DE19719730C1

DE19719730C1 - Steckverbindung

Info

Publication number: DE19719730C1
Application number: DE19719730A
Authority: DE
Inventors: Alfred Boehm; Reinhold A Barlian; Rainer Lang
Original assignee: Bartec Mestechnik und Sensorik 94239 Gotteszell De GmbH; BARTEC MESTECHNIK und SENSORIK
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2017-05-10
Also published as: JP3137341B2; EP0980603A2; ATE204685T1; WO1998052172A2; DE59801258D1; EP0980603B1; US6476520B1; JP2000513880A; WO1998052172A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Steckverbindung gemäß Ober begriff des Anspruches 1 sowie ein Energie- und Daten übertragungsverfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 21.

Eine vergleichbare Steckverbindung zur Energie- und Daten übertragung ist aus der DE 40 33 052 C2 bekannt.

Diese bekannte Steckverbindung weist zwar einen Übertrager mit Primär- und Sekundärteil auf, die auch miteinander trenn- und verwendbar sind. Auch hat das Primärteil eine Wandlereinrichtung zur Demodulation der von der Kraftmeß dose als Sensor zur Auswerteeinheit übertragenen Daten. Diese bekannte Steckverbindung ist jedoch nicht für einen explosionsgefährdeten Bereich bestimmt und auch dafür nicht ausgelegt, da z. B. keine Begrenzereinrichtungen für die zu übertragenden elektrischen Größen vorhanden sind.

In zahlreichen Anwendungsfällen ist es notwendig, Energie und Daten zu Verbrauchern in explosionsgefährdeten Berei chen zu übertragen. Unter Verbrauchern sind in diesem Sinne allgemein Sensoren und Aktoren zu verstehen. Beispielsweise seien hier Füllstandsmesser für Öl- oder Flüssiggastanks genannt.

In der Fachwelt sind verschiedene Transponderverfahren be kannt, bei welchen in explosionsgefährdeten Bereichen ange ordnete Empfänger per Funkdaten- und Energieübertragung ei gensicher angesteuert werden. Die Energie, die zum Zurück senden einer Antwort des Empfängers notwendig ist, wird dabei ebenfalls über die HF-Sendeleistung übertragen. Der Empfänger verfügt dafür über eine entsprechende Antenne. Die Leistung, die übertragen wird, ist jedoch so gering, daß damit im allgemeinen keine Sensoren oder Aktoren be trieben werden können.

Es gab daher bereits Vorschläge, die Energie- und Daten übertragung zu derartigen Sensoren oder auch Aktoren mit Bussystemen durchzuführen. Aus einem Vortrag von Herrn Cra mer Nielsen anläßlich der "2nd International Conference on P-NET Fieldbus Systems" am 30. November 1992 und 1. Dezem ber 1992 in Deggendorf ist ein Feldbussystem für eigensi cher explosionsgeschützt ausgeführte Verbraucher bekannt. Das gesamte Bussystem entspricht den Anforderungen "IS-16, Intrinsically Safe P-NET Bus". Es ist also vollständig in der Zündschutzart "Eigensicherheit" ausgeführt. Energie und Daten werden gemeinsam über eine zweiadrige Busleitung übertragen. Die zugehörige Steckverbindung arbeitet induk tiv und weist zwei sich gegenüberliegende Spulen in Topf kernen auf. Die Leistungsfähigkeit dieses Bussystems ist jedoch aufgrund der Ausführung in der Zündschutzart "Eigen sicherheit" nicht sehr hoch. Da diese Zündschutzart nur ei ne äußerst geringe elektrische Leistung zuläßt, ist es nur möglich, relativ wenige Verbraucher an das Bussystem anzu schließen. Insbesondere ist es ausgeschlossen, mit diesem Busleitungssystem neben eigensicher explosionsgeschützt ausgeführten Verbrauchern auch Verbraucher mit einer ande ren Zündschutzart als "Eigensicherheit" oder fehlender Zündschutzart und entsprechend erhöhten Leistungsaufnahme daten zu versorgen. Die Flexibilität dieses Übertragungssy stems ist somit sehr gering. Da Energie und Daten auf der selben Leitung übertragen werden, ist auch die maximale In formationsdichte des Bussystems reduziert. Weiterhin tritt durch Dispersion in Leitungen oder elektronischen Bauteilen eine Vermischung von Signalen ein. Abhilfe schafft hier lediglich eine Begrenzung der Anzahl der zu versorgenden Busknoten oder eine Verringerung der Datenübertragungs- Geschwindigkeit. Beide Maßnahmen sind jedoch äußerst un erwünscht.

Weiterhin ist auch aus der DE-43 44 071 A1 ein Übertra gungssystem für explosionsgefährdete Bereiche bekannt. Auch bei diesem System ist das Bussystem eigensicher explosions geschützt ausgeführt und weist daher die gleichen Nachteile wie im vorherigen Absatz beschrieben auf.

Die EP 0 666 631 A2 offenbart ein Speisesystem für einen Feldbus in explosionsgefährdeten verfahrenstechnischen An lagen. Energie und Daten werden über dasselbe Aderpaar übertragen. Auf dem Weg von einem Wartenbus bis zu An schlußklemmen für eigensicher explosionsgeschützte Verbrau cher sind Mittel zur Strom- und Spannungsbegrenzung räum lich getrennt angeordnet. Eines der Begrenzungsmittel ist in einem Verteiler unmittelbar vor den Anschlüssen für die Verbraucher angeordnet. Optional kann dieses Begrenzungs mittel fortfallen oder modifiziert werden, so daß auch Ver braucher, die in einer anderen Zündschutzart als "Eigensi cherheit" oder ohne Zündschutzart ausgeführt sind, ange schlossen werden können. Nachteilig ist, daß für jeden An schluß die maximal übertragbare elektrische Leistung fest gelegt ist und weiterhin, daß entweder der Strom oder die Spannung auch bei den nicht eigensicheren Anschlüssen stark begrenzt ist.

