用于借助于变压器进行通信的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种用于借助于变压器（3）进行通信的方法，该变压器具有至少一个作为振荡电路的部件的初级线圈（31）和次级线圈（32），其中，该振荡电路在初级侧上被供应有激励频率。本发明的特征在于，为了将信号从次级侧（Ⅱ）传输到初级侧（I），对次级线圈（32）的电感进行调制。同样提供了一种用于执行该方法的相应的设备。
【专利说明】用于借助于变压器进行通信的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助于变压器进行通信的方法和设备，该变压器具有作为振荡电路的部件的至少一个初级线圈和次级线圈，其中，该振荡电路在初级侧上被供应有激励频率。该设备是例如电容性的、导电的、或电子振动的填充料位测量装置，尤其是振荡音叉、温度和/或水分或湿度传感器或用于确定介质的PH值、导电性、或浊度的测量装置。
【背景技术】
[0002]对于用于在爆炸危险区中使用的过程自动化的现场装置，功率和数据传输的防爆安全实施例非常重要。为此，电子单元与测量装置的传感器之间的功率传输经电容性或感应性接口频繁地发生。对于初级侧与次级侧之间的通信，常常使用防爆安全光耦合器。然而，这些光耦合器是昂贵的并且在电子壳体中需要额外的空间。
[0003]对光耦合器的替代是调制传输的信号。为了数据从初级侧经导电或感应接口传输到次级侧，通常来说，对信号的频率进行调制。为此，根据待传输的信号是逻辑O或是逻辑1，初级侧电子单元产生具有第一频率或具有第二频率的信号。该信号同时用于能量传输。为了从次级侧到初级侧的通信，例如，对次级侧的电流需求进行调制。例如在德国公开说明书DE102006051900A1中公开了这种能量和数据传输形式。
[0004]例如在德国公开说明书W02008/135402A1中描述了借助于振幅调制进行从次级侧到初级侧的通信的进一步的方法。经振幅调制的信号由E级放大器产生。输出信号中的振幅移位键控在这样的情况下通过改变E级放大器的工作频率或在恒定的工作频率的情况下通过借助于可添加的负载使放大器的共振频率移位来实现。
[0005]在振幅调制的情况下的不利之处是相对于被耦合进的信号具有相对高的干扰敏感性。
[0006]本发明的目的是提供用于经感应接口的抗干扰数据传输的设备和方法。
【发明内容】
[0007]该目的由其中为了信号从次级侧到初级侧的传输而对次级线圈的电感进行调制的方法来实现。
[0008]在初级侧，对起因于次级电感的调制的频率变化进行评估。在次级侧，为相应于待传输的信息而调节的电感值分配逻辑O或逻辑。在初级侧，对应的二进制数字被分配给根据相应的电感而调节的共振频率。
[0009]用于从次级侧到初级侧的信号传输的方法代表间接频率调制。间接地，由于在次级侧上的频率不是主动地受到控制而是替而通过改变次级侧上的振荡电路的可变特性(这导致初级侧上的可检测的频率变化)而受到控制。该解决方案使得能够以高效率实现信号传输。能量和信息经相同的接口被传输。
[0010]确定效率此外能够用于诊断目的。如果效率小于预期的，或共振频率不对应于预期的共振频率，则功率损耗正在一些位置发生。从效率的评估出发，能够为操作人员产生报警信号，使得，例如，能够开始维修。
[0011]在本发明的解决方案的第一实施例中，通过改变次级线圈的匝数来调制电感。
[0012]在该方法的实施例中，为了信号的初级侧评估，检测由对电感的调制所导致的振荡电路的共振频率的调制。
[0013]与此相关联的实施例提供的是，振荡电路的共振频率和/或振荡电路的共振频率的变化根据变压器的振幅和/或效率来确定。
[0014]在该方法的有利的实施例中，为了第二信号从初级侧到次级侧的传输，对激励频率进行调制。频率调制代表通信的强抗干扰方法。
[0015]另一个实施例提供的是，通信期分配给次级侧，在此期间，仅次级侧传输数据，并且振荡电路在通信期期间以共振频率被激励。
[0016]在进一步的发展中，激励频率在从次级单元到初级单元的通信期期间受到控制，使得激励频率在次级电感的变化的情况下也总是对应于振荡电路的共振频率。
[0017]在进一步的发展中，基于激励频率的重新调节来识别和评估次级线圈的电感的调制。
[0018]在该方法的实施例中，次级侧独立于振荡电路被激励的激励频率与初级侧进行通信。换句话说，次级侧未被束缚于为其分配的通信期，而是替而能够在任何时候与初级侧进行通信。
[0019]本发明的实施例包括借助于次级电感的调制来实施频率移位键控。
[0020]该目的进一步由用于借助于变压器进行通信的设备来实现，该变压器具有:作为振荡电路的部件的初级线圈和次级线圈；初级逻辑单元，该初级逻辑单元对振荡电路供应激励频率；以及，次级逻辑单元，其中，为了信号从次级侧到初级侧的传输，该次级逻辑单元调制次级线圈的电感。
[0021]在该设备的有利的实施例中，次级线圈包括至少一个可连接且可断开的线圈段，并且次级逻辑单元通过连接和断开线圈段来调制电感。
