellen Umgebungsbedingungen entsprechend opti- mal ausgelastet werden. Des Weiteren wird eine Zustandsüber- wachung dieser Komponenten basierend auf den überwachten Be¬ triebsparametern ermöglicht. Auf diese Weise lassen sich ge¬ gebene Ressourcen effizienter nutzen und Wartungsarbeiten, für die die betreffende Starkstromanlage in der Regel abge- schaltet werden muss, auf ein Minimum reduzieren.
Bei Komponenten aus der Starkstromtechnik kann es sich bei¬ spielsweise um Starkstromleitungen, Transformatoren, Luftspu¬ len, Überspannungsabieiter oder Schalteinrichtungen handeln. In der Regel ist zur Überwachung relevanter Betriebsparameter dieser Komponenten die Installation von geeigneten Sensoren direkt an den entsprechenden Komponenten oder in ihrer unmit¬ telbaren Nähe erforderlich. Neben dem Bereich der Starkstrom¬ technik kann auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise in der Anlagenautomatisierung oder in der Verfahrenstechnik, ei¬ ne Überwachung von Betriebsparametern oder Umgebungsbedingun¬ gen in ähnlicher Weise durchgeführt werden. Obwohl im Folgen¬ den auf Systeme aus dem Bereich der Starkstromtechnik einge¬ gangen wird, sind diese Ausführungen auch auf andere Systeme anwendbar.
Ein direkter Anschluss der Sensoren über Leitungen ist in der Regel in Starkstromanlagen mit verschiedenen Problemen ver- bunden, da sich die entsprechenden Komponenten häufig auf ei¬ nem sehr hohen Spannungspotential befinden. Der Aufwand für eine angemessene Isolation der Sensoren und deren Anschluss¬ leitungen von den Starkstrom-Komponenten ist daher hoch. Die- ses Problem ergibt sich auch bei Einsatz von Glasfaserleitun¬ gen. Zwar existieren Sensorsysteme, bei denen die einzelnen Sensoren zur Energieversorgung und für die Kommunikation über Glasfaserleitungen an eine Auswerteeinheit angeschlossen sind, jedoch ist auch hier aufgrund möglicher Ablagerungen und Feuchtigkeit auf den Glasfaserleitungen oft ein ver¬ gleichsweise hoher Aufwand für die Isolation zwischen Auswer¬ tesystem und den an den Starkstrom-Komponenten angebrachten Sensoren gegeben. Die Sensoren können per Funk an die zugehörige Auswerteein¬ heit angebunden werden. Für die Kommunikation ist somit nicht mehr die Verlegung einer Leitung erforderlich. Gewinnt ein per Funk angebundener Sensor zudem die für den Betrieb benö¬ tigte Energie aus geeigneten Energieformen in seinem Umfeld, sogenannter energieautarker Betrieb, so können beispielsweise Systeme in Form einer vollständig gekapselten Bauweise der Sensoren realisiert werden. Leitungen für die Energieversor¬ gung oder die Kommunikation zwischen den Sensoren und der zu¬ gehörigen Auswerteeinheit werden nicht mehr benötigt.
Eine für die Versorgung der Sensoren besonders gut nutzbare Energieform im Bereich der Starkstromtechnik stellen magneti¬ sche Wechselfelder dar, wie sie beispielsweise in der Nähe von mit Wechselstrom durchflossenen Leiter oder auch im Inne- ren oder im Umfeld von Starkstromspulen vorhanden sind. Hier kann auf einfache Art Energie aus dem magnetischen Wechsel¬ feld in elektrische Energie zum Betrieb des jeweiligen Sen¬ sors umgewandelt werden. Bei einer solchen Anordnung können jedoch die in der Energie¬ technik im Betrieb auftretenden Stromstärken bzw. magneti¬ schen Feldstärken in einem sehr großen Bereich liegen. Ein generisches Einsetzen der Sensoren und deren Stromversor- gungseinheit ist daher nicht möglich. Es ist somit erforder¬ lich, die Sensoren und deren Einrichtungen zur Stromversor¬ gung stets auf den jeweiligen Einsatzfall anzupassen. Auch können durch Kurzschlüsse oder bei Blitzeinschlag kurzzeitig besonders hohe Stromstärken bzw. magnetische Feldstärken er¬ reicht werden, die nicht zu einer Schädigung der Sensoren führen sollten.
In manchen Systemen werden die Sensoren durch in Glasfaser- leitungen eingespeistes Laserlicht mit Energie versorgt. Die Kommunikation zwischen den Sensoren und einer Auswerteeinheit kann ebenfalls über die gleiche Glasfaserleitung erfolgen. Im Vergleich zu einer galvanischen Anschlussleitung wird das Problem einer zuverlässigen galvanischen Trennung zwischen den Leitungen des Sensorsystems und den Starkstromkomponenten zwar entschärft, jedoch müssen aufgrund möglicher Verschmut¬ zungen und Feuchtigkeit an den Glasfaserleitungen trotzdem noch Maßnahmen zur Vergrößerung möglicher Kriechstrecken usw. getroffen werden. Diese zusätzlichen Maßnahmen können einen erhöhten Aufwand bei der Herstellung und Verkabelung der Sen¬ soren und damit höhere Kosten verursachen.
In Bezug auf Funksensoren, die zur Überwachung von Komponen¬ ten in Starkstromanlagen eingesetzt werden, existieren ver- schiedene Lösungen zur Stromversorgung. Allgemein kommen der¬ artige Sensoren im Bereich der Starkstromtechnik bislang nur ansatzweise zum Einsatz. Solche Funksensoren könnten mit Bat¬ terien mit langer Haltbarkeit, wie beispielsweise Lithium- Primärbatterien, ausgestattet werden. Dies kann vor allem für Funksensoren eingesetzt werden, die nicht ständig, sondern nur gelegentlich Messdaten erfassen und übermitteln müssen, also im Mittel einen niedrigen Energiebedarf aufweisen. Nach¬ teilig kann sich hier allerdings auswirken, dass der Aus¬ tausch der Batterien, wenn auch in vergleichsweise großen Zeitabständen, einen gewissen Wartungsaufwand bedeutet. Oft sind die Sensoren im Bereich der Starkstromtechnik erhöhten Umgebungstemperaturen ausgesetzt, wodurch in diesem Bereich ein Einsatz von Batterien entweder gar nicht oder nur mit häufigem Austausch möglich ist.
