本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于過程自動(dòng)化中的用于從終端側(cè)向傳感器側(cè)傳輸功率的電子電路。本發(fā)明還涉及這種電路的應(yīng)用。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包括這種電路的測(cè)量設(shè)備。此外，本發(fā)明涉及用于從終端側(cè)向傳感器側(cè)傳輸功率的方法。

現(xiàn)有技術(shù)

將在具有發(fā)射器的終端側(cè)和具有傳感器的傳感器側(cè)之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，對(duì)基于本發(fā)明的問題進(jìn)行解釋。

通常，電纜連接到發(fā)射器以將其連接到傳感器。經(jīng)常通過插入連接，借助于例如，電流解耦的尤其是感應(yīng)接口，進(jìn)行電纜和傳感器之間的連接。這樣，電信號(hào)可以以無接觸方式進(jìn)行傳輸。這種電流隔離的結(jié)果是，關(guān)于腐蝕保護(hù)，電位隔離，預(yù)防機(jī)械磨損和連接器斷裂等的好處都是可見的。申請(qǐng)人以“Memosens”為標(biāo)志對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行銷售。其他類似設(shè)計(jì)，例如，Knick公司的“Memosens”，Mettler Toledo的“ISM”，Hamilton的”ARC”系統(tǒng)，以及Krohne的“SMARTSENS”。

前述感應(yīng)接口一般通過這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有借助于例如前述插入連接插入彼此的兩個(gè)線圈。典型地，對(duì)(兩個(gè)方向上的)數(shù)據(jù)和(從終端側(cè)到傳感器側(cè)的)能量這二者進(jìn)行傳輸。這樣做，能量必須高到足以為所連接的傳感器提供充足的能量并因此確保長期的測(cè)量操作。

這種無接觸能量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題在于工業(yè)環(huán)境中的苛刻的操作和環(huán)境條件。這種需求具有的效應(yīng)為作為環(huán)境條件(溫度、空氣濕度等)的結(jié)果的必須規(guī)定的部件(線圈的感應(yīng)系數(shù)等)的容差范圍尤其寬。會(huì)出現(xiàn)-20℃到135℃的溫度范圍。如果組件，例如，被設(shè)計(jì)用于消毒醫(yī)用設(shè)備的典型溫度下(典型地高于120℃)，那么用于這些組件的線圈在高溫下必須，例如，期望具有顯著地修改的感應(yīng)系數(shù)值。

關(guān)于容差，尤其要指出的是耦合變壓器，其將終端側(cè)上的線圈與傳感器側(cè)上的線圈進(jìn)行感應(yīng)耦合或形成具有這兩個(gè)耦合線圈的變壓器。在這種耦合系統(tǒng)中，兩個(gè)配合線圈的機(jī)械配對(duì)是決定性的，感應(yīng)耦合的寬離散可能導(dǎo)致關(guān)于傳輸行為的問題。

解決這個(gè)問題的一個(gè)可能性就是調(diào)節(jié)從終端側(cè)向傳感器側(cè)傳輸?shù)墓β剩沟迷诟鞣N環(huán)境條件和干擾下都有足夠的功率提供給傳感器。然而，這可能導(dǎo)致超出最大允許總功耗。此外，通常要傳輸太多不需要的功率。

解決這個(gè)問題的另一個(gè)可能性包括附加溫度補(bǔ)償元件。通過這種方式可以補(bǔ)償感應(yīng)耦合的溫度行為。從而提高傳感器側(cè)電源的穩(wěn)定性。盡管這樣，這種措施還是不能抵消全部的環(huán)境條件和干擾。如果傳感器負(fù)載太高還是會(huì)出現(xiàn)總功率超出的情況。

利用解決這個(gè)問題的另一個(gè)可能性，感應(yīng)耦合的功耗取決于終端側(cè)，因此將耦合調(diào)節(jié)到相應(yīng)的目標(biāo)值。利用這種方法，感應(yīng)耦合的總功耗能夠保持恒定。然而，取決于傳感器的類型，并且在前述環(huán)境條件和干擾下，傳遞給傳感器的功率仍然波動(dòng)。