Aus der DE 27 52 783 B1 ist des weiteren eine Steckverbin dung für medizinische Geräte, z. B. für die Übertragung von EKG-Signalen zu einer Auswerteeinheit bekannt. Bei dieser Steckverbindung erfolgt die Übertragung der Energie von dem Gerät mit einem entsprechenden Energieversorgungsteil über einen induktiven Übertrager auf das Sekundärteil. Die Da tenübertragung erfolgt bei diesem Gerät über eine optoelek tronische Leitung, z. B. vom EKG-Gerät über das Sekundärteil in Richtung zum Primärteil.

Dieses Gerät weist jedoch weder Begrenzereinrichtungen, insbesondere für die Energieübertragung auf, noch ist eine bidirektionale Datenübertragung vorgesehen. Das Gerät eig net sich daher nicht für den Ex-Bereich.

Aus der Druckschrift "der elektromeister + deutsches elek trohandwerk 1985, Heft 6 (Seiten 349 bis 352)" sind zwar Erfordernisse für Anlagen des Ex-Bereiches entnehmbar. Die dort vorgesehenen Barrieren stellen jedoch ausschließlich festverdrahtete Strom-Spannungsbarrieren dar, die zudem für eine Datenübertragung nur bedingt einsetzbar sind. Es ist hieraus auch kein Hinweis entnehmbar, wie eine steckbare Daten- und Energieübertragungsvorrichtung für den Ex-Be reich ausgelegt sein sollte.

Die DE 36 44 868 A1 betrifft eine Verbindung für einen Teilnehmer an einem lokalen Netzwerk. Diese Druckschrift offenbart jedoch nur eine Zweidrahtleitung, über die Ener gie und Daten übertragen werden, so daß hierdurch bereits eine starke Begrenzung bei der Übertragung von Energie und Daten vorliegt. Zum anderen ist die entsprechende Verbin dung nicht steckbar auslegt, so daß auch eine wünschens werte Flexibilität für eine einfache Anpassung für den Leistungsbedarf verschiedener Sensoren bzw. Aktoren, nicht gegeben ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorausgehenden Nachteile zu überwinden und eine Steck verbindung zur Energie- und Datenübertragung für Verbrau cher wie Sensoren und Aktoren im explosionsgefährdeten Be reich zu schaffen, wobei eine hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität durch diese Steckverbindung gegeben sein soll. Weiterhin soll ein Energie- und Datenübertragungsverfahren für explosionsgefährdete Bereiche geschaffen werden, mit dem eine hohe Zuverlässigkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Steckverbin dung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils gelöst. Bei einem Energie- und Datenübertragungsverfahren für explosionsgefährdete Berei che wird dies durch die Merkmale des Anspruches 21 gelöst.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, Energie und Daten mit separaten Zuführleitungen vom Bussystem der Steckverbindung zuzuführen und erst in der Steckverbindung selbst, mindestens im Primärteil, Begren zereinrichtungen für die entsprechenden elektrischen Grös sen vorzusehen.

Mindestens der Sekundärteil wird dabei im Ex-Bereich ange ordnet.

Durch die Auslegung der erfinderischen Steckverbindung be steht aber auch die Möglichkeit, die Steckverbindung insge samt oder sogar die Steckverbindung und das Bussystem im Ex-Bereich vorzusehen.

Bei dieser Konzeption ist einerseits eine hohe Datenüber tragungsrate möglich, andererseits gestattet die Auslegung sehr flexibel Verbraucher über die Steckverbindung im Ex- Bereich anzuschließen, die unterschiedliche Leistungen fordern.

Wahlweise kann daher auch der Anschluß von Verbrauchern, welche in der Zündschutzart "erhöhte Sicherheit" oder in anderen Zündschutzarten ausgeführt sind und eine dement sprechend höhere Leistungsaufnahme aufweisen, realisiert werden. Auch einfache Betriebsmittel können angeschlossen werden.

Indem im Primärteil einer Steckverbindung Begrenzereinrich tungen vorgesehen sind, welche zur Begrenzung der an ein Sekundärteil zu übertragenden elektrischen Größen auf für die Zündschutzart erhöhte Sicherheit (e) oder die Zünd schutzart Eigensicherheit (i) oder andere Zündschutzarten (z. B. m, d, p, q, s, o) zulässige Werte ausgelegt ist, ist es möglich, Sensoren und Aktoren im explosionsgefährdeten Bereich zu stecken. Die Begrenzereinrichtung begrenzt zu diesem Zweck die zu übertragenden elektrischen Größen in dividuell auf die jeweils zulässigen Werte. Dadurch ist gleichzeitig auch eine sehr hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Steckverbindung sichergestellt. Die Steck verbindung kann in einem Bussystem in eigensicheren und nichteigensicheren Stromkreisen betrieben werden und dabei Verbraucher verschiedener Zündschutzarten versorgen. Durch die hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität der erfin dungsgemäßen Steckverbindung ist es möglich, ein äußerst vorteilhaftes Übertragungssystem für explosionsgefährdete Bereiche aufzubauen.

Da weiterhin mindestens das Primärteil eine Wandlerein richtung mindestens für die Daten aufweist, wird eine Mög lichkeit zur Leistungssteigerung bei einer erfindungsge mäßen Steckverbindung geschaffen. Die elektrischen Größen können nämlich bis zur Steckverbindung in einer Übertra gungsform übertragen werden, welche für die Übertragungsei genschaften des Bussystems optimiert sind. Erst im Primär teil der Steckverbindung findet eine Umformung in Signal formen statt, die für die Übertragungsart der Steckverbin dung optimiert sind. Bei diesen Signalformen kann es sich auch um getaktete Signale oder modulierte Signale handeln.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Wandler einrichtung ein Modulator-Demodulator, welcher die ankom menden digitalen Impulse in zur Übertragung optimierte Si gnalformen umwandelt. Dabei kann es sich beispielsweise um FSK oder andere frequenzmodulierte oder auch amplitudenmodu lierte und andere Modulationsarten handeln. Da auch im Se kundärteil ein Modulator-Demodulator angeordnet ist, kann dort eine Rücktransformation der Signalform stattfinden. Die Steckverbindung ist in diesem Fall ebenfalls für eine Datenübertragung in umgekehrter Reihenfolge geeignet.

Zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften ist es wei terhin vorteilhaft, wenn das Primärteil und optional auch das Sekundärteil jeweils einen Transceiver aufweisen. Die Transceiver sind erforderlich um z. B. differentielle Signa le von den Zuleitungen in Logikpegel umzuwandeln. Durch den in der Steckverbindung angeordneten Transceiver werden die zu übertragenden Signalformen direkt an dem für die Über tragung kritischen Übergang vom Primärteil zum Sekundärteil gebildet. Durch diese Maßnahme wird insbesondere der Daten verlust sehr gering.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Primärteil einen Mikroprozessor und einen adressierbaren Speicher, insbe sondere ein EEPROM, aufweist. Durch diese Maßnahme ist eine Adressierung des Primärteils möglich. Lediglich an die betreffende Steckverbindung adressierte Daten werden zum Sekundärteil übertragen. Auch die Energieübertragung kann somit selektiv gesteuert werden.

In besonders vorzuziehender Ausgestaltungsform der Steck verbindung weist das Primärteil eine Einrichtung zur Lastüberwachung des am Sekundärteil angeschlossenen Ver brauchers auf, welche die dem Sekundärteil zugeführten elektrischen Größen in Abhängigkeit von der Zündschutz art des angeschlossenen Verbrauchers begrenzt.

Dadurch ist ein sehr hoher Automatisierungsgrad der er findungsgemäßen Steckverbindung gegeben. Es müssen keine gesonderten Informationen durch das Bussystem zur Steckver bindung übertragen werden, aus welchen die Maximalwerte der zu übertragenden elektrischen Größen hervorgehen. Es werden lediglich Informationen von der Sekundärseite benötigt, die dann zu einer automatischen Anpassung führen. Dabei kann es sich um Selbstidentifizierungsdaten des Verbrauchers und/ oder des Sekundärteils handeln. Die Einrichtung zur Last überwachung setzt die erhaltenen Informationen in Anweisun gen an die Begrenzereinrichtung um.

Eine besonders sichere Ausgestaltung der Einrichtung zur Lastüberwachung aktiviert die Energieübertragung vom Pri märteil nur dann, wenn ein Signal vom Sekundärteil empfan gen wird, welches sicherstellt, daß der angeschlossene Verbraucher ordnungsgemäß arbeitet. Bei einem solchen Si gnal kann es sich um ein Wechselsignal handeln, dessen Fre quenz und Phase überprüft wird, oder um ein Digitalsignal mit codierter und überprüfbarer Information. Insbesondere wird die Energieübertragung abgeschaltet, wenn kein Se kundärteil angeschlossen ist.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, im Sekundärteil einen nicht flüchtigen Speicher, z. B. ein EEPROM in Verbindung mit ei nem Mikroprozessor vorzusehen, in welchem eine Adresse und/ oder weitere Kenndaten der Steckverbindung und/oder des an geschlossenen Verbrauchers abgespeichert sind. Dadurch ist insbesondere eine sehr effektive Möglichkeit geschaffen, der Einrichtung zur Lastüberwachung des Primärteils Selbst identifizierungsdaten des Sekundärteils oder des ange schlossenen Verbrauchers zu übermitteln.

Eine Maßnahme zur Energieeinsparung besteht darin, im Se kundärteil einen Mikroprozessor anzuordnen, welcher beim Empfang von an die Steckverbindung adressierten Daten vom Bussystem die elektronischen Bauteile des Sekundärteils aktiviert. Ansonsten sind diese Bauteile abgeschaltet und verbrauchen keinen Strom.

Sehr vorteilhaft ist es, die Übertrager für die elektri schen Größen zwischen Primärteil und Sekundärteil induktiv auszulegen. Dadurch wird gleichzeitig die vorteilhafte gal vanische Trennung zwischen Bussystem und Verbraucher er reicht.

In dieser Anmeldung wird unter galvanischer Trennung im Sinne einer sicheren galvanischen Trennung eine Trennung entsprechend den Normen IEC79-3 und EN50020 verstanden.

Die induktive Übertragung wird besonders gut durch primär und sekundärseitige Spulen durchgeführt, welche gemäß den Ansprüchen 13 und 15 angeordnet sind. Ferritkerne sorgen für eine Erhöhung des Übertragungswirkungsgrades.

Um die Möglichkeit auszuschließen, durch Heranführen von ringförmigen, leitfähigen Gegenständen, die auch "Empfangs gebilde" genannt werden, Ströme und eventuell Funken in diesen zu induzieren, sind im Primärteil und im Sekundär teil Materialien mit niedriger Permeabilität, beispiels weise ein Kunststoff, angeordnet. Diese gewährleisten auch einen Mindestabstand zum Empfangsgebilde, so daß die Streu feldstärke auf Werte abgeschwächt wird, welche nicht mehr für die Generierung eines Funkens ausreichen.

Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn ein der Zündschutzart (d) angepaßter Luftspalt ausgebildet ist und eine Siche rungseinrichtung zur Überwachung des Luftspaltes vorgesehen ist. Die Sicherungseinrichtung detektiert ein Auseinander ziehen des Luftspaltes und weist in diesem Fall die Begren zereinrichtung unverzüglich an, die Maximalwerte der zu übertragenden elektrischen Größen entsprechend den dadurch veränderten Anschlußbedingungen des Primärteils herunterzu regeln. Es kann auch eine mechanische Sicherungseinrichtung vorgesehen sein, welche beim Auseinanderziehen des Luft spaltes durch Entfernung der primär und sekundärseitigen Übertragungskomponenten voneinander den Übertragungswir kungsgrad senkt.