Für Funksensoren, die im Mittel einen erhöhten Energiebedarf aufweisen, stellt die Versorgung über Energie aus magneti¬ schen Wechselfeldern eine Möglichkeit dar. In Verbindung mit Komponenten aus Starkstromanlagen steht diese Energieform mehr oder weniger ständig zur Verfügung und muss nicht über längere Zeitspannen hinweg zwischengespeichert werden. Auch lässt sich diese Energieform über Spulen auf einfache Art in elektrische Energie umwandeln. In bekannten Systemen könnte zur Bereitstellung der elektrischen Energie in für den Sensor geeigneter Form an den Ausgang der Spule zur Umwandlung von magnetischen Wechselfeldern in elektrische Energie ein
Gleichrichter und ein Glättungskondensator angeschlossen wer¬ den. Da, wie oben erwähnt, die magnetische Feldstärke und da¬ mit auch die gewonnene Spannung hinter dem Gleichrichter in einem weiten Bereich liegen kann, könnte ein linearer Span¬ nungsregler oder ein DC-DC-Wandler nachgeschaltet werden, um die Sensorelektronik stets mit einer konstanten Spannung zu versorgen. Das Verhältnis von maximaler zu minimal möglicher Eingangsspannung liegt für aktuell verfügbare Systeme bei ca. 25:1. Besonders bei linearen Spannungsreglern besteht hier aller¬ dings ein weiteres Problem. Mit steigender Eingangsspannung fällt auch entsprechend immer mehr Leistung am Spannungsreg¬ ler ab. Die entstehende Wärme muss aus dem Sensor abgeführt werden, was einen erhöhten Aufwand und damit auch erhöhte Kosten bei der mechanischen Gestaltung des Sensors zur Folge hat. Eine Ausnahme stellen hier Sensoren dar, die im Mittel nur eine geringe Leistungsaufnahme aufweisen, was zu einer niedrigen Verlustleistung am Spannungsregler führt. Oftmals ist jedoch der Einsatz von vergleichsweise leistungsfähigen Sensoren mit entsprechendem Energiebedarf notwendig.
Das Verhältnis von maximaler zu minimal möglicher Eingangs¬ spannung ließe sich bei linearen Spannungsreglern und bei DC- DC-Wandlerschaltungen zwar durch den Einsatz zusätzlicher, leistungsfähigerer Komponenten etwas vergrößern, bringt al¬ lerdings spezifische Nachteile mit sich. Bei linearen Span¬ nungsreglern steigt die Verlustleistung mit steigender Ein- gangsspannung immer weiter an und bei DC-DC-
Wandlerschaltungen würden sich zumindest bei bestimmten Be- lastungszuständen deutlich schlechtere Wirkungsrade und damit auch höhere Verluste ergeben. Bei den oben beschriebenen Systemen für eine Stromversor¬ gungselektronik für die beschriebenen Funksensoren kann somit das Verhältnis von maximaler zu minimal möglicher Eingangs¬ spannung ohne größeren Aufwand nicht über ein bestimmtes Maß hinaus vergrößert werden. Für weitgehend generisch einsetzba- re und vor Überlastfällen geschützte Sensoren wäre jedoch ein deutlich größeres Verhältnis von maximaler zu minimal mögli¬ cher Eingangsspannung erforderlich.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine vereinfachte und sichere Energieversor¬ gung eines Sensors bereitzustellen.
Demgemäß wird eine Vorrichtung zum Versorgen eines Sensors mit Energie vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist einen Spei- cherkondensator zur Speicherung von Energie auf, wobei der Speicherkondensator mit einer Energieversorgungseinrichtung koppelbar ist und dazu eingerichtet ist, den Sensor mit Ener¬ gie zu versorgen. Die Vorrichtung weist des Weiteren eine Schalteinrichtung zum Koppeln des Speicherkondensators mit der Energieversorgungseinrichtung und Entkoppeln des Spei¬ cherkondensators von der Energieversorgungseinrichtung auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, die mit der Schalteinrichtung gekoppelt ist und die dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung des Sensors zu steu- ern. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, einen aktu¬ ellen Ladezustand des Speicherkondensators zu ermitteln und, wenn der aktuelle Ladezustand einen ersten Schwellwert unter¬ schreitet, ein erstes Steuersignal an die Schalteinrichtung zu senden, um den Speicherkondensator mit der Energieversor¬ gungseinrichtung zu koppeln, und wenn der aktuelle Ladezu¬ stand einen zweiten Schwellwert überschreitet, ein zweites Steuersignal an die Schalteinrichtung zu senden, um den Spei- cherkondensator von der Energieversorgungseinrichtung zu ent¬ koppeln .
Als Energieversorgungseinrichtung kann ein Energiewandler verwendet werden, der Energie aus einem magnetischen Wechsel- feld, wie es beispielsweise in der Nähe von mit Wechselstrom durchflossenen Leitern oder auch im Inneren oder im Umfeld von Starkstromspulen vorhanden ist, in elektrische Energie umwandelt. In dem Kondensator wird kurzzeitig die elektrische Energie zwischengespeichert, die dann durch den Sensor ver- wendet wird. Durch das zyklische Zu- und Wegschalten bzw.
Koppeln und Entkoppeln des Speicherkondensators an den Ener¬ giewandler bzw. die Energieversorgungseinrichtung kann mit einem geringen technischen Aufwand ein Betrieb des Sensors mit sehr unterschiedlichen Energieeinträgen realisiert wer- den. Als Energieeintrag wird die Energie, wie sie von der Energieversorgungseinrichtung erhalten wird, bezeichnet.
Hierbei ist vorteilhaft, dass keine hohe Verlustleistung ent¬ steht. Des Weiteren können handelsübliche Bauteile verwendet werden, da an die einzelnen Komponenten der Vorrichtung keine besonderen Anforderungen gestellt werden müssen.
Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird ein hochstromfähiger Kondensator zur kurzzeitigen Zwischenspeicherung der elektri¬ schen Energie verwendet. Der Kondensator wird mit Hilfe einer intelligenten Steuereinrichtung über die Schalteinrichtung an den Ausgang der Energieversorgungseinrichtung geschaltet, um geladen zu werden. Sobald der aktuelle Ladezustand einen ers¬ ten Schwellwert unterschreitet, wird der Speicherkondensator an die Energieversorgungseinrichtung angeschaltet, bis ein zweiter Schwellwert erreicht wird, und der Speicherkondensa¬ tor von der Energieversorgungseinrichtung weggeschaltet wird. Der Sensor wird durch den Speicherkondensator mit Energie versorgt und entlädt diesen daher stetig. Durch den Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung wird ein gutes Verhältnis von maximaler zu minimal möglicher Ein¬ gangsspannung im Vergleich zu bekannten Systemen erreicht. Des Weiteren wird durch das zyklische An- und Wegschalten des Kondensators von der Energieversorgungseinrichtung über einen sehr großen Bereich von Eingangsleistungen, das heißt Energie von der Energieversorgungseinrichtung, eine Stromversorgung des Sensors mit vergleichsweise geringer Verlustleistung rea- lisiert.
Bei dem Sensor handelt es sich beispielsweise um einen ener¬ gieautarken Sensor. Durch die vorgeschlagene Vorrichtung kann ein zuverlässiger Betrieb des Sensors bei geringem bis hin zu einem hohen Energieeintrag ermöglicht und der Sensor auch bei extremen Überlastfällen zuverlässig geschützt werden
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann neben der Starkstromtech¬ nik auch in weiteren Bereichen wie der Anlagenautomatisierung und der Verfahrenstechnik eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Schwellwert kleiner als der zweite Schwellwert. Der erste Schwellwert entspricht daher einem entladenen Zu¬ stand des Speicherkondensators und der zweite Schwellwert entspricht einem geladenen Zustand des Speicherkondensators.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schalteinrich- tung einen Feldeffekttransistor auf.
