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Die Erfindung betrifft eine Rückspeisebegrenzungsschaltung für den explosionsgefährdeten Bereich zur Energieversorgung eines Sensors und zur Datenkommunikation mit einem Sensor.
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In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden, wie zum Beispiel optische, potentiometrische, amperometrische, voltammetrische oder coulometrische Sensoren, oder auch Leitfähigkeitssensoren.
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Diese Sensoren werden zum Beispiel über ein Kabel und einer induktiven Schnittstelle mit Energie und Daten versorgt. Werden diese Sensoren in einer explosionsgefährdeten Umgebung betrieben, so müssen diese Sensoren sowie das Kabel und die induktive Schnittstelle für diese Umgebung besonderen Kriterien entsprechen, insbesondere eigensicher sein. Hier gilt zum Beispiel, dass eine maximale Spannung an den Geräteanschlüssen nicht überschritten werden darf. Im Geräteinneren dürfen jedoch Schaltungsteile existieren, welche ein höheres Spannungsniveau als an den Geräteanschlüssen aufweisen, solange diese Schaltungsteile gekapselt sind und/oder keine Möglichkeit besteht, dass dieses hohe Spannungsniveau an die Geräteanschlüsse gelangt.
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Da eine galvanisch getrennte Kapselung dieser höheren Spannungsniveaus in der Regel nur schwer zu realisieren ist, wird zumeist die Spannung in Richtung Geräteanschlüsse begrenzt. Dies erfordert allerdings Begrenzungsmaßnahmen an jedem einzelnen Geräteanschlusspol, abgesehen von einem Bezugsanschluss. Eine Begrenzung der möglich auftretenden Spannung durch eine Rückspeisung von der induktiven Schnittstelle an die Ader des Kabels, welche die induktive Schnittstelle bzw. den Sensor mit Energie versorgt, muss ebenfalls verhindert werden.
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Eine derartige Begrenzung der Rückspeisung kann mit einem besonders großen Begrenzungswiderstand erreicht werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass über diesen Begrenzungswiderstand erhebliche Energieverluste im Normalbetrieb verursacht werden. Des Weiteren muss der Begrenzungswiderstand derart dimensioniert werden, dass dieser von einem zur Energieversorgung des Sensors ausreichendem Strom durchflossen werden kann. Die Dimensionierung des Begrenzungswiderstand verursacht somit einen nicht zu verachtenden Platzbedarf in der induktiven Schnittstelle.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung vorzuschlagen, welche es ermöglicht, eine Rückspeisung derart zu begrenzen, dass Energieverluste im Normalbetrieb mit minimalem Platzbedarf minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Rückspeisebegrenzungsschaltung für den explosionsgefährdeten Bereich zur Energieversorgung eines Sensors und zur Datenkommunikation mit einem Sensor gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Rückspeisebegrenzungsschaltung weist eine Eingangseinheit, eine erste Begrenzungseinheit, eine zweite Begrenzungseinheit, eine Überwachungseinheit, eine Hochspannungseinheit eine Knoteneinheit und ein Bezugspotential auf, wobei die Eingangseinheit mindestens einen ersten Datenleitungsanschluss, einen zweiten Datenleitungsanschluss, einen Versorgungsleitungsanschluss und einen Nullleitungsanschluss, jeweils zum Anschließen eines Anschlusskabels aufweist, wobei die erste Begrenzungseinheit mit dem ersten Datenleitungsanschluss verbunden ist, die zweite Begrenzungseinheit mit dem zweiten Datenleitungsanschluss verbunden ist und jeweils einen Widerstand und eine Zehner-Diode aufweist, wobei die Zehner-Diode jeweils so angeschlossen ist, dass die Zehner-Diode jeweils bei Überspannung auf das Bezugspotential durchschaltet, wobei die Überwachungseinheit mit der ersten Begrenzungseinheit und der zweiten Begrenzungseinheit verbunden ist, und dazu geeignet ist, Daten auszuwerten, wobei die Hochspannungseinheit einen Transformator, einen Energieeingang, einen mit der Überwachungseinheit verbundenen Steuereingang sowie einen mit dem Transformator verbundenen Ausgang aufweist, wobei der Ausgang eine Spule zur induktiven Übertragung von Energie und Daten aufweist, wobei die Knoteneinheit mit dem Versorgungsleitungsanschluss, der Überwachungseinheit und dem Energieeingang verbunden ist und zu diesen jeweils einen Abstand von mindestens 0,5 mm aufweist und die Knoteneinheit eine elektrisch leitende Fläche von mindestens 4 mm2 aufweist.