Der Luftspalt erstreckt sich vorteilhafterweise von einem Zwischenraum zwischen den Ferritkernen bis zu einer Gewin deverbindung oder einem anderen Verriegelungsmechanismus, beispielsweise einem Bajonett, zwischen einer Überwurfmut ter und dem primärseitigen Steckergehäuse, sowie einem Zwi schenraum zwischen der Überwurfmutter und einem sekundär seitigen Steckergehäuse. Dabei kann die Sicherungseinrich tung zur Überwachung des Luftspaltes so ausgeführt werden, daß ein Öffnen des Verriegelungsmechanismus detektiert wird. Durch eine mechanische Sicherung kann das Öffnen des Verriegelungsmechanismus mit einem Entfernen der Spulen voneinander gekoppelt werden.

Für das primärseitige Gehäuse der Steckverbindung sind die Ausführungen druckfeste Kapselung (d), Vergußkapselung (m), andere Zündschutzarten oder eine Kombination davon geeig net.

Die Datenübertragung kann sehr effizient auch durch eine optische Einrichtung durchgeführt werden.

Prinzipiell ist auch eine mit elektrischen Kontakten ver sehene Einrichtung zur Übertragung der elektrischen Größen zwischen Primärteil und Sekundärteil möglich.

Ein vorteilhafter Einsatz der erfindungsgemäßen Steckver bindung findet, wie oben bereits beschrieben, mit einem Bussystem statt, welches in einer anderen Zündschutzart als "Eigensicherheit" oder in keiner Zündsschutzart ausgeführt ist. Auf diese Weise wird die volle Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Steckverbindung voll ausgenutzt.

Der Einsatz ist aber auch nicht darauf beschränkt. Das Bus system könnte auch in der Zündschutzart Eigensicherheit (i) ausgeführt sein.

Die Businstallation kann beispielsweise in der Zündschutz art erhöhte Sicherheit (e) ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Businstallation für 24 V und 4 A ausgelegt sein.

Das Bussystem kann als Dreileiter- oder Mehrleitersystem ausgeführt sein. Zur Steigerung der Informationsdichte kann das Bussystem z. B. mit mindestens vier Leitungen und einer Abschirmung ausgestattet sein. Mindestens zwei Leitungen dienen der Energieübertragung und mindestens zwei weitere der Informationsübertragung. Die für die Informationsüber tragung vorgesehenen Leitungen können dabei ununterbrochen Daten übertragen und es findet keine unerwünschte Vermi schung mit den zur Energieübertragung notwendigen Signal formen statt. Es ergibt sich eine höhere Störsicherheit und einfachere Schaltungstechnik.

Eine geeignete Bustopologie ist die Knotenpunktanordnung, wobei die Knotenpunkte Klemmen mit der Zündschutzart "er höhte Sicherheit" oder starre Verbindungen, z. B. Lötstellen entsprechend der Zündschutzart "erhöhte Sicherheit", sind. Mit diesen Maßnahmen kann die Zündschutzart (e) besonders einfach eingehalten werden. Die Busleitung selbst kann Stich-, Baum- oder Ringstruktur haben.

Bei einem Energie- und Datenübertragungsverfahren für explo sionsgeschützte Bereiche wird erfindungsgemäß in einem Pri märteil einer Steckverbindung die Zündschutzart eines ange schlossenen Verbrauchers erfaßt oder vorgegeben und die zu übertragenden elektrischen Größen werden gemäß der erfaßten oder vorgebenen Zündschutzart begrenzt. Dieses Verfahren ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise die Versorgung von Verbrauchern verschiedener Zündschutzarten. Insbesonde re können Sensoren und Aktoren im explosionsgefährdeten Be reich gesteckt werden. Dazu werden die Maximalwerte der zu übertragenden elektrischen Größen entsprechend den jeweils zulässigen Werten angepaßt.

Insbesondere ist gewährleistet, daß die Maximalwerte bei abgezogenem Sekundärteil auf für die Zündschutzart "Eigen sicherheit" zulässige Werte begrenzt werden. Es kann dann beispielsweise auf eine geringe Leistung von z. B. 2 W her untergefahren werden, die gerade noch ausreicht, die An schlußbedingungen sicher festzustellen. Bei abgezogenem Sekundärteil darf das elektromagnetische Feld des Primär teils hinsichtlich explosionsfähiger Gemische nicht zünd fähig sein.

Zweckmäßigerweise werden die Ausgangswerte am Primärteil im ungesteckten Zustand auf Werte <1,2 V, <0,1 A, <20 µJ oder <25 mW begrenzt. Diese Werte werden bei Verbrauchern mit der Definition "einfache Betriebsmittel" nicht über schritten (DIN EN 50 014 / VDE 0170/0171 Teil 1/05/78 Ab schnitt 1.3).

Das Energie- und Datenübertragungsverfahren wird vorteil hafterweise mit einer erfindungsgemäßen Steckverbindung durchgeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger schematischer Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Steck verbindung,

Fig. 2 einen Querschnitt einer alternativen Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Steckverbindung,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungs gemäßen Energie- und Datenübertragungssystems und

Fig. 4 die Elektronik eines intelligenten Sensors.