Durch den Feldeffekttransistor (FET) , insbesondere einen MOSFET, beispielsweise einen n-Kanal MOSFET, Verarmungstyp, kann das Koppeln des Speicherkondensators mit der Energiever- sorgungseinrichtung realisiert werden. Wenn ein FET, im Fol¬ genden auch als FET-Schalter bezeichnet, verwendet wird, stellt dies den Vorteil bereit, dass bereits bei einer Gate- Source-Spannung von 0 V der FET gut leitet. So ist sicherge- stellt, dass die Schaltung nach dem Anliegen einer von der Energieversorgungseinrichtung gelieferten Spannung von allei¬ ne anläuft . Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schalteinrich¬ tung einen vorgeschalteten Transistor auf, um den Feldeffekt¬ transistor zu steuern.
Bei dem vorgeschalteten Transistor kann es sich um irgendeine Art von Schalter auf Transistorbasis handeln. Dieser vor¬ geschaltete Transistor, im Folgenden auch als Transistor- Schalter bezeichnet, empfängt von der Steuereinrichtung das erste bzw. das zweite Steuersignal und schaltet entsprechend den Feldeffekttransistor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinrich¬ tung einen MikroController auf.
Der MikroController kann über einen A/D-Wandler mit einem Ausgang des Speicherkondensators gekoppelt sein. Basierend auf einem Ausgangssignal des Speicherkondensators, welches über den A/D-Wandler oder eine Spannungsüberwachungseinrich- tung geführt wird, ermittelt der MikroController einen aktu¬ ellen Ladezustand und erzeugt basierend auf diesem aktuellen Ladezustand das entsprechende Steuersignal.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinrich¬ tung eine Logikablaufsteuerung auf. Eine Logikablaufsteuerung, die aus konventionellen Logikbau¬ steinen bestehen kann, kann zu einer größeren Robustheit, ei¬ nem größeren zulässigen Umgebungstemperaturbereich, niedrige¬ rer Fehleranfälligkeit und höherer Lebensdauer führen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Logikablaufsteu¬ erung über einen SchwellwertSchalter mit dem Speicherkonden¬ sator verbunden. Ein solcher SchwellwertSchalter kann die einzelnen Logikbau¬ steine der Logikablaufsteuerung ansteuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrich- tung dazu eingerichtet, einen Ausfall der Energieversorgungs¬ einrichtung zu detektieren und ein Fehlersignal im Fall eines detektierten Ausfalls an den Sensor zu senden.
Auf diese Weise kann, wenn die Energieversorgungseinrichtung vollständig ausfällt, und somit der Speicherkondensator nicht mehr geladen werden kann, der Sensor entsprechend informiert werden. Der Sensor kann dann ein kontrolliertes Abschalten durchführen. Auf diese Weise wird ein plötzlicher Ausfall des Sensors und somit ein Verlust von Daten vermieden. Da der Speicherkondensator erst entladen wird, wenn der Sensor Ener¬ gie benötigt, wird für einen zum Abschalten ausreichenden Zeitraum durch den Speicherkondensator noch Energie bereitge¬ stellt . Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen auf, die jeweils dazu eingerichtet sind, basierend auf dem ersten Steuersignal der Steuereinrichtung den Speicherkondensator mit der Energiever¬ sorgungseinrichtung zu koppeln und basierend auf dem zweiten Steuersignal den Speicherkondensator von der Energieversor¬ gungseinrichtung zu entkoppeln.
Die Mehrzahl von Schalteinrichtungen können jeweils als sepa¬ rate Schalteinrichtungen realisiert werden, oder als eine ge- meinsame Schalteinrichtung, die mit verschiedenen Eingängen der Energieversorgungseinrichtung arbeiten kann. Des Weiteren kann die Mehrzahl von Schalteinrichtungen durch dasselbe oder verschiedene Steuersignale von der Steuereinrichtung gesteu¬ ert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Energieversorgungseinrichtungen auf, die jeweils mittels einer der Mehrzahl von Schalteinrichtungen mit dem Speicherkondensator koppelbar sind.
Die zusätzlichen Energieversorgungseinrichtungen, auch als alternative Energieversorgungseinheiten bezeichnet, können separate Energieversorgungseinrichtungen sein oder können, wenn es sich bei der Energieversorgungseinrichtung um eine Spule handelt, auch durch verschiedene Wicklungen auf dersel¬ ben Spule realisiert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schalteinrich¬ tung dazu eingerichtet, den Speicherkondensator über eine als Überspannungsschutz dienende Funkenstrecke mit der Energie¬ versorgungseinrichtung zu koppeln.
Die Schalteinrichtung kann beispielsweise über einen Gleich¬ richter über die Funkenstrecke mit der Energieversorgungsein¬ richtung gekoppelt werden. Auf diese Weise kann der Sensor bzw. die Vorrichtung zum Versorgen des Sensors mit Energie kabellos mit der Energieversorgungseinrichtung gekoppelt wer¬ den .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Spannungsregler auf, der dazu eingerichtet ist, den Speicherkondensator mit dem Sensor zu verbinden und die Ener¬ gie zu übertragen.
Ein solcher Spannungsregler kann beispielsweise ein linearer Spannungsregler sein. Dieser regelt die Spannung, die die Energie, die von dem Speicherkondensator kommt, hat, derart, dass sie der Spannung entspricht, die durch den Sensor benö¬ tigt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Sensor mit einer Vor- richtung zur Energieversorgung des Sensors vorgeschlagen. Die Vorrichtung zur Energieversorgung des Sensors weist die oben beschriebenen Merkmale auf. Gemäß einer Ausführungsform werden durch den Sensor Betriebs¬ parameter zumindest einer Komponente eines Systems, insbeson¬ dere eines Starkstromtechniksystems, erfasst. Zu den Betriebsparametern können verschiedene Parameter wie Temperatur, Strom, Spannung usw. zählen. Beispielsweise bei Sensoren, die in Starkstromanlagen eingesetzt werden, können diese, wie oben beschrieben, über je eine Glasfaserleitung an eine Auswerteeinheit zur Auswertung der erfassten Betriebspa- rameter angeschlossen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Versorgen eines Sensors mit Energie vorgeschlagen. Das Verfahren weist in einem ersten Schritt das Ermitteln eines aktuellen Ladezu- Stands eines Speicherkondensators zur Speicherung von Energie auf, wobei der Speicherkondensator mit einer Energieversor¬ gungseinrichtung koppelbar ist und dazu eingerichtet ist, den Sensor mit Energie zu versorgen. In einem zweiten Schritt wird ein erstes Steuersignal an eine Schalteinrichtung zum Koppeln des Speicherkondensators mit der Energieversorgungs¬ einrichtung gesendet, wenn der aktuelle Ladezustand einen ersten Schwellwert unterschreitet. In einem dritten Schritt wird ein zweites Steuersignal an die Schalteinrichtung zum Entkoppeln des Speicherkondensators von der Energieversor- gungseinrichtung gesendet, wenn der aktuelle Ladezustand ei¬ nen zweiten Schwellwert überschreitet.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung die Durch- führung des wie oben erläuterten Verfahrens veranlasst.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm- Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B.
Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form ei- ner herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertra- gung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammpro¬ dukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausfüh¬ rungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Ver¬ fahren sowie den Sensor entsprechend.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der je¬ weiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfin¬ dung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgen¬ den beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Wei¬ teren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungs¬ formen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher er¬ läutert . zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungs beispiels einer Vorrichtung zum Versorgen eines Sensors mit Energie;
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Aus¬ führungsbeispiels einer Vorrichtung zum Versorgen eines Sensors mit Energie;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm verschiedener Zustände der Vor¬ richtung zum Versorgen eines Sensors mit Energie;
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Aus- führungsbeispiels einer Vorrichtung zum Versorgen eines Sensors mit Energie; Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Aus¬ führungsbeispiels einer Vorrichtung zum Versorgen eines Sensors mit Energie;
Figuren 6 bis 9 zeigen schematische Ansichten von Ausfüh¬ rungsbeispielen einer Energieversorgungseinrich¬ tung;
Fig. 10 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungs¬ beispiels einer Energieversorgungseinrichtung mit angeschlossenem Sensor;
Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Aus¬ führungsbeispiels einer Vorrichtung zum Versorgen eines Sensors mit Energie; und
Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum
Versorgen eines Sensors mit Energie.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbei¬ spiels einer Vorrichtung 10 zum Versorgen eines Sensors 21 mit Energie. Der Sensor 21, die Vorrichtung 10 sowie eine Energieversorgungseinrichtung 20 können Teil eines Gesamtsys¬ tems 100 sein. Das Gesamtsystem 100 kann beispielsweise eine Starkstromanlage, aber auch ein Automatisierungssystem oder ein System aus der Verfahrenstechnik sein.
Die Vorrichtung 10 zum Versorgen des Sensors 21 mit Energie weist einen Speicherkondensator 1 auf. In diesem Speicherkon¬ densator 1 wird Energie von der Energieversorgungseinrichtung 20 gespeichert, mit der der Speicherkondensator 1 koppelbar ist. Der Speicherkondensator 1 ist des Weiteren dazu einge¬ richtet, den Sensor 21 mit der gespeicherten Energie zu ver¬ sorgen . Die Vorrichtung 10 weist des Weiteren eine Schalteinrichtung 2 auf. Über diese Schalteinrichtung 2 kann der Speicherkon¬ densator 1 mit der Energieversorgungseinrichtung 20 gekoppelt werden oder von dieser entkoppelt werden. Die Vorrichtung 10 weist hierzu eine Steuereinrichtung 3 auf, die mit der
Schalteinrichtung 2 und dem Speicherkondensator 1 gekoppelt ist . Die Steuereinrichtung 3 ermittelt einen aktuellen Ladezustand des Speicherkondensators 1. Wenn der aktuelle Ladezustand ei¬ nen ersten Schwellwert unterschreitet, also entladen ist, sendet die Steuereinrichtung 3 ein erstes Steuersignal an die Schalteinrichtung 2. Die Schalteinrichtung 2 koppelt darauf- hin den Speicherkondensator 1 mit der Energieversorgungsein¬ richtung 20, um den Speicherkondensator 1 zu laden. Wenn der aktuelle Ladezustand des Speicherkondensators 1 einen zweiten Schwellwert überschreitet, also geladen ist, sendet die Steu¬ ereinrichtung ein zweites Steuersignal an die Schalteinrich- tung 2. Daraufhin entkoppelt die Schalteinrichtung 2 den
Speicherkondensator 1 von der Energieversorgungseinrichtung 20 und stoppt somit das Laden des Speicherkondensators 1.
Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung werden im Folgenden erläutert.
Eine Vorrichtung 111 zur Energieversorgung eines Sensors 21, wie sie entsprechend dem Stand der Technik beispielsweise zum Einsatz kommen würde, ist in Fig. 11 beschrieben. Hierbei wird aus unterschiedlich hohen bzw. schwankenden Spannungen am Ausgang einer Energieversorgungseinrichtung 20, hier in Form einer Pickup-Coil, eine stabilisierte Betriebsspannung für die Sensorelektronik zur Verfügung gestellt. Über eine als Überspannungsschutz dienende Funkenstrecke 5 wird die Wechselspannung von der Pickup-Coil 20 an einen Gleichrichter 6 weitergegeben. Dieser richtet die Wechselspannung gleich und führt sie einem Glättungskondensator 112 zum Glätten zu und dieser wiederum einem linearen Spannungsregler 7. Dieser lineare Spannungsregler 7 stellt eine stabilisierte Versor¬ gungsspannung für die weiteren Komponenten im Funksensor 21 zur Verfügung. Mit steigenden Eingangsspannungen fallen auch immer höhere Verlustleistungen im linearen Spannungsregler 7 an. Wie oben bereits erwähnt besteht ein weiterer Nachteil im zulässigen Eingangsspannungsbereich. Das Verhältnis von maximaler zu mi¬ nimal möglicher Eingangsspannung liegt für übliche lineare Spannungsregler höchstens bei ca. 25:1. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Glättungskondensator 112 so ausgelegt sein muss, dass er der größten auftretenden Spannung nach dem Gleichrichter 6 standhält, wodurch sich eine entsprechend große Bauform und ein hoher Preis für den Kondensator 112 er- geben. Die Funkenstrecke 5 dient als Überspannungsschutz, z. B. bei Blitzeinschlägen. Eine Spannungsüberwachung/Reset- Vorrichtung 113 ist vorgesehen, um Signale 34, 35 zur Steue¬ rung an den Sensor 21 weiterzugeben, um Fehlfunktionen durch zu kleine Eingangsspannungen zu vermeiden und ein ordnungsge- mäßes Rücksetzen eines MikroControllers im Sensor 21 zu ge¬ währleisten. Diese Vorrichtung 113 schaltet auch den linearen Spannungsregler 7 bei zu niedrigen Eingangsspannungen ab.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung von Fig . 1.
