WO2007039230A1 - Kapazitive energieübertragung zwischen kapazitiv gekoppelten komponenten - Google Patents

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WO2007039230A1
WO2007039230A1 PCT/EP2006/009446 EP2006009446W WO2007039230A1 WO 2007039230 A1 WO2007039230 A1 WO 2007039230A1 EP 2006009446 W EP2006009446 W EP 2006009446W WO 2007039230 A1 WO2007039230 A1 WO 2007039230A1
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circuit part
branch
capacitive coupling
electrical
energy
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PCT/EP2006/009446
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Inventor
Klaus GÜNTER
Original Assignee
Vega Grieshaber Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
    • H04B5/22—Capacitive coupling

Definitions

  • the invention relates to a power supply device, an interface device, a field device arrangement and a method for supplying a device with energy, in particular with electrical isolation between a field device and an operating device.
  • measuring devices For measuring the level of liquids and solids in containers from the use of measurement of propagation time of electromagnetic waves measuring devices are usually mounted on or in the container wall. The measuring device then sends waves, either guided through a waveguide or radiated via an antenna, in the direction of the medium. The waves reflected on the medium are then received again by the measuring device. The distance between the sensor and the filling material, and from the knowledge of the position from the sensor to the bottom of the container, results in the filling level sought from the determined running time.
  • field devices for example, a level measuring device
  • HART bus standard a Profibus or an FF (Foundation Fieldbus"
  • Such a level gauge can be arranged in a potentially explosive environment, for example in an oil tank.
  • Such a level gauge can exchange data with a central control unit, for example a PC.
  • a PC central control unit
  • a transformer having coils operatively connected to one another may transmit an alternating electrical signal. In such an electrical alternating signal energy can be contained and thus transmitted.
  • a full bridge converter which is suitable for energy transmission between two separate components by means of a transformer, is known from Udo Leonhard Thiel, "switching power supplies", 2nd edition, Franzis Verlag, pages 74 and 75.
  • switching power supplies 2nd edition, Franzis Verlag, pages 74 and 75.
  • an AC voltage can be generated from a DC voltage, which is transmitted by a transformer from a primary side to a secondary side, then rectified and is then available on the secondary side as an energy source. Since in a transformer arrangement, the geometric distance between the primary and the secondary side in many cases is not sufficiently large due to the coupled coils, the onset of an inductive coupling in a hazardous environment or outside can be problematic because potential equalization currents can occur. Nevertheless, is an inductive
  • Coupling element as a power transmission unit due to the need for the provision of the coils and other components in terms of dimensions too large to be suitable for a miniaturized arrangement.
  • a power supply device an interface device, a field device arrangement, and a method for supplying a device with energy having the features according to the independent claims are provided.
  • a power supply device for a device wherein the power supply device has a first circuit part, a second circuit part
  • Circuit part and a capacitive coupling unit wherein the first circuit part of the second circuit part by means of the capacitive coupling unit is electrically isolated and wherein by means of the capacitive coupling unit electrical energy from the first circuit part in the second circuit part can be coupled capacitively.
  • an interface device for coupling a control device to a field device, wherein the interface device comprises a power supply device the features described above for supplying the device with electrical energy, wherein the device comprises the interface device and / or the control device and / or the field device.
  • a field device arrangement which has a field device and an interface device with the features described above for coupling a control device to the field device.
  • a method of powering a device wherein in the method a first circuit part is or is galvanically isolated from a second circuit part by means of a capacitive coupling unit, and electrical energy from the first circuit part in FIG the second circuit part is capacitively coupled by means of a capacitive coupling unit.
  • an exemplary embodiment of the invention can thus be operated safely by providing a galvanic isolation between two components to be coupled a potentially explosive environment or a non-hazardous environment. Simultaneously, power can be supplied by transmitting electrical signals across a capacitive coupling element, using the energy contained in the transmitted electrical signals as the source of energy. Due to the capacitive separation of the two circuit parts can thus be operated safely by providing a galvanic isolation between two components to be coupled a potentially explosive environment or a non-hazardous environment. Simultaneously, power can be supplied by transmitting electrical signals across a capacitive coupling element, using the energy contained in the transmitted electrical signals as the source of energy. Due to the capacitive separation of the two circuit parts can thus
  • Sparks jump or the flow of equipotential bonding currents between the two circuit parts can be avoided, and simultaneously can capacitively an electric (alternating) current (which can also be referred to as "signal" and may optionally contain information) to be transmitted in this Signal used to supply energy to one of the coupled circuit parts or other, associated device.
  • an electric (alternating) current which can also be referred to as "signal” and may optionally contain information
  • an undesired or impermissible flow of equipotential bonding currents due to the galvanic isolation and the capacitive coupling element can be avoided so that involved devices can be safely protected against possible damage or destruction.
  • the spacing of the capacitor plates or of the two electrically conductive capacitor elements can be selected to be sufficiently large that reliable decoupling can be ensured as explosion protection and at the same time an efficient energy transmission can be made possible.
  • the dimension of such an arrangement - due to the dispensability of a transformer - can be chosen sufficiently small that a miniaturized arrangement is obtained, which meet with respect to the transferable energy requirements, for example, an interface device for coupling a control device with a field device.
  • This provides an energy transfer capability that can be used, for example, in an environment in which level gauges, pressure gauges or other field devices are to be operated in an explosive environment.
  • an energy transfer between two circuit parts can not be realized by means of a transformer, but with the interconnection of capacitances, which enables a particularly small-dimensioned yet powerful operation.
  • a DC signal for example using appropriately timed switches, can be clearly chopped to generate a pulse train or an alternating signal, which can then be transmitted capacitively. After a rectification of the transmitted signal is then possibly even a direct current signal for supplying a device with electrical power ready.
  • a transmission of sufficiently high electrical powers is possible, for example in the mW range.
  • the capacitive coupling element as a capacitor bank, for example as an arrangement of parallel connected capacitors, a capacitive coupling can be amplified and thus the transmittable energy can be increased due to the additive effect of the correspondingly interconnected individual capacitances.
  • this principle of power supply using capacitive power transfer in combination with galvanic isolation may be used for an interface converter to couple a control computer to a level sensor.
  • a control computer can communicate with such an interface device via a USB interface
  • Interface converter may be coupled, which interface converter can communicate with a level sensor, for example, according to the HART protocol or the I2C standard.
  • a level sensor for example, according to the HART protocol or the I2C standard.
  • both the galvanic separation as explosion protection and the energy transfer in capacitive ways be realized so that, for example, the interface converter and / or the level sensor can be powered by this energy transfer concept with energy or can.
  • two galvanically isolated circuit parts can be included, which transfer capacitive energy, which is supplied for example by a battery or a power supply of the connected computer.
  • a current of up to 100 mA, up to 500 mA and more can be transferred via a USB interface ("Universal Serial Bus").