然而，前面提到的解決方案沒有一個(gè)能夠使提供給傳感器的功率在全部環(huán)境條件和干擾下保持恒定。部分地，必須提供顯著的能量儲(chǔ)備，其接下來不可用于實(shí)際用途，即，感測(cè)傳感器電子器件的測(cè)量值。此外，不能夠保證終端側(cè)上提供的功率也實(shí)際可用于傳感器。所有已知的和前面提到的拓?fù)涠疾荒転閭鞲衅魈峁┢鋵?shí)際所需的功率?？紤]到所有的干擾變量，傳感器的特殊需要沒有被加以考慮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于如下目的，提供一種電路和方法，其確保在全部環(huán)境條件和干擾的情況下提供給傳感器的功率保持恒定。

該目的通過一種電路來實(shí)現(xiàn)，該電路用于將功率從終端側(cè)提供給具有傳感器的傳感器側(cè)，終端側(cè)包括第一感應(yīng)接口，包括控制器的第一智能單元，以及用于傳輸作為校正變量的功率的源，以及傳感器側(cè)包括與第一接口對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)接口，其中第一接口和第二接口被設(shè)計(jì)成傳輸功率，用于測(cè)量作為控制變量的第二接口處的功率的功率測(cè)量電路，以及第二智能單元，其根據(jù)作為參考變量的傳感器特定目標(biāo)功率確定第二接口處的功率的控制偏差并將控制偏差通信至第一智能單元，其中，通過增加或減小功率，控制器利用源使得控制偏差最小化。

現(xiàn)在傳感器是控制環(huán)路的有源部件。因此，確定出現(xiàn)的測(cè)量偏差，即，在傳感器中，其中控制環(huán)路中所有的干擾變量都被考慮。從而排除了作為干擾變量的傳感器負(fù)載。例如，在傳感器側(cè)上的電源單元中，功率損耗被最小化。通過這種方式，更多的功率可用于傳感器的測(cè)量任務(wù)。由于在傳感器側(cè)上獲得了恒定條件，所以能夠提高通信質(zhì)量。

在一個(gè)實(shí)施例中，源被設(shè)計(jì)成電壓源。此外，在實(shí)施例中，可代替功率對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。所傳輸?shù)碾妷阂虼藶樾Ｕ兞俊?/p>

優(yōu)選地，電子電路還在終端側(cè)和傳感器側(cè)之間傳遞數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，第一接口和第二接口被設(shè)計(jì)成傳遞數(shù)據(jù)，其中電子電路利用幅移鍵控傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

在一個(gè)優(yōu)勢(shì)改進(jìn)中，電子電路包括在終端側(cè)上的調(diào)制器，其將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制到其輸出上。

在另一優(yōu)勢(shì)實(shí)施例中，控制器在發(fā)送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)暫停其控制介入。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，電子電路包括在終端側(cè)上的限制器，其將被傳輸?shù)淖畲蠊β氏拗频阶畲笾?。這個(gè)最大值確保終端元件側(cè)上的功率限制不會(huì)被超出，這可能會(huì)由于例如故障通信、有缺陷的電子設(shè)備等出現(xiàn)。

優(yōu)勢(shì)的是，第一智能單元就限制器限制將被傳輸?shù)墓β氏虻诙悄軉卧M(jìn)行通信。如果限制器限制給傳感器的功率，則它能夠利用其自己的通信將此通信至傳感器。因此，傳感器能夠相應(yīng)地進(jìn)行響應(yīng)，即，例如通過降低測(cè)量頻率來減小所需功率。

在優(yōu)選實(shí)施例中，限制器的最大值是可變且可調(diào)的，第一智能單元調(diào)節(jié)該最大值。最大值可以是，例如，通過上級(jí)單元進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，取決于需求，傳感器能夠被設(shè)置在較高運(yùn)行點(diǎn)。

優(yōu)選地，作為參考變量的目標(biāo)功率也是可變且可調(diào)的。通過這種方式，由于較高的測(cè)量頻率也意味著較高的功耗，所以例如可以實(shí)現(xiàn)具有不同測(cè)量頻率的各種傳感器類別。