Hier ist ebenfalls zum Schutz vor Überspannungen eine Funken¬ strecke 5 an den Ausgang der Energieversorgungseinrichtung 20 geschaltet. Die Energieversorgungseinrichtung 20 kann eine Pickup-Coil sein, die in den Figuren 6 bis 10 näher erläutert ist. Die von der Pickup-Coil 20 gelieferte Spannung wird über einen Gleichrichter 6 geführt. Im Gegensatz zu dem System der Fig. 11 folgt jedoch nicht ein Glättungskondensator, sondern die Schalteinrichtung 2 mit einem FET-Schalter 36, der ver- gleichsweise hohen Spannungen standhalten kann. Dieser FET- Schalter 36 wird über einen Transistor-Schalter 37 von einem eigenen MikroController 32 in der Steuereinrichtung 3 gesteu¬ ert und schaltet bei Bedarf die Ausgangsspannung des Gleich- richters 6 auf den Speicherkondensator 1. Dieser Speicherkon¬ densator 1 weist eine deutlich höhere Kapazität auf als der zuvor dargestellte Glättungskondensator 112 und kann somit für eine kurze Zeitspanne ausreichend Strom zum Betrieb des Sensors 21 liefern. Außerdem ist der Speicherkondensator 1 hochstromfähig, d. h. er kann mit vergleichsweise hohen Strö¬ men geladen und entladen werden ohne Schaden zu nehmen. An dem Speicherkondensator 1 ist ein linearer Spannungsregler 7 angeschlossen, der für die Sensorelektronik 21 eine geregelte Versorgungsspannung zur Verfügung stellt.
Über den zugehörigen Analog-/Digital-Wandler 31 der Steuer¬ einrichtung 2 überwacht der Mikrocontroller 32 die Ladespan¬ nung am Speicherkondensator 1 und schaltet über den FET- Schalter 36 bei Unterschreiten einer unteren Grenze den Aus¬ gang des Gleichrichters 6 auf den Speicherkondensator 1 und trennt die Verbindung bei Überschreiten einer oberen Grenze wieder auf. Der Mikrocontroller 32 sowie der Analog-/Digital- Wandler (A/D-Wandler) 31 werden ebenfalls über die Spannung am Speicherkondensator 1 versorgt. Bausteine 8 zur Spannungs¬ überwachung, Reset-Erzeugung und Spannungsregelung sorgen für korrekte Betriebsbedingungen beim Mikrocontroller 32.
Da der Mikrocontroller 32 über den Analog-/Digitalwandler 31 stets den aktuellen Ladezustand des Speicherkondensators 1 ermitteln kann, kann er entsprechend dem Systemzustand die Signalleitungen „Reset" (34), „Power-Fail" (35) und auch den linearen Spannungsregler 7 für die Sensorelektronik 21 steu¬ ern .
Für den FET 36 kann beispielsweise ein N-Kanal MOSFET, Verar¬ mungstyp, eingesetzt werden. Vorteil hierbei ist, dass be¬ reits bei einer Gate-Source-Spannung von 0 V der FET 36 be¬ reits gut leitet. So ist sichergestellt, dass die Schaltung 10 nach dem Anliegen einer von der Pickup-Coil 20 gelieferten Spannung von alleine anläuft. Auch ohne eine aktive Stromver¬ sorgung des MikroControllers 32 fließt über den Gleichrichter 6 bereits ein Ladestrom in den Speicherkondensator 1. Ist ei- ne bestimmte Spannung erreicht, schalten die Bausteine 8 zur Spannungsüberwachung und Reset-Erzeugung den Mikrocontroller 32 ein und der Mikrocontroller 32 wird ordnungsgemäß zurück¬ gesetzt. Somit beginnt der Mikrocontroller 32 mit der Überwa- chung der Spannung am Speicherkondensator 1 und schaltet den FET-Schalter 36 ab, sobald eine obere Spannungsgrenze er¬ reicht wird. Ist die Spannung am Speicherkondensator 1 aus¬ reichend hoch, so werden der lineare Spannungsregler 7 für die Sensorelektronik 21 eingeschaltet und die Signale „Reset" (34) und „Power Fail" (36) entsprechend angesteuert.
Der Mikrocontroller 32 sorgt dafür, dass sich bei ausreichen¬ dem Energieeintrag die Spannung am Speicherkondensator 1 stets in einem festgelegten Spannungsbereich bewegt. Wird ei- ne untere Spannungsgrenze unterschritten, wird der Speicher¬ kondensator 1 wieder entsprechend nachgeladen. Die Entladung geschieht im Wesentlichen über den Laststrom durch die Sen¬ sorelektronik 21. Fällt nun die Versorgung über die Pickup-Coil 20 beispiels¬ weise aufgrund eines Stromausfalls gänzlich aus oder ist der Energieeintrag bei einem bestimmten Zustand der Starkstroman¬ lage zu niedrig, so kann dies vom Mikrocontroller 32 erkannt werden. Schaltet er den FET-Schalter 36 ein, und die Spannung am Speicherkondensator 1 steigt trotzdem nicht weiter an, so kann von einem Stromausfall oder einem zu niedrigen Energie¬ eintrag ausgegangen werden. In diesem Fall würde der Mikro¬ controller 32 dies über das Signal „Power Fail" (34) der Sen¬ sorelektronik 21 melden, bevor kurze Zeit später deren Ver- sorgungsspannung abgeschaltet wird. Somit steht noch eine ausreichende Zeitspanne zur Verfügung, um bestehende Messda¬ ten und die Information über den Stromausfall bzw. den zu niedrigen Energieeintrag an eine übergeordnete Einheit zu übermitteln .
Der jeweils aktuelle Systemzustand hängt sehr stark mit der Spannung am Speicherkondensator 1 zusammen. So werden zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Stromversorgung in Fig. 3 verschiedene Bereiche der Spannung am Speicherkondensator 1 entsprechenden Systemzustände zugeordnet. Zusätzlich ist für jeden Systemzustand angegeben, was diesen Zustand kennzeich¬ net und wie der MikroController 32 die Steuerleitungen zu den anderen Komponenten entsprechend dem jeweiligen Systemzustand schaltet .
Der Zustand Z6 „Abschaltung wegen Überspannung" tritt nur im Ausnahmefall auf, beispielsweise wenn der FET-Schalter 36 den Speicherkondensator 1 nicht ordnungsgemäß von der Spannungs¬ quelle 20 abgetrennt hat oder wenn aufgrund eines Blitzein¬ schlages in die Anlage ein sehr hoher Energiepuls auf den Eingang der Stromversorgungselektronik 10 gelangt ist. Hier soll die Sensorelektronik 21 durch ein komplettes Abschalten geschützt werden.
Auf der y-Achse der Fig. 3 ist die Spannung am Speicherkon¬ densator 1 gezeigt. Zwischen einer Spannung von 0V und einem Schwellwert SWl befindet sich das System 100 in einem Zustand ZI. Zustand ZI bezieht sich auf eine Unterspannung des Spei¬ cherkondensators 1. Hierbei ist der Spannungsregler 7 für die Sensorelektronik 21 aus. Das Reset-Signal 34 steht auf lo¬ gisch „0", also aktiv. Das Power-Fail-Signal 35 ist ebenfalls logisch „0", also aktiv. Der FET-Schalter 36 ist auf
niederohmig geschaltet.