  • USB interface Universal Serial Bus
  • galvanically separate units In a potentially explosive environment, it may be advantageous to galvanically separate units that communicate with each other.
  • galvanic separation is understood in particular to mean that there is no coherent, ohmic conductive path between the units communicating with one another via which charge carriers can flow from one of the units into one of the units that is galvanically separated.
  • the ohmic decoupling of two galvanically separated circuits allows them to be used in a potentially explosive environment or outside of it.
  • the first circuit part and the second circuit part can either be hard-wired, that is to say implemented using macroscopic electronic components or else as an integrated circuit.
  • the energy transmission system can be both by means of a computer program, that is, a software and by means of one or more special electrical circuits, that is, in hardware, or in any hybrid form, that means using software components and hardware components.
  • a power transmission circuit for power transmission between a first terminal and a second
  • Connection can be created, which connections are galvanically isolated from each other.
  • the energy may be transferable between the first terminal and the second terminal, for example by capacitive coupling.
  • the capacitive coupling does not exclude ohmic and / or inductive transmission components.
  • the capacitance of the capacitive coupling unit may be on the order of 100 nF, for example.
  • a chopping frequency that is, a frequency of a time series of pulses or waves, may be on the order of 600 kHz or 630 kHz, for example.
  • 600 kHz or 630 kHz may be on the order of 600 kHz or 630 kHz, for example.
  • larger capacities can also be used, provided that an explosion limitation is observed.
  • the first circuit part can have an electrical energy source that is set up to provide a time-varying electrical potential.
  • This energy source can For example, be a battery or a power supply that can deliver a DC voltage and / or an AC voltage.
  • As an energy source can also serve a connected to the power supply element, for example, a connected to a power supply computer, which is connected via a cable to a power supply device.
  • the electrical energy source may be an electrical AC voltage source. This is advantageous because then the electrical AC energy directly, that is, without intermediate processing, can be transmitted by the capacitive coupling unit.
  • a capacitive circuit element has an infinitely high resistance for a pure DC voltage.
  • the power supply device according to the invention can also be operated with an electrical DC voltage source as an electrical energy source.
  • a switching unit may be provided in the energy supply device, wherein by means of the switching unit, a temporally constant electrical potential provided by the electrical DC voltage source is converted into the time-varying potential.
  • transistors may be interconnected to a switching unit, which are clocked by, for example, clock control. In this way, a direct electrical voltage can be converted into an alternating signal, wherein the frequency of the alternating voltage generated thereby based on the chopping frequency of the DC voltage.
  • the capacitive energy transmission according to the invention can also be realized by using a DC voltage source, such as a battery.
  • the switching unit may comprise a transistor or may have a transistor circuit, driven by means of a clock.
  • the transistor can be a Be bipolar transistor or a field effect transistor, for example, an n-MOSFET or a p-MOSFET.
  • the capacitive coupling unit may comprise at least one element from the group consisting of a capacitor, a capacitor bank, a series connection of at least two capacitors and / or a parallel connection of at least two capacitors.
  • the capacitive coupling unit can be set up in such a way that a spark-over of an electrical signal across the capacitive coupling unit is avoided.
  • the power supply device can then be used in an explosive environment, for example when the fill level in an oil tank is to be measured and the sensor data is to be transmitted to an evaluation unit.
  • Components of the capacitive coupling unit can have such a small capacitance that an explosion-triggering spark-over of an electrical signal across these components is avoided.
  • the value of the capacity can be chosen so small that it can come to any explosion-triggering spark.
  • the arrangement for this can also be operated in low load operation, for example, with a power in the milliwatt range.
  • the second circuit part of the power supply device can have an electrical rectifier unit which is set up to rectify a time-varying electrical signal, which is capacitively coupled into the second circuit part by means of the capacitive coupling unit.
  • a DC voltage as a power supply to make a DC signal from the AC signal with a rectifier circuit.
  • a diode or a diode circuit can be used, wherein in this case use can be made of the effect that a diode can be operated in a reverse direction and in a forward direction, so that only selectively certain components of an AC voltage can be transmitted, whereby a DC voltage can be tapped.
  • the rectified by a rectifier circuit signal can be smoothed.
  • the first circuit part may have a first branch and a second branch connected in parallel with the first branch, wherein the second circuit part may have a third branch and a fourth branch connected in parallel with the third branch.
  • the first branch may be capacitively coupled to the third branch and the second branch may be capacitively coupled to the fourth branch by means of the capacitive coupling unit.
  • a respective branch of the first circuit part can be coupled to an associated branch of the second circuit part.
  • the first branch may be capacitively coupled to the third branch by means of a first capacitor of the capacitive coupling unit
  • the second branch may be capacitively coupled to the fourth branch by means of a second capacitor of the capacitive coupling unit.
  • the device may comprise at least one element from the group consisting of an interface device for coupling a control device and a field device, a control device for controlling a field device via an interface device, and a field device controllable by means of a control device via an interface device.
  • a field device may be, for example, a level gauge or a pressure sensor.
  • a controller may be, for example, a computer (eg, PC, server computer, laptop, handheld device, programmer, etc.) that may be provided for driving and reading a field device.
  • An interface device can, for example, mediate between such a control device and a field device, in particular provide galvanic isolation and / or enable format conversion or conversion of transmitted signals.
  • a control device can be controlled via a USB interface, which can be coupled to a first input of such an interface device, and a second input of such an interface device can, for example, signals according to a standard understandable for the field device (for example, HART or I2C). provide.
  • the conversion of these signal formats can be done by the interface device.
  • the electrical energy from the first circuit part in the second circuit part can be coupled purely capacitive.
  • the physical nature of the energy injection from an ohmic and / or an inductive component can be completely free, so that a completely capacitive coupling can take place.
  • the power supply device can be configured to supply the device with energy for operation in a potentially explosive environment. However, the power supply device can also be set up to supply the device for operation in a non-hazardous environment with energy.
  • the interface device may include a first port for connecting the controller, which may be a USB port.
  • the controller may be a computer. In this way, the interface device can be set up for connection to a commercial PC, which thus with a connected field device can be operated. Thus, energy can be provided or transmitted via a USB bus.
  • the interface device can have a second connection, which can be set up for connection to the field device.
  • this second connection may be a HART connection or an I2C connection or a Profibus or a FF bus ("Foundation Fieldbus"), that is to say in particular a connection which permits transmission of signals according to the HART bus standard or the I2C protocol. Bus standard allows.
  • I2C or I 2 C (for Inter-Integrated Circuit) is a serial bus for computer systems. It can be used to connect devices to an embedded system or motherboard. For example, I2C may be used in accordance with the present invention to facilitate communication of various devices over longer line connections.
  • the HART protocol (“Highway Addressable Remote Transmitter”) may be referred to as an open master-slave protocol for bus-addressable field devices and may implement a method of frequency-shift keying (FSK) data superimposed on the 4-20mA process signal to transmit to enable remote configuration and diagnostics verification.