該目的進(jìn)一步通過在過程自動(dòng)化中采用上面所述的電子電路來實(shí)現(xiàn)。

該目的進(jìn)一步通過過程自動(dòng)化的傳感器裝置來實(shí)現(xiàn)，該傳感器裝置包括上面所述的電子電路。

優(yōu)選地，傳感器裝置包括包括終端側(cè)的終端元件和包括傳感器側(cè)的尤其是傳感器的用電設(shè)備，其中終端元件通過第一接口和第二接口連接到用電設(shè)備。

該目的還通過用于從終端側(cè)向具有傳感器的傳感器側(cè)傳輸功率的方法來實(shí)現(xiàn)，所述方法包括步驟：傳輸功率，測(cè)量傳感器側(cè)的功率，確定該功率和傳感器側(cè)上的目標(biāo)功率之間的偏差，將該偏差通信至終端側(cè)，使終端側(cè)上的該偏差最小化。

在一個(gè)優(yōu)勢(shì)實(shí)施例中，該方法還包括步驟：如果待傳輸?shù)墓β矢哂谧畲笾?，則將待傳輸?shù)墓β氏拗圃谧畲笾怠?/p>

附圖說明

參考下面的附圖對(duì)本發(fā)明作更加詳盡的解釋。附圖中示出：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置的概圖，以及

圖2是根據(jù)本發(fā)明的包括電子電路的控制電路的方框圖。

在附圖中，相同的特征標(biāo)記為相同的參考符號(hào)。

具體實(shí)施方式

首先解釋的是，根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置10包括傳感器1和終端元件11。傳感器裝置10在圖1中示出。傳感器1與上級(jí)單元20通過接口3進(jìn)行通信。在示例中，發(fā)射器被連接。發(fā)射器依次連接到控制系統(tǒng)(未示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器1直接與控制系統(tǒng)通信。電纜31在傳感器側(cè)上連接到發(fā)射器20，其另一端包括與第一接口3互補(bǔ)的接口13。終端元件11包括與接口13在一起的電纜31。接口3，13被設(shè)計(jì)成電流隔離，尤其是作為能夠借助于機(jī)械插入連接相互耦合的感應(yīng)接口。機(jī)械插入連接是密封的，使得沒有像可被測(cè)量的介質(zhì)這樣的液體、空氣、或灰塵能從外面進(jìn)入。

通過接口3、13發(fā)送或傳輸數(shù)據(jù)(雙向)和能量(單向，即，從終端元件11到傳感器1)。傳感器裝置10主要用于過程自動(dòng)化中。

因此傳感器1包括至少一個(gè)用于感測(cè)過程自動(dòng)化的測(cè)量變量的傳感器元件4。傳感器1可以是pH傳感器之類并且也可以是通常為離子選擇傳感器的ISFET，用于具有各自適當(dāng)?shù)臏y(cè)量變量的、氧化還原電位的，在介質(zhì)中例如具有UV，IR和/或可見范圍內(nèi)的波長的電磁波的吸收的，氧氣的，導(dǎo)電性的，混濁度的，非金屬材料的濃度的，或者溫度的測(cè)量的傳感器。

傳感器1還包括第一耦合體2，其包括第一接口3。如所提到的，第一接口3被設(shè)計(jì)為將取決于測(cè)量變量的值發(fā)送到第二接口13。傳感器1包括處理測(cè)量變量的值的數(shù)據(jù)處理單元μCS，例如，微處理器，其例如，將測(cè)量變量轉(zhuǎn)換成另一數(shù)據(jù)格式。這樣，數(shù)據(jù)處理單元μCS就可以執(zhí)行平均化，預(yù)處理，以及數(shù)字轉(zhuǎn)換。