Zwischen dem Schwellwert SWl und einem Schwellwert SW2 befin¬ det sich das System 100 in einem Zustand Z2, der als „Power- Fail" bezeichnet wird. Hierbei ist der Spannungsregler 7 ein- geschaltet, das Reset-Signal ist auf logisch „1" geschaltet, also deaktiviert. Das Power-Fail-Signal 35 ist auf logisch „0" geschaltet, also aktiv. Der FET-Schalter 36 ist auf niederohmig geschaltet. Zwischen dem Schwellwert SW2 und einem Schwellwert SW3 befin¬ det sich das System 100 in einem Zustand Z3, der als „Laden beginnen" bezeichnet wird. Der Spannungsregler 7 ist hierbei eingeschaltet. Das Reset-Signal 34 befindet sich bei logisch „1", ist also deaktiviert. Das Power-Fail-Signal 35 befindet sich bei logisch „1" und ist somit deaktiviert. Der FET- Schalter 36 ist auf niederohmig geschaltet. Zwischen dem Schwellwert SW3 und einem Schwellwert SW4, in dem sich der Arbeitsbereich A des Systems im normalen Betrieb befindet, befindet sich das System 100 in einem Zustand Z4, der als „Laden/Entladen fortsetzen" bezeichnet wird. Der Spannungsregler 7 ist hierbei eingeschaltet. Das Reset-Signal 34 ist auf logisch „1" geschaltet und somit deaktiviert. Da
Power-Fail-Signal 35 ist ebenfalls auf logisch „1" geschaltet und somit ebenfalls deaktiviert. Der Schalter 36 ist bei dem Zustand „Laden" auf niederohmig geschaltet und beim Zustand „Entladen" auf hochohmig geschaltet.
Zwischen dem Schwellwert SW4 und einem Schwellwert SW5 befin¬ det sich das System 100 in einem Zustand Z5, der als „Entla¬ den beginnen" bezeichnet wird. Der Spannungsregler 7 ist hierbei eingeschaltet. Das Reset-Signal 34 ist auf logisch „1" geschaltet und somit deaktiviert. Das Power-Fail-Signal
35 ist hierbei auf logisch „1" geschaltet und somit ebenfalls deaktiviert. Der FET-Schalter 36 ist hochohmig geschaltet.
Über dem Schwellwert SW5 befindet sich das System 100 in ei- nem Zustand Z6, der als „Abschaltung gegen Überspannung" be¬ zeichnet wird. Der Spannungsregler 7 ist hierbei ausgeschal¬ tet. Das Reset-Signal 34 ist auf logisch „0" geschaltet und somit aktiv. Das Power-Fail-Signal ist ebenfalls auf logisch „0" geschaltet und somit aktiv. Der FET-Schalter 36 ist ho- chohmig geschaltet.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung von Fig. 2. Hier wird durch eine weitere Maßnahme ein noch größerer Eingangsspannungsbereich abgedeckt. Die Stromversor- gung kann sich an mehrere verschiedene Wicklungen 20, 40, 41 der Pickup-Coil anschalten. Die Wicklungen 20, 40, 41 unter¬ scheiden sich in der Windungszahl und unter Umständen auch im Innenwiderstand (Wirkwiderstand, Blindwiderstand) . Die Pi- ckup-Coil kann auch so ausgeführt sein, dass sie nur eine Wicklung enthält und mehrere Zwischen-Anzapfungen dieser Wicklung herausgeführt sind. Die Wicklungen 40 und 41 stellen alternative oder zusätzliche Energieversorgungseinrichtungen zu der Wicklung 20 dar.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 10 ist prinzipiell die gleiche wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben, nur wird hier im normalen Betrieb nach Unterschreiten einer unteren Schwelle Sw3 von Fig. 3 zunächst die Wicklung mit dem nied¬ rigsten Energieeintrag an den Speicherkondensator 1 geschal¬ tet. Steigt dessen Ladespannung daraufhin an, so bleibt es bei diesem Schalt zustand, bis eine obere Schwelle Sw4 in Fig. 3 erreicht ist und der Ladevorgang beendet wird. Steigt die Ladespannung nach dem Aufschalten der Stromversorgung auf die Wicklung mit dem niedrigsten Energieeintrag hingegen nicht an, so schaltet sich die Stromversorgung auf eine Wicklung mit einem höheren Energieeintrag auf. Steigt nun die Lade¬ spannung an, so verbleibt der Schalt zustand, andernfalls wird wiederum auf eine Wicklung mit noch höherem Energieeintrag aufgeschaltet . In der Regel wird es sich so verhalten, dass die Wicklungen mit einer höheren Windungszahl auch einen hö¬ heren Energieeintrag liefern. Um die Mehrzahl von Wicklungen 20, 41, 42 zu verarbeiten, weist die Vorrichtung eine zweite und dritte Funkenstrecke 42, 43, einen zweiten und dritten Gleichrichter 44, 45 sowie eine zweite und dritte Schalteinrichtung 46, 49 auf. Die zweite und dritte Schalteinrichtung 46, 49 weisen jeweils ei- nen FET 47, 50 sowie einen Transistor 48, 51 auf.
Anstelle des MikroControllers 32 und des Analog- /Digitalwandlers 31 kann auch eine Kombination aus Schwell¬ wertschalter 53 und einer entsprechenden Logik bzw. Ablauf- Steuerung 54 die Stromversorgung steuern, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Eine solche Vorrichtung 10 kann eine größere Ro¬ bustheit bereitstellen. Der SchwellwertSchalter 53 wird über ein Widerstandsnetzwerk 52 gesteuert. Durch die hier beschriebene Vorrichtung 10 für die Stromver¬ sorgung lässt sich das Verhältnis von maximaler zu minimal möglicher Eingangsspannung von max . ca. 25:1 bei bekannten Vorrichtungen auf mehr als 100:1 vergrößern. Wird, wie in
Fig. 4 dargestellt, zusätzlich zwischen mehreren verschiede¬ nen Wicklungen der Pickup-Coil 20,40, 41 umgeschaltet, so lässt sich dieses Verhältnis noch weiter erhöhen. Wie im Folgenden beschrieben, bietet sich oft eine getrennte Anordnung von Pickup-Coil und Sensor an. Bei der beschriebe¬ nen Vorrichtung 10 weist der FET-Schalter 36 nur zwei mögli¬ che Schalt zustände auf: ideal betrachtet offen oder geschlos¬ sen. Somit fällt am FET-Schalter 36 unabhängig vom Energie- eintrag stets nur eine geringe Verlustleistung ab. Auch am eingesetzten linearen Spannungsregler 7 zwischen Speicherkon¬ densator 1 und Sensor-Elektronik 21 fällt nur eine geringe Leistung ab, da die Eingangsspannung dieses Spannungsreglers 7 stets in einem begrenzten Bereich gehalten wird. So wird erreicht, dass in der gesamten Sensor-Elektronik 21 inklusive Stromversorgungsteil 10 auch bei großem Energieeintrag nur eine geringe Verlustleistung abfällt, was einen kompakten, gekapselten und preiswerten Aufbau des Sensors 21 ermöglicht. An der Pickup-Coil 20 fällt hingegen unter bestimmten Bedin¬ gungen eine höhere Verlustleistung ab, unter anderem auch ab¬ hängig vom Wirkwiderstand der Wicklung. Über den Wicklungswi¬ derstand usw. kann hier auch bewusst eine gewisse Auslegung vorgenommen werden, um beispielsweise den Ladestrom für den Speicherkondensator 1 zu begrenzen. Die Pickup-Coil 20 wird in der Praxis größer als der Sensor 21 und vergleichsweise robust ausgeführt sein, da sie außer der Spulenwicklung keine weiteren Elektronikkomponenten aufweist, wodurch eine stärke¬ re Erwärmung bei höherem Energieeintrag auch unproblematisch erscheint.