  • FSK frequency-shift keying
  • I2C and HART are useful as protocols for communicating with a field device, such as a level gauge or a pressure gauge.
  • the interface device can be set up as an interface converter, that is to say as a device which has a format of the data between the interface for connecting the control device and the interface to the interface Connecting the field device allows.
  • an interface converter that is to say as a device which has a format of the data between the interface for connecting the control device and the interface to the interface Connecting the field device allows.
  • the field device arrangement may be a level gauge or a pressure gauge.
  • a field device for example as any type of sensor or actuator, in particular controlled by an associated control unit.
  • Fig. 1 shows a power supply device according to an exemplary
  • FIG. 2 shows a field device arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a field device arrangement according to an exemplary
  • Embodiment of the invention. 4 shows a field device arrangement according to an exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a partial area of a field device arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows a power supply device according to an exemplary
  • Fig. 7 shows a power supply device according to an exemplary
  • Fig. 8 is a circuit diagram of an interface device according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the power supply circuit 100 for supplying a load 103 with electrical energy, wherein the load 103 may be located in an explosive environment (for example, in a level sensor of an oil tank).
  • the power supply circuit 100 has a first circuit part 101 and a second circuit part 102, as well as a capacitive coupling unit 104.
  • the first circuit part 101 is galvanically isolated from the second circuit part 102 by means of the capacitive coupling unit 104.
  • electrical energy can be capacitively coupled from the first circuit part 101 into the second circuit part 102, wherein this energy can then be used to supply the load 103 with direct electrical voltage energy.
  • the first circuit part 101 has an electrical energy source that is set up to provide a time-varying electrical potential.
  • the electrical energy source in Fig. 1 is a DC electric power source 105, which is symbolized in Fig. 1 by a positive pole ("+") and by a negative pole ("-").
  • both capacitors 109, 110 may be provided for both capacitors 109, 110 a common DC voltage source. Then, the two positive poles of Fig. 1 may be coupled together, and then the two negative poles of Fig. 1 may be coupled together.
  • a first DC voltage source may be provided for the capacitor 109, and separately, a second DC voltage source may be provided for the capacitor 110.
  • an arrangement of transistor switches 106, 107 is provided, wherein by means of the switching unit formed thereby a time constant electric potential provided by the electric DC voltage source 105 or the time constant electrical voltage, the
  • Potential difference between positive pole and negative pole corresponds to a time-varying electrical potential is convertible.
  • the switching unit formed by the first transistor 106 and the second transistor 107 a clock control, which act on the switches 106, 107.
  • each of the transistor switches 106, 107 is connected between the two poles of the DC voltage source 105.
  • a suitable clock by means of a suitable clock, a periodic opening and closing of the transistors 106, 107 take place, so that a corresponding pulse signal is applied to a first capacitor 109 or to a second capacitor 110 of the capacitive coupling unit 104.
  • the two transistor switches 106 may be clocked in phase opposition to each other so that one of the two transistor switches 106 is opened and the other is simultaneously closed simultaneously.
  • the two transistor switches 107 may be clocked in phase opposition to each other so that one of the two transistor switches 107 is opened and the other is simultaneously closed simultaneously.
  • the timing of the two transistor switches 106 and the two transistor switches 107 may be such that the pulse trains generated thereby, which act on the two capacitors 109, 110, are in phase opposition to one another.
  • the capacitances 109, 110 are permeable to an alternating electrical signal, an alternating signal can thereby be transmitted from the first circuit part 101 into the second circuit part 102.
  • the distance of the electrical connections of the two capacitors 109, 1 10 is chosen so large (for example, 1 mm to 10 mm) and their quality or insulation resistance can be selected accordingly, that a flashover of an electrical signal on the capacitive
  • Coupling unit 104 is avoided.
  • the power supply circuit 100 is also suitable for energy transmission of a device in a potentially explosive environment.
  • Such a good dielectric strength with a simultaneously sufficiently high value of the capacitance can also be achieved by introducing a dielectric (for example with a sufficiently high value of the relative dielectric constant).
  • Series-connected capacitors can form a non-fault-prone assembly, so that a device can be supplied with energy even in an Ex environment.
  • the second circuit part 102 includes a rectifier unit 111 which rectifies the time-varying electrical signal applied to the right capacitor plates of the capacitors 109, 110, as shown in FIG. 1, the rectifier unit 111 having a diode circuit (for example a diode bridge circuit).
  • a diode circuit for example a diode bridge circuit
  • Fig. 1 an optional smoothing capacitor 112 for smoothing the circuit characteristic is further shown, wherein between the two terminals of the Rectifier circuit 111, which are not coupled to the capacitors 109, 110, a DC electrical potential is provided, with which the load or device 103 can be supplied with electrical energy.
  • the power supply circuit 100 includes a first branch 113 in the first circuit part 101, in which first branch 113 the first capacitor 109 is disposed. Parallel to the first branch 113, a second branch 114 of the first circuit part 101 is provided, in which the second capacitor 110 is connected. A third branch 115 of the second
  • Circuit portion 102 again includes the first capacitor 109, and a fourth branch 116 of the second circuit portion 102 includes the second capacitor 110.
  • the first and third branches 113, 115 are on the one hand and the second and fourth branches, respectively 114, 116 connected in parallel with each other.
  • the field device arrangement 200 contains a control PC 201, an interface converter 202 and a fill level gauge 203 for measuring the fill level in a connected tank 204 and with a connected power supply unit 207.
  • the interface converter 202 includes a first port 205, which is a USB port, such that the PC 201 and the interface converter 202 are coupled via the USB bus 205.
  • the interface converter 202 contains second terminals 206, by means of which the interface converter 202 with the level gauge 203 can be coupled, selectively according to the I2C standard or the HART standard.
  • the interface converter 202 and the level gauge 203 are coupled according to the HART standard.
  • the port 206 is connected to the level gauge 203 via a connecting line between the level gauge 203 and the level meter 203 energized power supply unit 207.
  • the interface converter 202 is configured to couple the control PC 201 to the level gauge 203 and has a
  • Power supply device (as shown in Fig. 1), by means of which the electrical energy requirement of the interface converter 202 can be covered.
  • PCs 201 in the interface converter 202 coupled energy the level gauge 203 can be operated, for example in a scenario in which a separate power supply 207 of the level gauge 203 is difficult or undesirable.
  • the interface converter 202 realizes a galvanic isolation between the control PC 201 and the level gauge 203, which is arranged in a potentially explosive environment.
  • This galvanic isolation can be referred to as explosion protection and goes hand in hand with the capacitive energy transfer in the interface converter 202.
  • the energy stored in a con-ceivable capacitor should be sufficiently small to be unsuitable for forming an ignitable spark.
  • FIG. 3 once again shows a field device arrangement which is coupled to a programming device 300 for setting the data recording can. Furthermore, the patch converter 202 placed here on the level gauge 203 is also shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a further field device arrangement in which a control PC 201 is coupled to the interface converter 202 via a USB bus 205. In this way, a readout of data can be done.