[0022]初级逻辑单元控制振荡电路的激励频率，并且以这样的方式重新调节激励频率，使得即使当共振频率由于次级电感的变化而改变时，激励频率也总是对应于共振频率。以这种方式，功率传输得以优化。
[0023]这样的装置例如为应用于过程自动化的现场装置。术语现场装置意味着包括所有类型的测量装置和致动器。测量装置用于记录过程变量并且包括例如填充料位测量装置、流量测量装置、压力和温度测量装置、PH测量装置、导电性测量装置等，分别记录对应的过程变量、填充料位、流量、压力、温度、PH值、和导电性。致动器用于影响过程变量，并且包括阀和泵，例如管线中的液体的流量或容器中介质的填充料位经所述阀和泵而改变。原则上，设备能够被应用于能量和信息经变压器传输的任何地方。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]现在将基于附图就该方法和用于执行该方法的设备更详细地解释本发明。在附图中，相同的部分被提供有相同的参考标记。附图示出如下:
[0025]图1为具有感应接口的设备的框图；
[0026]图2a为在通信期间设备的第一状态；以及[0027]图2b为在通信期间设备的第二状态。
【具体实施方式】
[0028]图1示出用于借助于变压器3进行通信和功率传输的设备的示意框图。变压器3形成初级侧I与次级侧II之间的接口。初级侧I具有电压源4。次级侧II不具有其自身的能源，而是替而被供应来自初级侧I的能量。在次级侧II上的用电设备5是例如用于确定和/或监测一个或多个过程变量的传感器。初级侧I和次级侧II分别具有逻辑单元I和2，所述逻辑单元I和2，除其他之外，经变压器3控制通信。经基本上由初级线圈31和次级线圈32构造的变压器3，发生从初级侧I到次级侧II的能量和信号传输以及从次级侧II到初级侧I的信号传输。因此，变压器3也能够被称为传输代理。为了确保到次级侧II的部件的充分的能量供应以及设备的高效率，信号传输借助于具有高效率的方法发生。
[0029]图2a和图2b示出在逻辑O的传输的情况下设备的状态和在逻辑I的传输的情况下设备的状态，在每种情况下均为从次级侧II到初级侧I的传输。例如，图2a中所示的状态对应于基本状态或逻辑O的传输，并且图2b中所示的状态对应于逻辑I的传输。然而，反向的设置同样是可能的。此外，基本状态能够是逻辑1，而不是逻辑O。
[0030]初级线圈31和次级线圈32是振荡电路的部件，其共振频率基本上由两个线圈31、32的电感预先确定。振荡电路的激励频率的设置经初级电子单元I发生。
[0031]次级线圈32被划分成三个部分。如果两个内部切换元件62诸如图2a中那样打开，则三个部分相互连接。然后，通过所有三个部分的总匝数来确定次级线圈32的电感。两个外部切换元件61将次级线圈32与整流器71相连接，该整流器71将传输的交流电压转换成直流电压。整流器71依次与对用电设备5供应恒压的直流电压转换器72相连接。用电设备5被示意性地示出为负载阻抗，该用电设备5例如是传感器元件。
[0032]在图2b中，两个外部切换元件61被打开，而两个内部切换元件62被闭合，即，它们将次级线圈32的中心部分与整流器71相连。次级线圈32的电感在该状态下由中心部分的匝数确定。其它影响电感的参数是恒定的。
[0033]切换元件61、62受到次级电子元件2的控制。次级电子元件2也对从初级侧I传输到次级侧II的信号进行解码并且评估传输的信息。
[0034]从初级侧I到次级侧II的通信优选地借助于频率调制来执行。频率调制方法使得能够实现能量有效的数据传输。对待传输的信号编码的两个频率优选被这样地选定使得它们各自以小量偏离振荡电路的共振频率并且因此偏离在最大功率传输是可能的情况下的频率。第一频率例如比变压器的共振频率略小，并且第二频率比变压器的共振频率略大相同的量。术语略小和略大意味着频率仅偏离于共振频率使得两个频率彼此并且与共振频率安全地可区别，从而在相应的频率下传输的功率仍然以高效率被传输。待以对应的频率传输的数据的编码由初级逻辑单元I执行。作为频率调制的替代，从初级侧I到次级侧II的通信能够借助于振幅调制发生。
[0035]根据本发明，为了从次级侧II到初级侧I的通信，对次级电感进行调制。在次级电子元件2中寄存在待传输的二进制数字与切换元件61、62的对应的位置之间的关联。变压器的电感并且因此共振频率在次级电子元件2的控制下借助于次级线圈32的绕组的连接和断开而改变。这样的改变例如通过测量振荡电路的共振频率或通过评估振荡电路到共振频率的自动重新调节在初级侧I上是可检测的。
[0036]借助于对次级电感的调制，从次级侧II到初级侧I的通信不仅是抗干扰的而且还以高效率发生。次级电感的调制连同用于从初级侧I到次级侧II的数据传输的同样具有高效率的方法被实施的装置尤其是测量装置因此具有它能够利用小的供应电压被操作的优点。