Ist die Pickup-Coil 20 vom Speicherkondensator 1 weggeschal¬ tet, so können an ihren Anschlüssen hohe Spannungen auftre- ten. Es müssen ausschließlich die Bauteile Gleichrichter 6 und FET-Schalter 36 diesen hohen Spannungen standhalten.
Durch eine kompakte Ausführung des Sensors 21 und durch nied¬ rige Verlustleistungen kann der Aufwand im Bereich
Gehäusetechnik und Kühlung deutlich reduziert werden.
Die Pickup-Coil 20 wird in der Regel nicht zusammen mit einem Kondensator in einem Schwingkreis betrieben. Dieser Kondensa¬ tor müsste je nach genutztem Frequenzbereich eine vergleichs- weise große Kapazität und zudem eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, was eine große Bauform und einen hohen Preis zur Folge hat. Auch wäre durch den Schwingkreis ein bestimmter, eng gefasster Frequenzbereich zur Energiegewinnung festge¬ legt, wobei in der Praxis oft ein breiteres Frequenzband zur Energiegewinnung genutzt werden soll. Auch ergibt sich durch die Trennung von Pickup-Coil 20 und Sensor 21 die Möglich¬ keit, über eine Pickup-Coil 20 mehrere Sensoren 21 gleichzei¬ tig mit Energie zu versorgen. Beispiele für eine Pickup-Coil 20 als Energieversorgungsein¬ richtung sind im Folgenden dargestellt.
Fig. 6 zeigt beispielhaft die Anordnung einer sogenannten Ro¬ gowski-Spule um einen Leiter 62 herum. Der durch den Stark- strom-Leiter 62 fließende Strom hat ein Magnetfeld um den
Leiter herum zur Folge. Zeitliche Änderungen des Stroms durch den Leiter 62 führen auch zu zeitlichen Änderungen der magne¬ tischen Feldstärke um den Leiter 62 herum, so dass elektri¬ sche Spannungen in die Spule, die aus einem Wickelkörper 63 und einem Kupferlackdraht 61 besteht, induziert werden. Über die Spule kann somit Energie zum Betrieb eines Sensors 21 ge¬ wonnen werden. Hierzu dienen die Anschlüsse 64 der Spule.
Zur Gewinnung elektrischer Energie für Sensoren 21 können ne- ben Starkstromleitungen aus Wechselspannungsnetzen auch
Starkstromleitungen aus Gleichstromnetzen dienen, sofern hier zeitliche Schwankungen des Stroms überlagert sind. Als Wickelkörper können nicht ferromagnetische Materialien eingesetzt werden oder auch Ferritringe. Bei Verwendung eines Ferritrings ergibt sich eine weitere Möglichkeit zum Schutz vor zu hohen Strömen durch den Leiter (und einen dadurch ver- ursachten zu hohen Energieeintrag in die Spule) . Dimensionie¬ rung und Ferritmaterial werden so gewählt, dass der Ferrit bei Überschreiten einer bestimmten magnetischen Feldstärke in Sättigung geht. So führt aufgrund von Sättigungseffekten eine weitere Erhöhung des Stromes durch den Leiter bzw. der magne- tischen Feldstärke ab einer gewissen Grenze nur noch zu einer geringfügigen Erhöhung des Leistungseintrags in die Spule. Bei Gleichstromnetzen muss hierbei beachtet werden, dass auch der Gleichanteil bei Strom bzw. Magnetfeld zur Sättigung des Ferritringes führen kann.
Fig. 7 zeigt eine weitere Variante einer Rogowski-Spule.
Hierbei ist die Spule 61 nicht gänzlich umlaufend um den Wi¬ ckelkörper 63 angeordnet. Ein Anschluss 64 der Spule wird nicht direkt herausgeführt, sondern verläuft entlang der Längsachse der Spule zurück zum Spulenanfang (65) . So wird ein Aufklappen (66) der Spule ermöglicht, um sie zur Montage über einen Starkstrom-Leiter klappen zu können, ohne diesen dazu abklemmen zu müssen. Eine weitere Variante ist Fig. 8 dargestellt. Bei Verwendung eines Ferritrings 67 kann die Spule 61 auch nur über einen Teilbereich des Ferritrings 67 gewickelt sein, was unter Um¬ ständen zu einer Vereinfachung des Aufbaus führen kann. Die Spule 61 kann so beispielsweise vorab maschinell auf einen KunstStoffträger gewickelt werden und anschließend auf einen (aufklappbaren) Ferritring 67 aufgesteckt werden.
Auch aus dem Magnetfeld innerhalb oder im Umfeld von Luftspu¬ len oder Transformatoren aus dem Bereich der Energietechnik kann elektrische Energie zum Betrieb von Sensoren 21 gewonnen werden. In Fig. 9 ist eine geeignete Anordnung 70 dafür dar¬ gestellt. Das magnetische Wechselfeld 71 durchdringt die Querschnittsfläche einer Spule 72, die auch als Pickup-Coil 70 bezeichnet wird und induziert elektrische Spannungen in die Spule.
Oft ist es zweckmäßig, Sensor 21 und die Spule 70 zur Ener- giegewinnung (Pickup-Coil ) räumlich getrennt zu halten. In
Fig. 10 ist beispielhaft eine entsprechende Anordnung 80 dar¬ gestellt .
Überwacht werden soll hier der Strom durch die Anschlusslei- tung 86 einer Starkstrom-Luftspule . In der Fig. 10 ist der obere Bereich der Starkstrom-Luftspule entsprechend einem ty¬ pischen Aufbau erkennbar: Die Windungen 87 der Spule sind zy¬ linderförmig in einer Lage gewickelt und werden mit geeigne¬ ten Materialien vergossen. Diese zylindrische Spule wird senkrecht stehend von je einem Alu-Tragarm 81 oberhalb und unterhalb der Spule 87 getragen, und auch die elektrischen Anschlüsse werden über die Alu-Tragarme 81 vorgenommen. An den Alu-Tragarmen 81 sind sowohl die Enden der Spulen als auch die Starkstromanschlussleitungen 86 angeschlossen. In Fig. 10 sind der obere, gekreuzt angeordnete Satz Alu- Tragarme 81 und auch der Anschlusspunkt 86 für die Stark¬ stromleitung erkennbar. Um die Starkstromleitung herum ist in der Nähe des Anschlusspunktes ein Funksensor 21 angeordnet, der eine Einrichtung zur Strommessung, beispielsweise die oben beschriebene Rogowski-Spule aufweist. Der Funksensor 21 soll durch Energie aus dem magnetischen Wechselfeld 82 der Starkstrom-Luftspule 87 gespeist werden, weshalb die Pickup- Coil 70 unmittelbar im magnetischen Wechselfeld 82 der Spule 87 angeordnet ist. Zwischen der Pickup-Coil 70 und dem Funksensor 21 ist eine Leitung 83 vorgesehen. Der Funksensor 21 mit der Einrichtung zur Strommessung hingegen wird ein Stück von der Starkstrom-Luftspule 87 entfernt angeordnet, damit das diese Spule umgebende starke magnetische Wechsel¬ feld 82 die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Strommessung nicht zu stark beeinflusst.