  • FIG. 5 shows a part of a further field device arrangement in which a programming device 500 is now coupled to the interface converter 202 via a HART connection 206.
  • FIG. 6 shows a power supply device according to an exemplary embodiment of the invention.
  • an integrated circuit 601 which serves to provide a time-varying signal (for example a rectangular pulse) on the basis of a provided DC signal.
  • a pulse signal which can be provided at an output of the integrated circuit 601 goes into two parallel branches, in one of which two branches an inverter 602 is connected, which is missing in the other branch.
  • the signals propagating in the two parallel paths pass through driver stages 603 and 604, respectively.
  • the alternating signals located in these two branches are capable of having first capacitors 605 in the upper one Traversing branch or second capacitors 606 in the lower branch, which not only galvanically isolate the circuit part arranged on the left from the circuit part arranged on the right allow, but simultaneously enable a capacitive energy transfer in the right according to FIG. 6 circuit part.
  • the alternating signal transmitted in this way in the two branches is rectified by a bridge circuit of diodes 607, so that between two terminals 608 and 609, a DC voltage for supplying power to a load is provided.
  • the circuit arrangement 700 which is described below with reference to FIG. 7, represents a DC-DC converter according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a power supply 701 serves as a DC voltage source.
  • a clock generator 702 generates a clock with which the DC voltage generated by the power supply unit 701 is converted into a pulse train in accordance with the clock frequency.
  • the clock signal acts on first to fourth field-effect transistors 704 to 707. In other words, this clock signal is applied to gate terminals of the field-effect transistors 704 to 707, if necessary after having passed through inversion.
  • the field effect transistors 704 to 707 are conductive or blocking, so that a clocked signal between the source / drain
  • Terminals of the field effect transistors 704 to 707 is generated.
  • the energy of this energy transmitted through the source / drain terminals and thus via the channel region of the field effect transistors 704 to 707 is taken from the power supply 701.
  • These clocked signals are passed through two parallel connected capacitor chains 708 and 709, which is possible due to the frequency of the pulsed energy signals. In this way, energy is transferred from the PC side (right side of FIG. 7) to the left side of FIG. 7
  • This rectified power can be used to provide electrical power to a resistor cascade 711, for example, to provide electrical power to the interface converter.
  • a circuit arrangement 800 which also serves to transfer power from a USB bus 205 (see FIG. 2) to a HART bus 206 (see FIG. 2).
  • FIG. 8 shows a plurality of components, reference being made in the following primarily to the energy supply unit 801.
  • An AC voltage source 802 serves as a clock generator. After signals generated therefrom have been passed through corresponding logic elements 803 (or also drivers which serve as energy source), a capacitive coupling circuit 804 is run through, so that after passing through these capacitors 804 at the corresponding terminals, an AC voltage is provided which via the galvanic isolation is provided according to FIG. 8 to the right. After rectification of this AC voltage by a rectifier bridge 805, a DC power supply 806 can be used to supply the HART bus 206 or the elements connected thereto. As an alternative to the HART standard, the data on the right-hand side of FIG. 8 can also be processed according to the I2C standard.

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Abstract

Energieversorgungseinrichtung für eine Vorrichtung, wobei die Energieversorgungseinrichtung einen ersten Schaltungsteil (101), einen zweite Schaltungsteil (102) und eine kapazitive Kopplungseinheit aufweist, wobei der erste Schaltungsteil von dem zweiten Schaltungsteil mittels der kapazitiven Kopplungseinheit (109, 110) galvanisch getrennt ist, und wobei mittels der kapazitiven Kopplungseinheit elektrische Energie von dem ersten Schaltungsteil in den zweiten Schaltungsteil kapazitiv einkoppelbar ist.

Description

Kapazitive Energieübertragung zwischen kapazitiv gekoppelten Komponenten
Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beanspracht die Priorität der US Provisional Patentanmeldung Nr. 60/723 857, eingereicht am 5. Oktober 2005 und der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2005 047 611.2, eingereicht am 5. Oktober 2005, deren Inhalte hierin durch Referenz inkorporiert werden.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung, ein Schnittstellengerät, eine Feldgerät- Anordnung und ein Verfahren zum Versorgen einer Vorrichtung mit Energie, insbesondere mit galvanischer Trennung zwischen einem Feldgerät und einem Bediengerät.
Hintergrund der Erfindung
Zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten und Feststoffen in Behältern aus Ausnutzung der Messung von Laufzeit von elektromagnetischen Wellen werden Messvorrichtungen üblicherweise an oder in der Behälterwand montiert. Die Messvomchtung sendet anschließend Wellen, entweder geführt durch einen Wellenleiter oder abgestrahlt über eine Antenne, in Richtung des Füllguts. Die am Füllgut reflektierten Wellen werden anschließend von der Messvomchtung wieder empfangen. Aus der daraus ermittelbaren Laufzeit ergibt sich der Abstand zwischen Sensor und Füllgut, und aus der Kenntnis der Position vom Sensor zum Behälterboden die gesuchte Füllhöhe.
In der Messtechnik ist es üblich, dass Feldgeräte (zum Beispiel ein Füllstandsmessgerät) Prozessgrößen in elektrische Signale wandeln, und über Bussysteme mit anderen Geräten verbunden sind. Es lassen sich damit die von den Feldgeräten aufgenommenen Mess-Signale über eine größere Distanz zu anderen Geräten übertragen. Eine übliche Technik, um Feldgeräte an andere Geräte anzubinden, bietet der so genannte HART-Busstandard, ein Profibus oder ein FF (" Foundation Fieldbus").
Ein derartiges Füllstandsmessgerät kann in einer explosionsgefährdeten Umgebung, zum Beispiel in einem Öltank, angeordnet sein. Ein solcher Füllstandsmesser kann mit einer zentralen Steuereinheit, zum Beispiel einem PC, Daten austauschen. Dabei sind Funkenüberschläge aufgrund des Ausgleichens möglicher Potentialunterschiede durch Fließen von Potentialausgleichsströmen zu vermeiden, da dies in einer explosionsgefährdeten Umgebung gefährlich sein kann oder Geräte beschädigen oder zerstören kann.
Es ist möglich, eine Energieübertragung zwischen zwei Elementen in einer explosionsgefährdeten Umgebung oder auch außerhalb einer explosionsgefährdeten Umgebung unter Verwendung von Transformatoren zu erzielen. Ein Transformator, der miteinander in Wirkverbindung gebrachte Spulen aufweist, kann ein elektrisches Wechselsignal übertragen. In einem solchen elektrischen Wechselsignal kann Energie enthalten sein und somit übertragen werden.