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Anhand der erfindungsgemäßen Rückspeisebegrenzungsschaltung wird ermöglicht, dass mit minimalem Platzaufwand eine optimale Begrenzung einer Rückspeisung erzielt wird. Zusätzlich ermöglicht die Schaltung, dass keine großen Bauteile, wie Widerstände, benötigt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Knoteneinheit und dem Energieeingang ein erster Widerstand von mindestens 50 Ohm angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Knoteneinheit und der Überwachungseinheit ein zweiter Widerstand von mindestens 50 Ohm angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stellt die Knoteneinheit der einzige Ort an Leitungsverzweigungen zwischen dem Versorgungsleitungsanschluss und dem Energieeingang dar.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen alle Verbindungsäste, welche die Knoteneinheit mit dem Versorgungsleitungsanschluss, der Überwachungseinheit und dem Energieeingang verbinden, einen Winkel von mindestens 90° zueinander auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Knoteneinheit durch eine Vergussschicht geschützt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Knoteneinheit Kupfer und ist kreisförmig.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- - 1: eine Darstellung der erfindungsgemäßen Rückspeisebegrenzungsschaltung,
- - 2: eine alternative Ausführungsform der in 1 gezeigten Schaltung.
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Die erfindungsgemäße Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 ist insbesondere zum Einsatz für die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen konzipiert. Die Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 ist dazu geeignet, einen Sensor, welcher induktiv mit der Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 gekoppelt ist, mit Energie zu versorgen und Daten mit diesem Sensor auszutauschen.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, weist die Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 eine Eingangseinheit 10, eine erste Begrenzungseinheit 20, eine zweite Begrenzungseinheit 30, eine Überwachungseinheit 40, eine Hochspannungseinheit 50 eine Knoteneinheit 60 und ein Bezugspotential 70 auf.
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Die Eingangseinheit 10 umfasst mindestens einen ersten Datenleitungsanschluss 11, einen zweiten Datenleitungsanschluss 12, einen Versorgungsleitungsanschluss 13 und einen Nullleitungsanschluss 14, jeweils zum Anschließen eines Anschlusskabels 2. Das Anschlusskabel 2 weist vier Adern auf, wobei zwei Adern als Datenleitung verwendet werden, eine Ader als Energieversorgungsleitung verwendet wird und eine Ader als Nullleiter verwendet wird.
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Die erste Begrenzungseinheit 20 ist mit dem ersten Datenleitungsanschluss 11 verbunden, die zweite Begrenzungseinheit 30 mit dem zweiten Datenleitungsanschluss 12 verbunden. Die erste Begrenzungseinheit 20 sowie die zweite Begrenzungseinheit 30 weisen jeweils einen Widerstand 21, 31 und eine Zehner-Diode 22, 32 auf. Der Widerstand 21 und der Widerstand 31 weisen beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 1 kOhm auf. Die Zehner-Diode 22, 32 ist jeweils so angeschlossen, dass die Zehner-Diode 22, 32 jeweils bei Überspannung auf das Bezugspotential 70 durchschaltet. Die Zehner-Diode schaltet beispielsweise bei einer Überspannung von 5V auf das Bezugspotential 70 durch. So wird verhindert, dass im Problemfall eine Überspannung zurück in die Adern des Anschlusskabels 2, also in die Datenleitungen rückgespeist werden. Das Bezugspotential 70 ist zum Beispiel auf Masse gelegt. Die Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 ist vorzugsweise auf das Bezugspotential, zum Beispiel Masse, gelegt.
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Die Überwachungseinheit 40 ist mit der ersten Begrenzungseinheit 20 und der zweiten Begrenzungseinheit 30 verbunden, und dazu geeignet, Daten auszuwerten. Die Überwachungseinheit 40 ist dazu geeignet, die an dem ersten Datenleitungsanschluss 11 und dem zweiten Datenleitungsanschluss 12 empfangenen Daten zu verarbeiten und an den Sensor über die induktive Schnittstelle weiterzuleiten. Die Überwachungseinheit 40 ist dazu geeignet, an den Sensor zu übertragenen Daten auf das Energiesignal aufzumodulieren. Die Überwachungseinheit 40 ist auch dazu geeignet, die über die induktive Schnittstelle empfangenen Daten zu verarbeiten und über den ersten Datenleitungsanschluss 11 und den zweiten Datenleitungsanschluss 12 an das Anschlusskabel 2 weiterzuleiten.
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Die Hochspannungseinheit 50 weist einen Transformator 51, einen mit dem Versorgungsleitungsanschluss 13 verbundenen Energieeingang 52, einen mit der Überwachungseinheit 40 verbundenen Steuereingang 53 sowie einen mit dem Transformator 51 verbundenen Ausgang 54 auf. Der Ausgang 54 umfasst oder ist eine Spule zur induktiven Übertragung von Energie und Daten. Der Ausgang 54 stellt die induktive Schnittstelle mit dem Sensor dar.