Der in Fig. 1 gezeigte Querschnitt einer erfindungsgemäßen Steckverbindung weist ein Primärteil 23 und ein Sekundär teil 24 auf. Das Primärteil 23 ist in der Zündschutzart (m, d) oder einer anderen Zündschutzart oder einer Kombination (m, e(i)) ausgeführt. Das Sekundärteil 24 kann in der Zündschutzart "Eigensicherheit" (i) ausgeführt sein. Ener gie und Daten werden über ein Buskabel 19 durch eine gege benenfalls druckfeste Verschraubung 20 in ein primärseiti ges Steckergehäuse 21 geführt, welches in einer der Zünd schutzarten m, d, p oder q oder anderen Zündschutzarten ausgeführt ist. Die vier Busleitungen werden dem primärsei tigen Elektronikmodul 18 zugeführt, welches weiter unten noch detailliert beschrieben wird. Die im Elektronikmodul 18 elektronisch verarbeiteten und induktiv übertragbaren elektrischen Signale werden über primärseitige Anschlußver bindungen 17 zu einer primärseitigen Spule 5 übertragen. Die Spule 5 befindet sich in einem primärseitigen Ferrit kern 4, welcher in seinen Materialeigenschaften entspre chend der zu übertragenden Frequenzen so gewählt ist, daß ein guter Übertragungswirkungsgrad der induktiven Übertra gung ermöglicht ist. Eine sekundärseitige Spule 2 ist auf einem dornartig ausgebildeten Ferritkern 1 des Sekundär teils 24 etwa auf halber Höhe des Dorns aufgewickelt. In vollständig zusammengestecktem Zustand der Steckverbin dung sind die primär- und sekundärseitige Spule 5, 2 koaxi al im gleichen axialen Abschnitt angeordnet. Die sekundär seitige Spule 2 ist von einer Isolierung 3 umgeben, welche als Schutz für die Wicklungen dient. Die primär- und sekun därseitige Spule 5, 2 sind jeweils über eine Isolierung 68, 69 gegen die sie umgebenden Ferritkerne 4, 1 isoliert.

Die auf die sekundärseitige Spule 2 induktiv übertragenen elektrischen Signale werden über sekundärseitige Anschluß drähte 8 zu einem sekundärseitigen Elektronikmodul 9 in einem Sekundärteilgehäuse 10 übertragen. Die verarbeiteten elektrischen Signale gelangen dann über ein sekundärseiti ges Anschlußkabel 11 zu einem Betriebsmittel, Gerät bzw. Verbraucher, z. B. einem Widerstandsfühler.

Rückmeldungssignale von dem Betriebsmittel bzw. Verbraucher durchlaufen die Steckverbindung in umgekehrter Reihenfolge.

Auf der Stirnseite des Primärteils 23 ist ein ringförmiger Aufsatz 6 aus einem magnetisch schlecht leitendem Material, z. B. einem Kunststoff, der als kombinierte Zentriereinrich tung und Abstandsteil wirkt, angebracht. Der Sockelab schnitt 7 des dornartigen Ferritkerns 1 des Sekundärteils 24 ist ebenfalls aus einem magnetisch schlecht leitendem Material, z. B. einem Kunststoff hergestellt. Diese Kunst stoffabschnitte haben neben der Zentrierung des Primär- und Sekundärteils 23, 24 und dem mechanischen Schutz die Wir kung, eine mögliche Energieübertragung von oder zu der Spu le 5 durch Induktion in einem herangeführten Empfangsgebil de zu minimieren, da sie als magnetischer Isolator wirken. Über die Abschirmung 6 ist eine Überwurfmutter 13 zur Fi xierung des Sekundärteils 24 gelegt. Die Überwurfmutter 13 und der Aufsatz 6 sind durch Gewinde 12 an den Verbin dungsflächen miteinander verschraubt. Ein Bajonettverschluß ist alternativ auch möglich. Ein für eine Zündschutzart notwendiger definierter Luftspalt 49 verläuft vom Zwischen raum 14 zwischen dem sekundärseitigen Ferritkern 1 und dem primärseitigen Ferritkern 4 entlang dem Zwischenraum zwi schen dem Aufsatz 6 und dem Sockelabschnitt 7 sowie dem se kundärseitigen Gehäuse 10 über die Gewinde 12 oder den Zwi schenraum 25 zwischen dem sekundärseitigen Gehäuse 10 und der Überwurfmutter 13 nach außen. Das Primärteil 23 und der Sekundärteil 24 sind sicher galvanisch voneinander ge trennt. Das primärseitige Gehäuse 21 ist mittels Vorsprün gen 26 und einem Gewindering 15 an einer Gehäusewand 16 fi xiert.

Die in Fig. 2 dargestellte Steckverbindung ist überwiegend gleichartig aufgebaut wie die Steckverbindung aus Fig. 1. Die übereinstimmenden Bauteile sind mit den gleichen Be zugsziffern wie in Fig. 1 versehen und werden nicht noch mals beschrieben. Abweichend ist jedoch die Ausgestaltung der primärseitigen Spule 27 und des zugehörigen primärsei tigen Ferritkerns 28, sowie der sekundärseitigen Spule 29 mit dem zugehörigen sekundärseitigen Ferritkern 30. Die An ordnungen aus Spule und Ferritkern sind primär- und sekun därseitig gleich ausgeführt. Die Ferritkerne 28, 30 sind topfförmig mit einander zugekehrten Topfinnenseiten aus geführt. Sie weisen jeweils einen Topfkern auf, d. h. in Topfmitte ragt ein zylinderförmiger Zapfen bis auf die glei che Höhe wie die Topfwände auf. Um diesen zylinderförmigen Zapfen ist jeweils die Spule 27, 29 gewickelt. Die Spulen 27, 29 füllen im wesentlichen den gesamten Innenraum der Ferritkerne 28, 30 aus. Bei vollständig zusammengesteckter Steckverbindung sind die primärseitige Spule 27 und die se kundärseitige Spule 29 koaxial und direkt benachbart ange ordnet. Die Spulen 27, 29 sind jeweils mit einer Isolierung 22 abgedeckt und auch jeweils mit einer Isolierung 70, 71 gegen die sie umgebenden Ferritkerne 28, 30 isoliert.