傳感器1可通過接口3，13連接到終端元件11并最終連接到上級(jí)單元20。上級(jí)單元20例如是如上面所提到的發(fā)射器或控制站。數(shù)據(jù)處理單元μCS將取決于測(cè)量值(即，傳感器元件4的測(cè)量信號(hào))的值轉(zhuǎn)換成發(fā)射器或控制站可理解的協(xié)議。這方面的示例例如為專用Memosens協(xié)議或HART，無線HART，Modbus，Profibus Fieldbus，WLAN，ZigBee，Bluetooth，或RFID。這種轉(zhuǎn)換也可以在單獨(dú)的通訊單元而不是數(shù)據(jù)處理單元中進(jìn)行，其中通訊單元設(shè)置在傳感器1側(cè)或終端元件11側(cè)上。所提到的協(xié)議還包括無線協(xié)議，使得相應(yīng)的通訊單元包括無線模塊。第一和第二接口3，13因此被設(shè)計(jì)成在傳感器1和上級(jí)單元20之間進(jìn)行雙向通信。如上面提到的，除通信之外，第一和第二接口3，13還確保傳感器1的能量供應(yīng)。

終端元件11包括第二接口13，其中第二接口13被設(shè)計(jì)成與第一接口3互補(bǔ)。終端元件11還包括數(shù)據(jù)處理單元μCA。數(shù)據(jù)處理單元μCA可被用作信號(hào)發(fā)送的轉(zhuǎn)發(fā)器。此外，數(shù)據(jù)處理單元μCA能夠?qū)f(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換或修改。例如，專用協(xié)議中的數(shù)據(jù)能夠從傳感器1傳輸?shù)浇K端元件11，而終端元件11側(cè)上的數(shù)據(jù)處理單元μCA將這種協(xié)議轉(zhuǎn)換成總線協(xié)議(如上面看到的)。終端元件11包括將數(shù)據(jù)調(diào)制到其輸出上的調(diào)制器14。調(diào)制器14例如可以被設(shè)計(jì)成負(fù)載調(diào)制器?？商鎿Q地，數(shù)據(jù)處理單元μCA也可以對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。該數(shù)據(jù)利用幅移鍵控進(jìn)行傳輸。

終端元件11還包括第二圓柱耦合體12，其被設(shè)計(jì)成與第一耦合體2互補(bǔ)并且能夠通過套筒狀端部滑動(dòng)到第一耦合體2上，由此將第二接口13插入到第一接口3中。不需要任何創(chuàng)造性勞動(dòng)可以進(jìn)行相反的構(gòu)造，其中第二接口13被設(shè)計(jì)成套筒狀，第一接口3是插頭狀。

圖2示出了包括根據(jù)本發(fā)明的電子電路50的控制電路的方框圖。此處，電子電路50包括傳感器1和終端元件11兩側(cè)上的部件。

對(duì)控制電路的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要介紹。將控制變量y(實(shí)際值)與參考變量w(目標(biāo)值)進(jìn)行比較，這種情況下的控制變量y是傳感器1側(cè)的功率，這種情況下的參考變量w是傳感器1實(shí)際需要的功率。作為實(shí)際值和目標(biāo)值之間差的控制偏差e(此處所示的控制差值e＝w-yM)被傳送到控制器R，由此根據(jù)控制電路所期望的時(shí)間行為產(chǎn)生校正變量u。致動(dòng)器，通常為例如被設(shè)計(jì)成終端元件11側(cè)上的電壓源Q的源，可以是控制器R的部件，但也可以被設(shè)計(jì)成與其分開。校正變量通常被標(biāo)記為“u”，并且在致動(dòng)器Q后的信號(hào)序列中標(biāo)記為“uQ”。干擾變量d影響控制路徑。測(cè)量元件M可以包括時(shí)間延遲，測(cè)量元件M在這種情況下是用于測(cè)量傳感器1側(cè)上的功率的電路，時(shí)間延遲也必須被考慮進(jìn)快速控制路徑中。這旨在使控制偏差e最小化。