Ein weiterer Grund für eine räumliche Trennung zwischen Pi- ckup Coil 70 und der Sensoreinheit 21 kann die Möglichkeit sein, über eine Pickup-Coil 70 mehrere Sensoren zu speisen, die an verschiedenen Punkten der Starkstromluftspule 87 ange¬ bracht sind. So könnte beispielsweise zusätzlich ein Funksen¬ sor zur Messung der Temperatur an einer bestimmten Stelle der Starkstrom-Luftspule 87 angebracht sein. Es wäre auch denk¬ bar, dass für diesen Zweck im Gehäuse der Pickup-Coil 70 meh¬ rere Wicklungen eingebracht werden, die zur Versorgung unter¬ schiedlicher Sensoren dienen können. Diese Wicklungen können auch unterschiedlich ausgelegt sein, um Sensoren 21 mit un- terschiedlichem Energiebedarf zu versorgen.
Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Versorgen eines Sensors mit Energie. Hierbei wird in einem ersten Schritt 201 ein aktueller Lade¬ zustand des Speicherkondensators 1 zur Speicherung von Ener¬ gie ermittelt.
In einem zweiten Schritt 202 wird ein erstes Steuersignal an die Schalteinrichtung 2 zum Koppeln des Speicherkondensators 1 mit der Energieversorgungseinrichtung 20 gesendet, wenn der aktuelle Ladezustand einen ersten Schwellwert unterschreitet. In einem dritten Schritt 203 wird ein zweites Steuersignal an die Schalteinrichtung 2 zum Entkoppeln des Speicherkondensa- tors 1 von der Energieversorgungseinrichtung 20 gesendet, wenn der aktuelle Ladezustand einen zweiten Schwellwert über¬ schreitet .
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zum Versorgen eines Sensors (21) mit Energie, mit:
einem Speicherkondensator (1) zur Speicherung von Ener¬ gie, wobei der Speicherkondensator (1) mit einer Energiever¬ sorgungseinrichtung (20) koppelbar ist und dazu eingerichtet ist, den Sensor (21) mit Energie zu versorgen,
einer Schalteinrichtung (2) zum Koppeln des Speicherkon- densators (1) mit der Energieversorgungseinrichtung (20) und Entkoppeln des Speicherkondensators (1) von der Energiever¬ sorgungseinrichtung (20), und
einer Steuereinrichtung (3) , die mit der Schalteinrich¬ tung (2) gekoppelt ist und die dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung des Sensors (21) zu steuern,
wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, einen aktuellen Ladezustand des Speicherkondensators (1) zu ermitteln und, wenn der aktuelle Ladezustand einen ersten Schwellwert unterschreitet, ein erstes Steuersignal an die Schalteinrichtung (2) zu senden, um den Speicherkondensator (1) mit der Energieversorgungseinrichtung (20) zu koppeln, und wenn der aktuelle Ladezustand einen zweiten Schwellwert überschreitet, ein zweites Steuersignal an die Schalteinrich¬ tung (2) zu senden, um den Speicherkondensator (1) von der Energieversorgungseinrichtung (20) zu entkoppeln.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Schwellwert kleiner als der zweite Schwellwert ist.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schalteinrichtung (2) einen Feldeffekttransistor (36) aufweist.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (2) einen vorgeschalteten Transis¬ tor (37) aufweist, um den Feldeffekttransistor (36) zu steu¬ ern .
5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (3) einen MikroController (34) aufweist .
6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (3) eine Logik-Ablauf-Steuerung (53) aufweist.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Logik-Ablauf-Steuerung (53) über einen Schwellwert¬ schalter (52) mit dem Speicherkondensator (1) verbunden ist.
8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, einen Ausfall der Energieversorgungseinrichtung (20) zu detektieren und ein Fehlersignal (35) im Fall eines detektierten Ausfalls an den Sensor (21) zu senden.
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 8,
gekennzeichnet durch,
eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen (2, 46, 49), die je- weils dazu eingerichtet sind, basierend auf dem ersten Steu¬ ersignal der Steuereinrichtung (3) den Speicherkondensator (1) mit der Energieversorgungseinrichtung (20) zu koppeln und basierend auf dem zweiten Steuersignal den Speicherkondensa¬ tor (1) von der Energieversorgungseinrichtung (20) zu entkop- peln.
10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch, eine Mehrzahl von Energieversorgungseinrichtungen (20, 40, 41) aufweist, die jeweils mittels einer der Mehrzahl von Schalteinrichtungen (2, 46, 49) mit dem Speicherkondensator (1) koppelbar sind.
11. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Eingang der Vorrichtung (10) über eine Funkenstrecke vor Überspannungen geschützt wird.
12. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 11, gekennzeichnet durch einen Spannungsregler (7), der dazu ein¬ gerichtet ist, den Speicherkondensator (1) mit dem Sensor (21) zu verbinden und die Energie zu übertragen.
13. Sensor (21) mit einer Vorrichtung (10) zum Versorgen des Sensors (21) mit Energie gemäß einem der Ansprüche 1 - 12.
14. Sensor (21) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass Betriebsparameter zumindest einer Komponente eines Sys¬ tems, insbesondere eines Starkstromtechnik-Systems, erfasst werden .
15. Verfahren zum Versorgen eines Sensors (21) mit Energie, mit :
Ermitteln (201) eines aktuellen Ladezustands eines Spei¬ cherkondensators (1) zur Speicherung von Energie, wobei der Speicherkondensator (1) mit einer Energieversorgungseinrich- tung (20) koppelbar ist und dazu eingerichtet ist, den Sensor (21) mit Energie zu versorgen,
Senden (202) eines ersten Steuersignals an eine Schalt¬ einrichtung (2) zum Koppeln des Speicherkondensators (1) mit der Energieversorgungseinrichtung (20), wenn der aktuelle La- dezustand einen ersten Schwellwert unterschreitet, und
Senden (203) eines zweiten Steuersignals an die Schalt¬ einrichtung (2) zum Entkoppeln des Speicherkondensators (1) von der Energieversorgungseinrichtung (20), wenn der aktuelle Ladezustand einen zweiten Schwellwert überschreitet.
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