Fig. 3 zeigt links einen Ausschnitt einer Busleitung 51 mit zwei Energieleitungen 31, zwei Datenleitungen 32 und einer Abschirmung 33. Energie und Daten werden von nicht darge stellten Energie- und Datenquellen erzeugt und in die Bus leitung 51 eingespeist. Die elektrischen Werte auf den Energieleitungen 31 können z. B. 24 V und 4 A betragen. Das gesamte Bussystem ist in einer Knotenpunktanordnung aus geführt. An einem Knotenpunkt 50 werden die Energieleitun gen 31 und die Datenleitungen 32 der Busleitung 51 an Ab zweigungsleitungen 52 für die Energieleitungen 31 und Ab zweigungsleitungen 53 für die Datenleitungen 32 angeschlos sen. Der Knotenpunkt ist als Klemme in der Zündschutzart "erhöhte Sicherheit" oder als starre Verbindung, beispiels weise als Lötstelle entsprechend der Zündschutzart "erhöhte Sicherheit", ausgeführt.

Die unterbrochene Linie 47 zeigt schematisch das Gehäuse ei nes Stecker-Primärteils 23. Die unterbrochene Linie 48 zeigt schematisch das Gehäuse eines Stecker-Sekundärteils 24.

In die obere Abzweigungsleitung 52 ist eine Begrenzerein richtung 34 für die elektrische Leistung eingefügt, durch welche die von den Energieleitungen 31 der Busleitung 51 aufgenommene elektrische Leistung wahlweise auf maximal zulässige elektrische Leistungen gemäß der Zündschutzart eines an dem Knotenpunkt 50 angeschlossenen Verbrauchers 44 begrenzt werden kann. Die Begrenzereinrichtung 34 dient da her der Einhaltung der Zündschutzart des Primärteils (z. B. m, d) sowie des Sekundärteils, da die übertragene Energie stets kleiner als die zugeführte Energie ist.

In beide Abzweigungsleitungen 53 der Datenleitungen 32 ist eine Begrenzereinrichtung 35 eingefügt, welche ebenfalls Begrenzungsaufgaben erfüllt und der Sicherstellung der Ein haltung der primärseitigen Zündschutzart (z. B. m, d) und bei kontaktbehafteter Übertragungstechnik auch der se kundären Zündschutzart dient.

Die Abzweigungsleitungen 53 der Datenleitungen 32 werden einem Transceiver 36 zugeführt. Die physikalische Schnitt stelle ist z. B. RS485. In den Transceiver 36 gelangen außerdem noch Energieversorgungsleitungen 54 und Anschluß leitungen 55 für Daten, welche an ein Elektronikmodul 37 mit einem Modulator-Demodulator angeschlossen sind. In die ser Einheit findet eine Umwandlung der von der Busleitung 51 empfangenen elektrischen Größen in solche elektrischen Größen statt, welche zur Übertragung in einem zugehörigen Steckverbindungssystem geeignet sind. Dabei handelt es sich in diesem Fall um ein induktiv arbeitendes Steckverbin dungssystem, beispielsweise gemäß der Ausführungsform aus den Fig. 1 und 2. Die vom Modulator-Demodulator des Moduls 37 umgewandelten elektrischen Größen werden einer primär seitigen Spule 39 zugeführt und von dieser in eine sekun därseitige Spule 40 induktiv übertragen. An die sekundär seitige Spule 40 ist ein sekundärseitiges Elektronikmodul 41 mit einem Modulator-Demodulator angeschlossen, welcher eine Umformung der zur induktiven Übertragung geeigneten elektrischen Signalform in eine zur weiteren Verarbeitung geeignete Form zum Verbraucher 44 umformt. Der sekundärsei tige Modulator-Demodulator 41 ist über Anschlußleitungen 46 entweder über einen optional vorgesehenen sekundärseitigen Transceiver 43 oder direkt mit dem Verbraucher 44 verbun den. Über Versorgungsspannungsleitungen 42 wird dem Ver braucher 44 die zu dessen Betrieb notwendige Energie vom sekundärseitigen Modulator-Demodulator 41 übertragen. Der optional vorgesehene sekundärseitige Transceiver 43 ist ebenfalls über Energieabzweigungsleitungen 45 an die Ver sorgungsspannungsleitung 42 angeschlossen.

Vom Verbraucher 44 herrührende Rückmeldungsdaten durchlau fen die dargestellte Anordnung in umgekehrter Reihenfolge.

Das gesamte Primärteil 23 ist z. B. in der Zündschutzart (m, d, q, p) oder einer anderen Zündschutzart oder einer Kombi nation davon ausgeführt. Das gesamte Sekundärteil 24 ist z. B. in der Zündschutzart (i) oder einer anderen Zündschutz art ausgeführt.

Optional kann auch ein Verbraucher 44 versorgt werden, wel cher z. B. in der Zündschutzart (e, m, d, q, p) oder einer Kombination davon ausgeführt ist.

Auch können einfache Betriebsmittel angeschlossen werden. Zu diesem Zweck ist dem primärseitigen Elektronikmodul 37 eine Überwachungsschaltung 38 zugeordnet, welche die Zünd schutzart des angeschlossenen Verbrauchers 44 überwacht und die von der primärseitigen Spule 39 übertragbaren Werte der elektrischen Größen anpaßt. Bei abgezogenem Sekundärteil 24 wird auf Werte für die Zündschutzart "Eigensicherheit" ge regelt. Dabei kann es sich um eine Leistung von z. B. 2 W handeln, die zur Aufrechterhaltung der Überwachung notwen dig ist. Die Überwachungsschaltung 38 erhält über induktive Einkopplung durch die beiden Spulen 39, 40 Selbstidentifi zierungsdaten von der Sekundärseite, d. h. beispielsweise von dem Verbraucher 44 oder einem dem Stecker-Sekundärteil 24 zugeordneten Bauteil. Nur wenn die Überwachungsschaltung 38 aus den Selbstidentifizierungsdaten der Sekundärseite sicher erfaßt hat, daß die gesamte Anordnung, welche an das Stecker-Primärteil 23 angeschlossen ist, einer anderen Zündschutzart als Eigensicherheit unterliegt, wird von der Überwachungsschaltung 38 ein Signal an die Leistungsbegren zungen 34 und 35 übermittelt, worauf diese die von der Bus leitung 51 eintreffende elektrische Leistung auf einen Ma ximalwert gemäß der Zündschutzart des angeschlossenen Be triebsmittels begrenzen. Wenn Selbstidentifizierungsdaten von der Sekundärseite nicht eindeutig erfaßt wurden, weist die Überwachungsschaltung 38 die Leistungsbegrenzungen 34 und 35 an, die Leistung auf für die Zündschutzart "Eigensi cherheit" zulässige Werte zu begrenzen. Diese Anordnung ist mehrfach "fail-safe" ausgeführt, was im einzelnen aus der Figur nicht hervorgeht.