Ein Vollbrückenwandler, der sich zur Energieübertragung zwischen zwei mittels eines Transformators getrennten Komponenten eignet, ist aus Udo Leonhard Thiel, "Schaltnetzteile", 2. Auflage, Franzis Verlag, Seiten 74 und 75, bekannt. Durch einen Schalter kann aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung generiert werden, die durch einen Transformator von einer Primärseite auf eine Sekundärseite übertragen wird, danach gleichgerichtet wird und dann auf der Sekundärseite als Energiequelle zur Verfügung steht. Da bei einer Transformatoranordnung der geometrische Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärseite aufgrund der gekoppelten Spulen in vielen Fällen nicht ausreichend groß ist, kann das Einsetzen einer induktiven Kopplung in einer explosionsgefährdeten Umgebung oder außerhalb problematisch sein, da Potentialausgleichsströme auftreten können. Dennoch ist ein induktives
Kopplungselement als Energieübertragungseinheit aufgrund der Notwendigkeit des Vorsehens der Spulen und weiterer Komponenten von den Dimensionen her zu groß, als dass es für eine miniaturisierte Anordnung tauglich wäre.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente
Energieversorgungseinrichtung für eine Vorrichtung bereitzustellen.
Demgemäß wird eine Energieversorgungseinrichtung, ein Schnittstellengerät, eine Feldgerät-Anordnung, und ein Verfahren zum Versorgen einer Vorrichtung mit Energie mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen geschaffen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Energieversorgungseinrichtung für eine Vorrichtung bereitgestellt, wobei die Energieversorgungsseinrichtung einen ersten Schaltungsteil, einen zweiten
Schaltungsteil und eine kapazitive Kopplungseinheit aufweist, wobei der erste Schaltungsteil von dem zweiten Schaltungsteil mittels der kapazitiven Kopplungseinheit galvanisch getrennt ist und wobei mittels der kapazitiven Kopplungseinheit elektrische Energie von dem ersten Schaltungsteil in den zweiten Schaltungsteil kapazitiv einkoppelbar ist.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Schnittstellengerät zum Koppeln eines Steuergeräts mit einem Feldgerät geschaffen, wobei das Schnittstellengerät eine Energieversorgungseinrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Versorgen der Vorrichtung mit elektrischer Energie aufweist, wobei die Vorrichtung das Schnittstellengerät und/oder das Steuergerät und/oder das Feldgerät aufweist.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Feldgerät- Anordnung bereitgestellt, die ein Feldgerät und ein Schnittstellengerät mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Koppeln eines Steuergeräts mit dem Feldgerät aufweist.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Versorgen einer Vorrichtung mit Energie geschaffen, wobei bei dem Verfahren ein erstes Schaltungsteil von einem zweiten Schaltungsteil mittels einer kapazitiven Kopplungseinheit galvanisch getrennt wird oder ist, und bei dem elektrische Energie von dem ersten Schaltungsteil in den zweiten Schaltungsteil mittels einer kapazitiven Kopplungseinheit kapazitiv eingekoppelt wird.
Gemäß einem exemplarischen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung kann somit eine explosionsgefährdete Umgebung oder auch eine nicht explosionsgefährdete Umgebung durch Vorsehen einer galvanischen Trennung zwischen zwei zu koppelnden Komponenten sicher betrieben werden. Simultan kann eine Energieversorgung durch eine Übertragung elektrischer Signale über ein kapazitives Kopplungselement hinweg erfolgen, wobei die in den übertragenen elektrischen Signalen enthaltene Energie als Energiequelle eingesetzt wird. Durch die kapazitive Trennung der beiden Schaltungsteile kann somit ein
Funkenübersprung bzw. das Fließen von Potentialausgleichsströmen zwischen den beiden Schaltungsteilen vermieden werden, und simultan kann kapazitiv ein elektrischer (Wechsel-)Strom (der auch als „Signal" bezeichnet werden kann und optional eine Information enthalten kann) übertragen werden, um die in diesem Signal enthaltene Energie zur Energieversorgung eines der gekoppelten Schaltungsteile oder einer anderen, damit verbundenen Vorrichtung zu verwenden.
Erfindungsgemäß kann ein unerwünschtes oder unzulässiges Fließen von Potentialausgleichströmen aufgrund der galvanischen Trennung und des kapazitiven Kopplungselements vermieden werden, so dass beteiligte Geräte vor einer möglichen Beschädigung oder Zerstörung sicher geschützt werden können.
Bei einer Kapazität oder einem Kondensator als kapazitives Kopplungselement kann vorteilhaft sein, dass der Abstand der Kondensatorplatten bzw. der beiden elektrisch leitfähigen Kondensatorelemente ausreichend groß gewählt werden kann, dass eine sichere Entkopplung als Exschutz gewährleistet werden kann und gleichzeitig eine effiziente Energieübertragung ermöglicht werden kann. Dennoch kann die Dimension einer solchen Anordnung - aufgrund der Entbehrlichkeit eines Transformators - ausreichend klein gewählt werden, dass eine miniaturisierte Anordnung erhalten wird, die hinsichtlich der übertragbaren Energie Anforderungen zum Beispiel eines Schnittstellengerät zum Koppeln eines Steuergeräts mit einem Feldgerät gerecht werden. Damit ist eine Energieübertragungsmöglichkeit geschaffen, die zum Beispiel in einer Umgebung angewendet werden kann, in der Füllstandsmessgeräte, Druckmessgeräte oder andere Feldgeräte in explosiver Umgebung betrieben werden sollen.
Anschaulich ist erfindungsgemäß ein Energietransfer zwischen zwei Schaltungsteilen nicht mittels eines Transformators, sondern unter Verschaltung von Kapazitäten realisierbar, was einen besonders kleindimensionierten und dennoch leistungsfähigen Betrieb ermöglicht. Auch kann ein Gleichstromsignal, zum Beispiel unter Verwendung von entsprechend getakteten Schaltern, anschaulich zerhackt werden, um eine Pulsfolge oder ein Wechselsignal zu generieren, welches dann kapazitiv übertragen werden kann. Nach einer Gleichrichtung des übertragenen Signals steht dann gegebenenfalls sogar ein Gleichstromsignal zur Versorgung einer Vorrichtung mit elektrischer Leistung bereit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Übertragung von ausreichend hohen elektrischen Leistungen möglich, zum Beispiel im mW- Bereich. Bei Ausgestaltung des kapazitiven Kopplungselements als Kondensatorbank, zum Beispiel als Anordnung parallel geschalteter Kondensatoren, kann aufgrund der additiven Wirkung der entsprechend verschalteten Einzelkapazitäten eine kapazitive Kopplung verstärkt und damit die übertragbare Energie vergrößert werden.