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Die Knoteneinheit 60 ist mit dem Versorgungsleitungsanschluss 13, der Überwachungseinheit 40 und dem Energieeingang 52 verbunden. Die Knoteneinheit 60 weist zu dem Versorgungsleitungsanschluss 13, der Überwachungseinheit 40 und dem Energieeingang 52 jeweils einen Abstand A von mindestens 0,5 mm auf. Vorzugsweise weist die Knoteneinheit 60 zu allen elektronischen Bauteilen der Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 den Abstand A auf. Insbesondere weist auch der Verbindungsast zwischen dem Versorgungsleitungsanschluss 13 und der Knoteneinheit 60 den Abstand A zu allen Bauteilen der Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 auf, davon sind selbstredend ausgenommen der Versorgungsleitungsanschluss 13 sowie die Knoteneinheit 60 selbst (siehe 2). Dank des Abstands A wird vermieden, dass die Knoteneinheit 60 durch Spannungsspitzen „übersprungen“ wird. Die Knoteneinheit 60 weist eine elektrisch leitende Fläche von mindestens 4 mm2 auf. Die Knoteneinheit 60 weist vorzugsweise eine Leiterzugbreite von 2 mm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche in 2 dargestellt ist, und welche mit allen beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, ist zwischen der Knoteneinheit 60 und dem Energieeingang 52 ein erster Widerstand 61 von beispielsweise 50 Ohm angeordnet. Der erste Widerstand 61 erlaubt es die Rückspeisebegrenzungsschaltung 1, insbesondere den Versorgungsleitungsanschluss 13 vor Rückkopplungen zu schützen. Es wird also durch den ersten Widerstand 61 erreicht, dass eine potentielle von der Hochspannungseinheit 50 zurückgekoppelte Spannung definiert über den ersten Widerstand 61 von der Knoteneinheit 60 räumlich getrennt ist.
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Wie in 2 dargestellt, ist zwischen der Knoteneinheit 60 und der Überwachungseinheit 40 ein zweiter Widerstand 62 von beispielsweise 50 Ohm angeordnet.
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Vorzugsweise stellt die Knoteneinheit 60 den einzigen Ort an Leitungsverzweigungen, oder zumindest den letzten Verzweigungspunkt vor dem Versorgungsleitungsanschluss 13 dar. Dies hat den Vorteil, dass neben dieser Verbindung zum Versorgungsleitungsanschluss 13 keine Parallelpfade existieren, welche eine Umgehung der Rückspeiseverhinderung darstellen würden.
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Der zweite Widerstand 62 erlaubt es die Rückspeisebegrenzungsschaltung 1, insbesondere den Versorgungsleitungsanschluss 13 vor Rückkopplungen zu schützen. Es wird also durch den zweiten Widerstand 62 erreicht, dass eine potentielle von der Überwachungseinheit 40 zurückgekoppelte Spannung definiert über den zweiten Widerstand 62 von der Knoteneinheit 60 räumlich getrennt ist.
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Wie ebenso in 2 dargestellt, weisen alle Verbindungsäste, welche direkt mit der Knoteneinheit 60 verbunden sind, also die Leitung zum Versorgungsleitungsanschluss 13, die Leitung zur Überwachungseinheit 40 und die Leitung zum Energieeingang 52, einen Winkel von mindestens 90° zueinander auf. Die Leitungen sind vorzugsweise als Leiterbahn ausgebildet. Die Rückspeisebegrenzungsschaltung 1 ist vorzugsweise auf einer Platine, zum Beispiel einer mehrschichtigen Platine, realisiert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche mit allen beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, ist die Knoteneinheit 60 durch eine Vergussschicht geschützt. Vorzugsweise ist auch der Leitungsabschnitt zwischen der Knoteneinheit 60 und dem Versorgungsleitungsanschluss 13 mit einer Vergussschicht geschützt. Dies vermeidet, dass bei Spannungsspitzen ein „Übersprung“ auf diesen Leitungsabschnitt stattfindet, bzw. es können dadurch die notwendigen Abstände zwischen Leitungsabschnitten der Knoteneinheit und Leitungsabschnitten von Netzen aus anderen Bereichen verringert werden.
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Die Knoteneinheit 60 umfasst vorzugsweise Kupfer oder andere sehr gut leitende Materialen. Die Knoteneinheit 60 ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, oder weist eine hexagonale Form auf.
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Die Knoteneinheit 60 ermöglicht, dass wenn eine hohe Spannung aus der Hochspannungseinheit 50 in Richtung des Versorgungsleitungsanschluss 13 zurückgekoppelt wird, diese Spannung dank dem Knotenpunkt nicht bis zum Versorgungsleitungsanschluss 13 durchschlägt, sondern sofort zusammenbricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rückspeisebegrenzungsschaltung
- 2
- Anschlusskabel
- 10
- Eingangseinheit
- 11
- erster Datenleitungsanschluss
- 12
- zweiter Datenleitungsanschluss
- 13
- Versorgungsleitungsanschluss
- 14
- Nullleitungsanschluss
- 20
- erste Begrenzungseinheit
- 21
- Widerstand
- 22
- Zehner-Diode
- 30
- zweite Begrenzungseinheit
- 31
- Widerstand
- 32
- Zehner-Diode
- 40
- Überwachungseinheit
- 50
- Hochspannungseinheit
- 51
- Transformator
- 52
- Energieeingang
- 53
- Steuereingang
- 54
- Ausgang
- 60
- Knoteneinheit
- 61
- erster Widerstand
- 62
- zweiter Widerstand
- 70
- Bezugspotential
- A
- Abstand