本發(fā)明涉及一種應用于過程自動化中的用于從終端側向傳感器側傳輸功率的電子電路。本發(fā)明還涉及這種電路的應用。本發(fā)明進一步涉及一種包括這種電路的測量設備。此外，本發(fā)明涉及用于從終端側向傳感器側傳輸功率的方法。

現有技術

將在具有發(fā)射器的終端側和具有傳感器的傳感器側之間的能量和數據傳輸的基礎上，對基于本發(fā)明的問題進行解釋。

通常，電纜連接到發(fā)射器以將其連接到傳感器。經常通過插入連接，借助于例如，電流解耦的尤其是感應接口，進行電纜和傳感器之間的連接。這樣，電信號可以以無接觸方式進行傳輸。這種電流隔離的結果是，關于腐蝕保護，電位隔離，預防機械磨損和連接器斷裂等的好處都是可見的。申請人以“Memosens”為標志對這種系統(tǒng)進行銷售。其他類似設計，例如，Knick公司的“Memosens”，Mettler Toledo的“ISM”，Hamilton的”ARC”系統(tǒng)，以及Krohne的“SMARTSENS”。

前述感應接口一般通過這樣的系統(tǒng)實現，該系統(tǒng)具有借助于例如前述插入連接插入彼此的兩個線圈。典型地，對(兩個方向上的)數據和(從終端側到傳感器側的)能量這二者進行傳輸。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量操作。

這種無接觸能量和數據傳輸的難題在于工業(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為作為環(huán)境條件(溫度、空氣濕度等)的結果的必須規(guī)定的部件(線圈的感應系數等)的容差范圍尤其寬。會出現-20℃到135℃的溫度范圍。如果組件，例如，被設計用于消毒醫(yī)用設備的典型溫度下(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系數值。

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

解決這個問題的一個可能性就是調節(jié)從終端側向傳感器側傳輸的功率，使得在各種環(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。

解決這個問題的另一個可能性包括附加溫度補償元件。通過這種方式可以補償感應耦合的溫度行為。從而提高傳感器側電源的穩(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。如果傳感器負載太高還是會出現總功率超出的情況。

利用解決這個問題的另一個可能性，感應耦合的功耗取決于終端側，因此將耦合調節(jié)到相應的目標值。利用這種方法，感應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。

然而，前面提到的解決方案沒有一個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備，其接下來不可用于實際用途，即，感測傳感器電子器件的測量值。此外，不能夠保證終端側上提供的功率也實際可用于傳感器。所有已知的和前面提到的拓撲都不能為傳感器提供其實際所需的功率?？紤]到所有的干擾變量，傳感器的特殊需要沒有被加以考慮。

技術實現要素：

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現，該電路用于將功率從終端側提供給具有傳感器的傳感器側，終端側包括第一感應接口，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，以及傳感器側包括與第一接口對應的第二感應接口，其中第一接口和第二接口被設計成傳輸功率，用于測量作為控制變量的第二接口處的功率的功率測量電路，以及第二智能單元，其根據作為參考變量的傳感器特定目標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。

現在傳感器是控制環(huán)路的有源部件。因此，確定出現的測量偏差，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載。例如，在傳感器側上的電源單元中，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量任務。由于在傳感器側上獲得了恒定條件，所以能夠提高通信質量。

在一個實施例中，源被設計成電壓源。此外，在實施例中，可代替功率對電壓進行調節(jié)。所傳輸的電壓因此為校正變量。

優(yōu)選地，電子電路還在終端側和傳感器側之間傳遞數字數據，第一接口和第二接口被設計成傳遞數據，其中電子電路利用幅移鍵控傳輸數字數據。

在一個優(yōu)勢改進中，電子電路包括在終端側上的調制器，其將數字數據調制到其輸出上。

在另一優(yōu)勢實施例中，控制器在發(fā)送數字數據時暫停其控制介入。

在另一優(yōu)選實施例中，電子電路包括在終端側上的限制器，其將被傳輸的最大功率限制到最大值。這個最大值確保終端元件側上的功率限制不會被超出，這可能會由于例如故障通信、有缺陷的電子設備等出現。

優(yōu)勢的是，第一智能單元就限制器限制將被傳輸的功率向第二智能單元進行通信。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，傳感器能夠相應地進行響應，即，例如通過降低測量頻率來減小所需功率。

在優(yōu)選實施例中，限制器的最大值是可變且可調的，第一智能單元調節(jié)該最大值。最大值可以是，例如，通過上級單元進行調節(jié)。因此，取決于需求，傳感器能夠被設置在較高運行點。

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

該目的進一步通過在過程自動化中采用上面所述的電子電路來實現。

該目的進一步通過過程自動化的傳感器裝置來實現，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的終端元件和包括傳感器側的尤其是傳感器的用電設備，其中終端元件通過第一接口和第二接口連接到用電設備。

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

在一個優(yōu)勢實施例中，該方法還包括步驟：如果待傳輸的功率高于最大值，則將待傳輸的功率限制在最大值。

附圖說明

參考下面的附圖對本發(fā)明作更加詳盡的解釋。附圖中示出：

圖1是根據本發(fā)明的傳感器裝置的概圖，以及

圖2是根據本發(fā)明的包括電子電路的控制電路的方框圖。

在附圖中，相同的特征標記為相同的參考符號。

具體實施方式

首先解釋的是，根據本發(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與上級單元20通過接口3進行通信。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)。在一個實施例中，傳感器1直接與控制系統(tǒng)通信。電纜31在傳感器側上連接到發(fā)射器20，其另一端包括與第一接口3互補的接口13。終端元件11包括與接口13在一起的電纜31。接口3，13被設計成電流隔離，尤其是作為能夠借助于機械插入連接相互耦合的感應接口。機械插入連接是密封的，使得沒有像可被測量的介質這樣的液體、空氣、或灰塵能從外面進入。