Zum Beispiel kann dieses Prinzip der Energieversorgung unter Verwendung einer kapazitiven Energieübertragung in Kombination mit einer galvanischen Trennung für einen Schnittstellenkonverter zum Koppeln eines Steuercomputers mit einem Füllstandsensor eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein solcher Steuercomputer über eine USB-Schnittstelle mit einem solchen Schnittstellengerät oder
Schnittstellenkonverter gekoppelt sein, welcher Schnittstellenkonverter zum Beispiel gemäß dem HART-Protokoll oder dem I2C-Standard mit einem Füllstandsensor kommunizieren kann. Alternativ ist es auch möglich, dass ein solcher Schnittstellenkonverter drahtlos („wireless") mit dem Steuergerät und/oder mit dem Feldgerät kommuniziert, z.B. mittels wireless LAN oder Bluetooth.
In dem Schnittstellenkonverter kann sowohl die galvanische Trennung als Explosionsschutz als auch die Energieübertragung auf kapazitivem Wege realisiert sein, so dass zum Beispiel der Schnittstellenkonverter und/oder der Füllstandsensor durch dieses Energieübertragungskonzept mit Energie versorgt werden kann oder können.
Anders ausgedrückt können in einem solchen Schnittstellenkonverter zwei galvanisch getrennte Schaltungsteile enthalten sein, welche Energie kapazitiv übertragen, die zum Beispiel von einem Akku oder einem Netzteil des angeschlossenen Computers geliefert wird.
Über eine USB-Schnittstelle („Universal Serial Bus") zum Beispiel kann bei einer Spannung von 5 Volt ein Strom von bis zu 100 mA, von bis zu 500 mA und mehr übertragen werden.
In einer explosionsgefährdeten Umgebung kann es vorteilhaft sein, miteinander kommunizierende Einheiten galvanisch zu trennen. Unter dem Begriff galvanische Trennung wird im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere verstanden, dass es zwischen den miteinander kommunizierenden Einheiten keinen zusammenhängenden, ohmsch leitfähigen Weg gibt, über den Ladungsträger aus einer der Einheiten in eine davon galvanisch getrennte andere der Einheiten fließen können. Durch das ohmsche Entkoppeln zweier galvanisch getrennter Schaltkreise können diese in einer explosionsgefährdeten Umgebung oder außerhalb davon eingesetzt werden.
Der erste Schaltungsteil und der zweite Schaltungsteil können entweder hartverdrahtet, das heißt unter Verwendung makroskopischer elektronischer Bauelemente oder auch als integrierter Schaltkreis realisiert sein. Insbesondere kann das Energieübertragungssystem sowohl mittels eines Computerprogramms, das heißt, einer Software als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, das heißt in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Softwarekomponenten und Hardwarekomponenten, realisiert werden.
Zum Beispiel kann erfindungsgemäß ein Energieübertragungsschaltkreis zum Energieübertragen zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten
Anschluss geschaffen sein, welche Anschlüsse galvanisch voneinander getrennt sind. Die Energie kann zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zum Beispiel durch eine kapazitive Kopplung übertragbar sein. Die kapazitive Kopplung schließt dabei ohmsche und/oder induktive Übertragungskomponenten nicht aus.
Die Kapazität der kapazitiven Kopplungseinheit kann zum Beispiel in der Größenordnung von 100 nF liegen. Eine Zerhackfrequenz, das heißt, eine Frequenz einer zeitlichen Abfolge von Pulsen oder Wellen, kann zum Beispiel in der Größenordnung von 600 kHz oder 630 kHz liegen. Es können auch wesentlich größere Kapazitäten verwendet werden, sofern dabei eine Explosionsbegrenzung beachtet wird.
Exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen der Energieversorgungseinrichtung beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für das Schnittstellengerät, die Feldgerät- Anordnung und das Verfahren zum Versorgen einer Vorrichtung zum Betrieb in einer explosionsgefährdeten Umgebung mit Energie.
Bei der Energieversorgungseinrichtung kann der erste Schaltungsteil eine elektrische Energiequelle aufweisen, die zum Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Potentials eingerichtet ist. Diese Energiequelle kann zum Beispiel ein Akku oder ein Netzteil sein, der eine Gleichspannung und/oder eine Wechselspannung liefern kann. Als Energiequelle kann auch ein an die Energieversorgungseinrichtung angeschlossenes Element dienen, zum Beispiel ein an ein Stromversorgungsnetz angeschlossener Computer, der über ein Kabel mit einer Energieversorgungseinrichtung verbunden ist.
Die elektrische Energiequelle kann eine elektrische Wechselspannungsquelle sein. Dies ist vorteilhaft, da dann die elektrische Wechselspannungsenergie direkt, das heißt ohne Zwischenverarbeitung, durch die kapazitive Kopplungseinheit übertragen werden kann.
Ein kapazitives Schaltungselement hat dagegen für eine reine Gleichspannung einen unendlich hohen Widerstand. Dennoch kann die erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung auch mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle als elektrische Energiequelle betrieben werden. In diesem Fall kann in der Energieversorgungseinrichtung eine Schalteinheit vorgesehen sein, wobei mittels der Schalteinheit ein von der elektrischen Gleichspannungsquelle bereitgestelltes zeitlich konstantes elektrischen Potential in das zeitlich veränderliche Potential umgewandelt wird. Zum Beispiel können Transistoren zu einer Schalteinheit verschaltet werden, die zum Beispiel durch eine Taktsteuerung getaktet werden. Auf diese Art und Weise kann auch eine elektrische Gleichspannung in ein Wechselsignal umgewandelt werden, wobei die Frequenz der dadurch erzeugten Wechsel Spannung auf der Zerhackfrequenz der Gleichspannung basiert. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße kapazitive Energieübertragung auch unter Verwendung einer Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel einer Batterie, realisiert werden.
Die Schalteinheit kann einen Transistor oder kann eine Transistorschaltung aufweisen, angesteuert mittels eines Taktes. Der Transistor kann ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor sein, zum Beispiel ein n-MOSFET oder ein p-MOSFET.
Die kapazitive Kopplungseinheit kann zumindest ein Element aus der Gruppe aufweisen, die besteht aus einem Kondensator, einer Kondensatorbank, einer Serienschaltung von mindestens zwei Kondensatoren und/oder einer Parallelschaltung von mindestens zwei Kondensatoren. Mittels Verschaltens einer Mehrzahl von Kondensatoren kann die realisierbare Effektivkapazität erhöht werden. Bei der Verwendung ausreichend großer Kondensatoren kann ebenfalls eine große Kapazität erreicht werden. Andererseits kann es vorteilhaft sein, die Kondensatoren klein auszubilden und statt dessen lieber eine Mehrzahl von solchen Kondensatoren vorzusehen, um die Dimension des Gesamtsystems gering zu halten.
Die kapazitive Kopplungseinheit kann derart eingerichtet sein, dass ein Funkenüberschlag eines elektrischen Signals über die kapazitive Kopplungseinheit hinweg vermieden ist. Zum Beispiel kann die Energieversorgungseinrichtung dann in einer explosiven Umgebung eingesetzt werden, zum Beispiel wenn in einem Öltank der Füllstand gemessen werden soll und die Sensordaten an eine Auswerteeinheit übertragen werden sollen.