干擾變量d包括來自理想狀況下的全部可能發(fā)生的干擾，例如接口3，13的距離，溫度，設(shè)計(jì)，部件容差等。

測(cè)量元件M是用于測(cè)量功率的電路，例如組合的電壓和電流測(cè)量。測(cè)量元件M之后的控制變量y被標(biāo)記為“yM”。

源Q，例如電壓源，被設(shè)計(jì)成例如逆變器。在一個(gè)實(shí)施例中，源Q被設(shè)計(jì)成等級(jí)E放大器。

在傳感器1側(cè)上的第二智能單元μCS或功率測(cè)量電路M連續(xù)確定感應(yīng)耦合3的功率輸出并將其與其自身獨(dú)特的(傳感器專用)目標(biāo)值w進(jìn)行比較。由此產(chǎn)生的控制偏差e利用通信協(xié)議被傳輸?shù)浇K端元件11側(cè)上的第一智能單元μCA。數(shù)據(jù)處理單元μCA通過控制器R對(duì)由源Q和感應(yīng)耦合13組成的控制路徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得控制偏差e被最小化到較小值，最好情況下到零。

現(xiàn)在，傳感器是控制環(huán)路的有源部件。因此，確定出現(xiàn)的測(cè)量偏差，即，在傳感器1中，并且在控制環(huán)路中考慮全部干擾變量d。這樣做可以消除作為干擾變量的傳感器負(fù)載。使例如傳感器1側(cè)上的功率供應(yīng)單元中的功率損耗最小化。通過這種方式，使更多的功率可用于傳感器1的測(cè)量任務(wù)。由于在傳感器1側(cè)獲得了恒定條件，所以能夠提高通信質(zhì)量。

可以對(duì)每個(gè)傳感器或每種傳感器的目標(biāo)值w單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在第一實(shí)施例中，目標(biāo)值w被永久存儲(chǔ)在傳感器1中。更精確來說，目標(biāo)值w被存儲(chǔ)在智能單元μCS中。在第二實(shí)施例中，目標(biāo)值w通過上級(jí)單元20進(jìn)行調(diào)節(jié)并且在智能單元μCS中進(jìn)行相應(yīng)改變。然而，在可改變目標(biāo)值w的情況下，具有例如設(shè)置在傳感器的引導(dǎo)階段(boot phase)中的“標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)值”。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)值也可以用作在誤差情況下使用的目標(biāo)值。

上級(jí)單元20可以，例如，從數(shù)據(jù)庫中檢索目標(biāo)值w并且基于傳感器1的唯一身份對(duì)其進(jìn)行通信。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)傳感器1都存在若干目標(biāo)值。通過這種方式，可以將各種類別的傳感器集成在一個(gè)傳感器中。例如，傳感器類別可以具有不同的測(cè)量值確定頻率，例如，0.3Hz，1Hz，或3Hz。這是因?yàn)闇y(cè)量進(jìn)行的越頻繁，功耗越高。取決于終端元件11，上級(jí)單元20，或如用戶所期望的，可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

此外，控制環(huán)路包括限制器B。其用于確保終端元件11側(cè)上的功率限制不超過例如15mW，這可能例如由故障通信，有缺陷的電子設(shè)備等所導(dǎo)致。如果限制器B限制到傳感器1的功率，那么它能夠利用其自身的通信將其通信至傳感器1。通過這種方式，傳感器1可以例如通過減小測(cè)量值確定頻率進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)。通過終端元件11側(cè)上的第一智能單元μCA可對(duì)功率極限進(jìn)行變化和調(diào)節(jié)。通過第一智能單元μCA對(duì)功率極限的調(diào)節(jié)與已經(jīng)在上面解釋的目標(biāo)值W相同的方式進(jìn)行，其通過第二智能單元μCS進(jìn)行調(diào)節(jié)。

參考標(biāo)記列表

1 傳感器

2 第一耦合體

3 第一接口

4 傳感器元件

10 傳感器裝置

11 終端元件

12 第二耦合體

13 第二接口

14 調(diào)制器

20 上級(jí)單元

31 電纜

50 電子電路

e 控制偏差

u 校正變量(通常)

uQ 校正變量

w 參考變量

y 控制變量

yM M之后的控制變量

B 限制器

M 功率測(cè)量

R 控制器

μCA 11中的智能單元

μCS 1中的智能單元