通過接口3、13發(fā)送或傳輸數據(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主要用于過程自動化中。

因此傳感器1包括至少一個用于感測過程自動化的測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，用于具有各自適當的測量變量的、氧化還原電位的，在介質中例如具有UV，IR和/或可見范圍內的波長的電磁波的吸收的，氧氣的，導電性的，混濁度的，非金屬材料的濃度的，或者溫度的測量的傳感器。

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被設計為將取決于測量變量的值發(fā)送到第二接口13。傳感器1包括處理測量變量的值的數據處理單元μCS，例如，微處理器，其例如，將測量變量轉換成另一數據格式。這樣，數據處理單元μCS就可以執(zhí)行平均化，預處理，以及數字轉換。

傳感器1可通過接口3，13連接到終端元件11并最終連接到上級單元20。上級單元20例如是如上面所提到的發(fā)射器或控制站。數據處理單元μCS將取決于測量值(即，傳感器元件4的測量信號)的值轉換成發(fā)射器或控制站可理解的協議。這方面的示例例如為專用Memosens協議或HART，無線HART，Modbus，Profibus Fieldbus，WLAN，ZigBee，Bluetooth，或RFID。這種轉換也可以在單獨的通訊單元而不是數據處理單元中進行，其中通訊單元設置在傳感器1側或終端元件11側上。所提到的協議還包括無線協議，使得相應的通訊單元包括無線模塊。第一和第二接口3，13因此被設計成在傳感器1和上級單元20之間進行雙向通信。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。

終端元件11包括第二接口13，其中第二接口13被設計成與第一接口3互補。終端元件11還包括數據處理單元μCA。數據處理單元μCA可被用作信號發(fā)送的轉發(fā)器。此外，數據處理單元μCA能夠對協議進行轉換或修改。例如，專用協議中的數據能夠從傳感器1傳輸到終端元件11，而終端元件11側上的數據處理單元μCA將這種協議轉換成總線協議(如上面看到的)。終端元件11包括將數據調制到其輸出上的調制器14。調制器14例如可以被設計成負載調制器?？商鎿Q地，數據處理單元μCA也可以對該數據進行調制。該數據利用幅移鍵控進行傳輸。

終端元件11還包括第二圓柱耦合體12，其被設計成與第一耦合體2互補并且能夠通過套筒狀端部滑動到第一耦合體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)造性勞動可以進行相反的構造，其中第二接口13被設計成套筒狀，第一接口3是插頭狀。

圖2示出了包括根據本發(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11兩側上的部件。

對控制電路的總體結構進行簡要介紹。將控制變量y(實際值)與參考變量w(目標值)進行比較，這種情況下的控制變量y是傳感器1側的功率，這種情況下的參考變量w是傳感器1實際需要的功率。作為實際值和目標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，由此根據控制電路所期望的時間行為產生校正變量u。致動器，通常為例如被設計成終端元件11側上的電壓源Q的源，可以是控制器R的部件，但也可以被設計成與其分開。校正變量通常被標記為“u”，并且在致動器Q后的信號序列中標記為“uQ”。干擾變量d影響控制路徑。測量元件M可以包括時間延遲，測量元件M在這種情況下是用于測量傳感器1側上的功率的電路，時間延遲也必須被考慮進快速控制路徑中。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，設計，部件容差等。

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

源Q，例如電壓源，被設計成例如逆變器。在一個實施例中，源Q被設計成等級E放大器。

在傳感器1側上的第二智能單元μCS或功率測量電路M連續(xù)確定感應耦合3的功率輸出并將其與其自身獨特的(傳感器專用)目標值w進行比較。由此產生的控制偏差e利用通信協議被傳輸到終端元件11側上的第一智能單元μCA。數據處理單元μCA通過控制器R對由源Q和感應耦合13組成的控制路徑進行調節(jié)，使得控制偏差e被最小化到較小值，最好情況下到零。

現在，傳感器是控制環(huán)路的有源部件。因此，確定出現的測量偏差，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載。使例如傳感器1側上的功率供應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的測量任務。由于在傳感器1側獲得了恒定條件，所以能夠提高通信質量。

可以對每個傳感器或每種傳感器的目標值w單獨進行調節(jié)。在第一實施例中，目標值w被永久存儲在傳感器1中。更精確來說，目標值w被存儲在智能單元μCS中。在第二實施例中，目標值w通過上級單元20進行調節(jié)并且在智能單元μCS中進行相應改變。然而，在可改變目標值w的情況下，具有例如設置在傳感器的引導階段(boot phase)中的“標準目標值”。這個標準目標值也可以用作在誤差情況下使用的目標值。

上級單元20可以，例如，從數據庫中檢索目標值w并且基于傳感器1的唯一身份對其進行通信。在另一個實施例中，每個傳感器1都存在若干目標值。通過這種方式，可以將各種類別的傳感器集成在一個傳感器中。例如，傳感器類別可以具有不同的測量值確定頻率，例如，0.3Hz，1Hz，或3Hz。這是因為測量進行的越頻繁，功耗越高。取決于終端元件11，上級單元20，或如用戶所期望的，可以進行自動調節(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，有缺陷的電子設備等所導致。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量值確定頻率進行相應響應。通過終端元件11側上的第一智能單元μCA可對功率極限進行變化和調節(jié)。通過第一智能單元μCA對功率極限的調節(jié)與已經在上面解釋的目標值W相同的方式進行，其通過第二智能單元μCS進行調節(jié)。

參考標記列表

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 調制器

20 上級單元

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 功率測量

R 控制器

μCA 11中的智能單元

μCS 1中的智能單元