Komponenten der kapazitiven Kopplungseinheit (zum Beispiel ein Kondensator) können eine derart geringe Kapazität aufweisen, dass ein explosionsauslösender Funkenüberschlag eines elektrischen Signals über diese Komponenten hinweg vermieden ist. Mit anderen Worten kann der Wert der Kapazität so klein gewählt werden, dass es zu keinem explosionsauslösenden Funken kommen kann. Insbeondere kann die Anordnung hierfür auch im Kleinlastbetrieb betrieben werden, zum Beispiel mit einer Leistung im Milliwatt-Bereich. Der zweite Schaltungsteil der Energieversorgungseinrichtung kann eine elektrische Gleichrichtereinheit aufweisen, die eingerichtet ist, ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal gleichzurichten, das mittels der kapazitiven Kopplungseinheit in den zweiten Schaltungsteil kapazitiv eingekoppelt ist. Wenn eine Wechselspannung oder eine mittels eines Schaltelements zu einem Wechselsignal umgewandelte Gleichspannung über die kapazitive Kopplungseinheit in den zweiten Schaltungsteil übertragen worden ist, kann es zum Erzeugen einer Gleichspannung als Energieversorgung vorteilhaft sein, mit einer Gleichrichterschaltung aus dem Wechselsignal ein Gleichsignal zu machen. Hiefür kann zum Beispiel eine Diode oder eine Diodenschaltung eingesetzt werden, wobei hierbei von dem Effekt Gebrauch gemacht werden kann, dass eine Diode in einer Sperrrichtung und in einer Durchlassrichtung betrieben werden kann, so dass nur selektiv bestimmte Komponenten einer Wechselspannung übertragen werden können, womit eine Gleichspannung abgreifbar ist.
Mittels eines Glättungskondensators kann das von einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtete Signal geglättet werden.
Der erste Schaltungsteil kann einen ersten Zweig und einen zu dem ersten Zweig parallel geschalteten zweiten Zweig aufweisen, wobei der zweite Schaltungsteil einen dritten Zweig und einen zu dem dritten Zweig parallel geschalteten vierten Zweig aufweisen kann. Der erste Zweig kann mit dem dritten Zweig und der zweite Zweig kann mit dem vierten Zweig mittels der kapazitiven Kopplungseinheit kapazitiv gekoppelt werden. Mit anderen Worten kann es vorteilhaft sein, sowohl den ersten Schaltungsteil als auch den zweiten
Schaltungsteil durch Verwendung von zwei parallel geschalteten Pfaden oder Zweigen zu realisieren. Dann kann ein jeweiliger Zweig des ersten Schaltungsteils mit einem zugehörigen Zweig des zweiten Schaltungsteils gekoppelt werden. Der erste Zweig kann mit dem dritten Zweig mittels eines ersten Kondensators der kapazitiven Kopplungseinheit kapazitiv gekoppelt sein, und der zweite Zweig kann mit dem vierten Zweig mittels eines zweiten Kondensators der kapazitiven Kopplungseinheit kapazitiv gekoppelt sein. Durch das Vorsehen von zwei Zweigen sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite des kombinierten galvanischen Trennungs- und kapazitiven Energiegewinnungssystems kann insbesondere eine gleichmäßigere Gleichspannung auf der Sekundärseite realisiert werden.
Die Vorrichtung kann zumindest ein Element aufweisen aus der Gruppe, bestehend aus einem Schnittstellengerät zum Koppeln eines Steuergeräts und einem Feldgerät, einem Steuergerät zum Steuern eines Feldgeräts über ein Schnittstellengerät, und einem mittels eines Steuergeräts über ein Schnittstellengerät steuerbaren Feldgeräts.
Ein Feldgerät kann zum Beispiel ein Füllstandsmesser oder ein Drucksensor sein. Ein Steuergerät kann zum Beispiel ein Computer (zum Beispiel PC, Servercomputer, Laptop, Handheld Device, Programmiergerät etc.) sein, der zum Ansteuern und Auslesen eines Feldgeräts vorgesehen sein kann.
Ein Schnittstellengerät kann zum Beispiel zwischen einem solchen Steuergerät und einem Feldgerät vermitteln, insbesondere eine galvanische Trennung bereitstellen und/oder eine Formatumwandlung oder Konvertierung übertragener Signale ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Steuergerät über eine USB- Schnittstelle angesteuert werden, welche mit einem ersten Eingang eines solches Schnittstellengeräts gekoppelt werden kann, und ein zweiter Eingang eines solchen Schnittstellengeräts kann zum Beispiel Signale gemäß einem für das Feldgerät verständlichen Standard (zum Beispiel HART oder I2C) bereitstellen. Die Umwandlung dieser Signalformate kann durch das Schnittstellengerät erfolgen.
Auch kann es erforderlich sein, zum Beispiel mit einen Programmiergerät auf ein Feldgerät zuzugreifen, um dieses zu eichen, dieses zu kontrollieren oder um Signale aus dem Feldgerät auszulesen.
Mittels der kapazitiven Kopplungseinrichtung kann die elektrische Energie von dem ersten Schaltungsteil in den zweiten Schaltungsteil rein kapazitiv einkoppelbar sein. Mit anderen Worten kann die physikalische Natur der Energieeinkopplung von einer ohmschen und/oder von einer induktiven Komponente vollständig frei sein, so dass eine vollständig kapazitive Kopplung erfolgen kann.
Die Energieversorgungseinrichtung kann zum Versorgen der Vorrichtung zum Betrieb in einer explosionsgefährdeten Umgebung mit Energie eingerichtet sein. Allerdings kann die Energieversorgungseinrichtung auch zum Versorgen der Vorrichtung zum Betrieb in einer nicht-explosionsgefährdeten Umgebung mit Energie eingerichtet sein.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen des Schnittstellengeräts beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für die Energieversorgungseinrichtung, für die Feldgerät- Anordnung und für das Verfahren zum Versorgen einer Vorrichtung zum Betrieb einer explosionsgefährdeten Umgebung mit Energie.
Das Schnittstellengerät kann einen ersten Anschluss zum Anschließen des Steuergeräts aufweisen, welcher ein USB-Anschluss sein kann. Das Steuergerät kann ein Computer sein. Auf diese Art und Weise kann das Schnittstellengerät zum Anschluss an einen handelsüblichen PC eingerichtet sein, welcher somit mit einem angeschlossenen Feldgerät betrieben werden kann. Über einen USB-Bus kann somit Energie bereitgestellt bzw. übertragen werden.
Ferner kann das Schnittstellengerät einen zweiten Anschluss aufweisen, welcher zum Anschließen an das Feldgerät eingerichtet sein kann. Zum Beispiel kann dieser zweite Anschluss ein HART- Anschluss oder ein I2C Anschluss oder ein Profibus oder ein FF Bus ("Foundation Fieldbus") sein, das heißt insbesondere ein Anschluss, welcher eine Übertragung von Signalen gemäß dem HART- Busstandard bzw. dem I2C-Busstandard ermöglicht.