[0037]优选地，到次级侧II的数据传输和来自次级侧II的数据传输不同时发生，而是替而为从次级侧II到初级侧I的通信保留某些时间间隔。这些时间间隔能够是预先确定的，例如，周期性的，其中，它们相互的时间间隔以及它们的长度对特定应用而言是可适配的。在这些时间间隔期间，初级侧I产生具有不同于通信所使用的频率的频率的信号。优选地，产生具有共振频率的信号，使得在这些时间间隔期间，最大功率被传输到次级侧II。
[0038]为了对在初级侧I上的信号进行解码，在一个实施例中，振荡电路的共振频率被确定并且被评估。共振频率唯一地与电感并且因此与待传输的信息相关联。为了评估通信信号，在初级逻辑单元I中寄存两个出现的共振频率与它们代表的相应的二进制数字的关联。
[0039]在替代实施例中，作为共振频率的补充或替代，共振频率的变化被检测并且被评估。例如，共振频率被定义，在该情况下，发生从次级侧II到初级侧I的通信。这被分配一个二进制数字。该预设的共振频率的增加或减小相应地与互补的二进制数字相关联。共振频率的变化例如经功率传输的效率的变化是可检测的。此外，对效率的确定提供监测接口的机会。如果效率不期望地剧烈地下降，这是发生缺陷的指示，并且能够产生关于装置维修的报警信号。由于过程测量装置的故障在例如随后的基于其测量而控制阀或泵的情况下会具有严重的后果，所以尤其是在过程测量装置的情况下，早期的缺陷检测具有高度重要性。
[0040]在实施例中，振荡电路的激励频率在共振频率的变化的情况下被这样调节使得振荡电路的当前振荡频率再次对应于共振频率。从次级侧II传输的信号基于共振频率的变化是可解码的。
[0041]附图标记列表
[0042]I初级逻辑单元
[0043]2次级逻辑单元
[0044]3变压器
[0045]31初级线圈
[0046]32次级线圈
[0047]4 电压源
[0048]5用电设备
[0049]61外部开关元件
[0050]62内部开关元件
[0051]71整流器
[0052]72直流电压转换器
[0053]I初级侧
[0054]II次级侧
【权利要求】
1.一种用于借助于变压器(3)进行通信的方法，所述变压器具有作为振荡电路的部件的至少一个初级线圈(31)和次级线圈(32)，其中，所述振荡电路在初级侧上被供应有激励频率， 其特征在于， 为了信号从次级侧(II)到初级侧(I)的传输，调制所述次级线圈(32)的电感。
2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 通过改变所述次级线圈(32)的匝数来调制所述电感。
3.如权利要求1或2所述的方法， 其特征在于， 为了所述信号的初级侧评估，检测由调制所述电感所导致的对所述振荡电路的共振频率的调制。
4.如权利要求3所述的方法， 其特征在于， 根据所述变压器(3)的振幅和/或频率确定所述振荡电路的共振频率和/或所述振荡电路的共振频率的变化。
5.如前述权利要求中的任一项所述的方法， 其特征在于， 为了第二信号从所述初级侧(I)到所述次级侧(II)的传输，调制所述激励频率。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法， 其特征在于， 将通信期分配给所述次级侧(II )，在此期间，仅所述次级侧(II)传输数据，并且 在通信期期间以所述共振频率激励所述振荡电路。
7.如权利要求6所述的方法， 其特征在于， 在从所述次级侧(II)到所述初级侧(I)的通信期期间控制所述激励频率，使得所述激励频率在次级电感变化的情况下也总是对应于所述振荡电路的共振频率。
8.如权利要求7所述的方法， 其特征在于， 基于所述激励频率的重新调节来识别和评估所述次级线圈(32)的电感的调制。
9.如权利要求1至5中的任一项所述的方法， 其特征在于， 所述次级侧(II)独立于激励所述振荡电路的激励频率地与所述初级侧(I)通信。
10.如前述权利要求中的任一项所述的方法， 其特征在于， 借助于所述次级电感的调制来实现频率移位键控。
11.一种用于借助于变压器(3)进行通信的设备，所述设备具有:作为振荡电路的部件的初级线圈(31)和次级线圈(32);对所述振荡电路供应激励频率的初级逻辑单元(I);以及次级逻辑单元(2)，其特征在于， 为了信号从次级侧(II)到初级侧(I)的传输，所述次级逻辑单元(2)调制所述次级线圈(32)的电感。
12.如权利要求11所述的设备， 其特征在于， 所述次级线圈(32)具有至少一个可连接且可断开的线圈段，并且 所述次级逻辑单元(2)通过 连接和断开所述线圈段来调制所述电感。
【文档编号】H04B5/00GK103548282SQ201280024361
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年4月17日 优先权日:2011年5月19日
【发明者】亚历山大·米勒, 马丁·乌尔班 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司