Eine besondere Aufgabe erfüllt die Überwachungsschaltung 38 bezüglich eines Luftspaltes 49 zwischen den beiden Spulen 39 und 40. Dieser Luftspalt 49 ist z. B. zur Einhaltung der Anforderungen an die Zündschutzart notwendig und darf nicht vergrößert werden, indem beispielsweise die beiden Stec kerhälften auseinandergezogen werden. Daher erfaßt die Überwachungsschaltung 38 eine Vergrößerung des Luftspaltes 49 und stellt in einem solchen Fall augenblicklich sicher, daß die von der primärseitigen Spule 39 übertragbare elek trische Leistung auf für die Zündschutzart "Eigensicher heit" zulässige Werte begrenzt ist.

Bezug nehmend auf die Fig. 1 und 2 wird dies dadurch er reicht, daß ein Lösen der Überwurfmutter 13, welches zu einem Auseinanderziehen von Primärteil 23 und Sekundär teil 24 und damit zu einer Vergrößerung des Luftspaltes 49 führen könnte, sicher detektiert wird und zu den oben ange gebenen Maßnahmen führt. Es kann auch eine mechanische Si cherung vorgesehen sein, durch die ein Aufschrauben der Ge winde 12 immer mit der Entfernung der primär- und sekun därseitigen Spule 5, 27, 2, 29 voneinander verbunden ist. Dadurch wird der Übertragungswirkungsgrad verschlechtert.

Wie oben dargestellt wurde, findet die Umwandlung der Über tragungsart von der Zündschutzart (e) zur Zündschutzart Ei gensicherheit (i) im Stecker-Primärteil 23 statt.

Fig. 4 zeigt die Elektronik eines intelligenten Sensors. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden Energieversor gungsleitungen der einzelnen Komponenten in Fig. 4 nicht dargestellt. Die Bezugsziffern für bereits in vorhergehen den Figuren dargestellte Bauteile stimmen mit den Bezugs ziffern aus diesen Figuren überein. Auf eine nochmalige Be schreibung dieser Bauteile wird verzichtet.

Die Daten werden über einen Transceiver 56 einem Elektro nikmodul 57 zugeführt. Das Elektronikmodul 57 weist einen Mikroprozessor 58 und zugehörige Peripheriebausteine auf. Dabei handelt es sich im einzelnen um ein ROM 59, ein RAM 60, ein Power on reset (POR)-Modul 61 und einen Watch Dog Timer (WDT) 62. Dem Elektronikmodul 57 ist weiterhin ein EEPROM 63 zugeordnet. Alle diese Bauteile sind im Sekundär teil 24 der Steckverbindung angeordnet. In das EEPROM 63 wird die Adresse des zugehörigen Sensors eingespeichert und angesteuert durch den Mikroprozessor 58 wird die Sensor elektronik vorzugsweise erst dann aktiviert, wenn auf den Signalleitungen 32 an den zugehörigen Stecker adressierte Daten eingegeben werden. Ansonsten schaltet der Mikropro zessor 58 die Elektronik bei Bedarf vorteilhafterweise ab.

Die von dem Elektronikmodul 57 abgegebenen Signale werden über weitere Signalverarbeitungs-Bauteile dem Verbraucher 44 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen Analog-Digi talwandler 64, eine Bandgapreferenz 65, einen Multiplexer 66 und einen angeschlossenen Pt100 67. Die Funktionsweise dieser Bauteile wird im einzelnen hier nicht beschrieben. Die Bauteile dienen prinzipiell dazu, genaue Daten von dem Sensor 44, welcher in diesem Fall ein Thermoelement ist, zu erhalten.

Das Elektronikmodul 57 und das EEPROM 63 können alternativ auch im Primärteil 23 der Steckverbindung untergebracht sein. In diesem Fall wird in das EEPROM 63 die Adresse des Knotenpunktes eingespeichert.

Claims

1. Steckverbindung für einen explosionsgefährdeten Be reich zur Energie- und Datenübertragung zwischen min destens einem elektrischen Verbraucher (44) und einem Bussystem (50),
mit einem als Übertrager ausgebildeten Primär- (23) und Sekundärteil (24),
wobei das Primär- (23) und Sekundärteil (24) trenn- und verbindbar sind, und
mit einer dem Primärteil (23) zugeordneten Wandlerein richtung (37),
dadurch gekennzeichnet,

a) daß das Bussystem (50) jeweils über separate Zuführleitungen (31, 32) für Energie und Daten mit der Steckverbindung (23, 24) in Verbindung steht,
b) daß mindestens im Primärteil (23) Begrenzerein richtungen (34, 35; 38) für zu übertragende elektri sche Größen vorgesehen sind, und
c) daß mindestens das Sekundärteil (24) dem explo sionsgefährdeten Bereich zuordenbar ist.

2. Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager induktiv und mit sicherer galvani scher Trennung ausgelegt ist.

3. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das primärseitige Gehäuse (10) der Steckverbin dung in der Zündschutzart druckfeste Kapselung (d), Vergußkapselung (m), in einer Kombination davon oder in einer anderen Zündschutzart (p, g, s, o) ausge bildet ist.

4. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitungen (31, 32) des Bussystems als 4-Draht-Leitung oder 3-Draht-Leitung ausgebildet sind.

5. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steckverbindung zur bidirektionalen Daten übertragung ausgelegt ist, und
daß das Primärteil (23) und das Sekundärteil (24) je weils eine Modulator/Demodulator-Einrichtung (37, 41) für Daten aufweisen.

6. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärteil (23) und optional auch das Sekun därteil (24) jeweils einen Transceiver (36, 43), auf weisen.

7. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärteil (23) und/oder das Sekundärteil (24) einen Mikroprozessor und einen adressierbaren Spei cher, insbesondere ein EEPROM, aufweisen bzw. auf weist.

8. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Primärteil (23) eine Einrichtung (38) zur Lastüberwachung des am Sekundärteil (24) angeschlos senen Verbrauchers (44) aufweist, und
daß die Begrenzereinrichtungen (34, 35; 38) zur Be grenzung der an das Sekundärteil (24) zu übertragenden elektrischen Größen auf für die Zündschutzart (e), die Zündschutzart (i) oder andere Zündschutzarten (z. B. m, d, p, q, s, o) zulässige Werte ausgelegt ist.

9. Steckverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (38) zur Lastüberwachung die Ener gieübertragung des Primärteils (23) nur dann aktiviert, wenn ein Signal vom Sekundärteil (24) emp fangen wird, welches sicherstellt, daß der angeschlos sene Verbraucher (44) ordnungsgemäß arbeitet.

10. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Primär- (23) und Sekundärteil (24) ein der Zündschutzart (d) angepaßter Luftspalt (49) aus gebildet ist, und
daß eine Sicherungseinrichtung zur Überwachung des Luftspaltes (49) vorgesehen ist.

11. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil (24) einen nichtflüchtigen Speicher (63) zur Speicherung einer Adresse und/oder weiterer Kenndaten der Steckverbindung und/oder des angeschlossenen Verbrauchers (44) aufweist.

12. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß im Sekundärteil (24) eine Überwachungseinrichtung (58) für die vom Bussystem (51) zugeführten Daten vor gesehen ist,
und daß die Überwachungseinrichtung (58) beim Empfang von an das Sekundärteil (24) der Steckverbindung ad ressierten Daten vom Bussystem (51) die elektronischen Bauteile des Sekundärteils (24) aktiviert.

13. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das Primärteil (23) eine in einem primärseitigen Ferritkern (4) vorgesehene Spule (5) mit einer Isolie rung (68) aufweist,
daß das Sekundärteil (24) eine um einen dornartig aus gebildeten Ferritkern (1) gewickelte und von Isolierun gen (3, 69) umgebene Spule (2) aufweist, und
daß der sekundärseitige Ferritkern (1) im zusammenge steckten Zustand der Steckverbindung in eine Ausnehmung des primärseitigen Ferritkerns (4) eingeführt ist, so daß die primärseitige Spule (5) und die sekundärsei tige Spule (2) koaxial und im selben axialen Abschnitt angeordnet sind.

14. Steckverbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnseite des Primärteils (23) einen ringför migen Aufsatz (6), welcher als Zentriereinrichtung und Abstandsteil ausgeführt ist, aus einem magnetisch schlecht leitenden Material aufweist, und
daß der dornartige sekundärseitige Ferritkern (1) ei nen Sockelabschnitt (7) ebenfalls aus einem magnetisch schlecht leitendem Material hat.

15. Steckverbindung nach einem der Ansprüch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß ein primärseitiger Ferritkern (28) und ein sekun därseitiger Ferritkern (30) jeweils in Form eines Topfes mit Topfkern vorgesehen sind,
daß um den jeweiligen Topfkern jeweils eine Spule (27, 29) gewickelt ist, die isoliert und im zusammenge steckten Zustand der Steckverbindung koaxial mit ihren Stirnseiten gegeneinander ausgerichtet sind.

16. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Luftspalt (49) von einem Zwischenraum (14) zwischen primärseitigem Ferritkern (4, 28) und sekundärseitigem Ferritkern (1, 30) bis zu einer Ge windeverbindung (12) oder einem anderen Verriegelungs mechanismus, z. B. einem Bajonettverschluß, zwischen einer Überwurfmutter (13) und dem primärseitigen Stec kergehäuse (21), sowie einem Zwischenraum (25) zwi schen der Überwurfmutter (13) und einem sekundärseiti gen Steckergehäuse (10) erstreckt.

17. Steckverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Einrichtung zur Datenübertragung zwischen Primärteil (23) und Sekundärteil (24) vorge sehen ist.

18. Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit elektrischen Kontakten versehene Einrich tung zur Übertragung der elektrischen Größen zwischen Primärteil (23) und Sekundärteil (24) vorgesehen ist.

19. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Bussystem (51) mindestens zwei elektrische Leitungen (31) für die Energieübertragung, mindestens zwei elektrische Leitungen (32) für die Informations übertragung und eine Abschirmung (33) aufweist.

20. Steckverbindung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Bussystem (51) in Knotenpunktanordnung ausge führt ist, und daß die Knotenpunkte Klemmen in der Zündschutzart "erhöhte Sicherheit" oder starre Verbin dungen, insbesondere Lötstellen entsprechend der Zündschutzart "erhöhte Sicherheit", sind.

21. Energie- und Datenübertragungsverfahren für explo sionsgefährdete Bereiche, bei welchem Energie und Da ten über ein Bussystem zu einem Primärteil minde stens einer Steckverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 übertragen werden und von einem Sekundärteil der Steckverbindung zu mindestens einem Verbraucher übertragbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Primärteil die Zündschutzart des angeschlosse nen Verbrauchers erfaßt wird und
daß die zu übertragenden elektrischen Größen auf Maxi malwerte entsprechend der erfaßten Zündschutzart be grenzt werden.

22. Energie- und Datenübertragungsverfahren nach An spruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalwerte der zu übertragenden elektrischen Größen bei abgezogenem Sekundärteil auf für die Zünd schutzart "Eigensicherheit" (i) zulässige Werte oder auf Werte für "einfache Betriebsmittel" begrenzt wer den.