I2C oder I2C (für Inter-Integrated Circuit) ist ein serieller Bus für Computersysteme. Er kann benutzt werden, um Geräte an ein Embedded System oder eine Hauptplatine anzuschließen. Erfindungsgemäß kann I2C zum Beispiel eingesetzt werden, um eine Kommunikation verschiedener Geräte über längere Leitungsverbindungen zu ermöglichen.
Das HART Protokoll („Highway Addressable Remote Transmitter") kann insbeondere als ein offenes Master-Slave-Protokoll für busadressierbare Feldgeräte bezeichnet werden. Es kann eine Methode implementieren, Daten mittels Frequency Shift Keying (FSK), aufgesetzt auf dem 4-20mA-Prozesssignal, zu übertragen, um Fernkonfiguration und Diagnoseüberprüfung zu ermöglichen.
Sowohl I2C als auch HART eignen sich als Protokoll zur Kommunikation mit einem Feldgerät, zum Beispiel mit einem Füllstandsmessgerät oder mit einem Druckmessgerät.
Insbesondere kann das Schnittstellengerät als Schnittstellenkonverter eingerichtet sein, das heißt als Vorrichtung, welche ein Format der Daten zwischen der Schnittstelle zum Anschließen des Steuergeräts und der Schnittstelle zum Anschließen des Feldgeräts ermöglicht. Auf diese Art und Weise können auch zwei auf völlig unterschiedlichen Standards basierenden Geräte, nämlich Steuergerät und Feldgerät, miteinander kommunizieren, wenn ein erfindungsgemäßes Schnittstellengerät als „Übersetzer" dazwischengeschaltet ist.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen der Feldgerät- Anordnung beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für die Energieversorgungseinrichtung, für das Schnittstellengerät und für das Verfahren zum Versorgen einer Vorrichtung zum Betrieb in einer explosionsgefährdeten Umgebung mit Energie.
Die Feldgerät- Anordnung kann ein Füllstandsmessgerät oder ein Druckmessgerät sein. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, ein solches Feldgerät auszugestalten, zum Beispiel als jede Art von Sensor oder Aktuator, insbesondere gesteuert durch ein zugehöriges Steuergerät.
Exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Energieversorgungseinrichtung gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 eine Feldgerät-Anordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 eine Feldgerät-Anordnung gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 eine Feldgerät- Anordnung gemäß einem exemplarischen
Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, das in Zusammenhang mit Fig. 3 steht.
Fig. 5 ein Teilbereich einer Feldgerät-Anordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 6 eine Energieversorgungseinrichtung gemäß einem exemplarischen
Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 7 eine Energieversorgungseinrichtung gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 8 einen Schaltplan eines Schnittstellengeräts gemäß einem exemplarischen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 1 eine Energieversorgungseinrichtung 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Energieversorgungsschaltkreis 100 zum Versorgen einer Last 103 mit elektrischer Energie, wobei die Last 103 in einer explosionsgefährdeten Umgebung (zum Beispiel in einem Füllstandssensor eines Öltanks) angeordnet sein kann. Der Energieversorgungsschaltkreis 100 weist einen ersten Schaltungsteil 101 und einen zweiten Schaltungsteil 102 auf, sowie eine kapazitive Kopplungseinheit 104.
Der erste Schaltungsteil 101 ist von dem zweiten Schaltungsteil 102 mittels der kapazitiven Kopplungseinheit 104 galvanisch getrennt. Es können weitere galvanische Trennungselemente vorgesehen sein, das heißt, kapazitive Entkopplungen zwischen den beiden Schaltungsteilen 101, 102, die ein direktes Fließen von elektrischem Strom zwischen diesen beiden Schaltungsteilen 101, 102 vermeiden. Mittels der kapazitiven Kopplungseinheit 104 ist elektrische Energie von dem ersten Schaltungsteil 101 in den zweiten Schaltungsteil 102 kapazitiv einkoppelbar, wobei diese Energie dann zum Versorgen der Last 103 mit elektrischer Gleichspannungsenergie verwendet werden kann.
Der erste Schaltungsteil 101 weist eine elektrische Energiequelle auf, die zum Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Potentials eingerichtet ist. Die elektrische Energiequelle in Fig. 1 ist eine elektrische Gleichspannungsquelle 105, die in Fig. 1 durch einen Pluspol („+") und durch einen Minuspol („-") symbolisiert ist.
Es kann für beiden Kondensatoren 109, 110 eine gemeinsame Gleichspannungsquelle vorgesehen sein. Dann können die beiden Pluspole aus Fig. 1 miteinander gekoppelt sein, und dann können die beiden Minuspole aus Fig. 1 miteinander gekoppelt sein.
Alternativ kann für den Kondensator 109 eine erste Gleichspannungsquelle vorgesehen sein, und separat davon kann für den Kondensator 110 eine zweite Gleichspannungsquelle vorgesehen sein. Ferner ist eine Anordnung aus Transistorschaltern 106, 107 vorgesehen, wobei mittels der dadurch gebildeten Schalteinheit ein von der elektrischen Gleichspannungsquelle 105 bereitgestelltes zeitlich konstantes elektrisches Potential bzw. die zeitlich konstante elektrische Spannung, die der
Potentialdifferenz zwischen Pluspol und Minuspol entspricht, in ein zeitlich veränderliches elektrisches Potential umwandelbar ist.
Hierfür weist die Schalteinheit, gebildet aus dem ersten Transistor 106 und dem zweiten Transistor 107, eine Taktsteuerung auf, welche auf die Schalter 106, 107 wirken. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist jeder der Transistorschalter 106, 107 zwischen die beiden Pole der Gleichspannungsquelle 105 verschaltet. Nunmehr kann mittels eines geeigneten Taktes ein periodisches Öffnen und Schließen der Transistoren 106, 107 erfolgen, so dass ein entsprechendes Pulssignal an einem ersten Kondensator 109 bzw. an einem zweiten Kondensator 110 der kapazitiven Kopplungseinheit 104 anliegt.
Die beiden Transistorschalter 106 können zueinander gegenphasig getaktet sein, so dass jeweils einer der beiden Transistorschalter 106 geöffnet und der jeweils andere simultan geschlossen ist. Die beiden Transistorschalter 107 können zueinander gegenphasig getaktet sein, so dass jeweils einer der beiden Transistorschalter 107 geöffnet und der jeweils andere simultan geschlossen ist. Die Taktung der beiden Transistorschalter 106 und der beiden Transistorschalter 107 kann derart sein, dass die dadurch generierten Pulsfolgen, die auf die beiden Kondensatoren 109, 110 wirken, zueinander gegenphasig sind.
Da die Kapazitäten 109, 1 10 für ein elektrisches Wechselsignal durchlässig sind, kann dadurch ein Wechselsignal von dem ersten Schaltungsteil 101 in den zweiten Schaltungsteil 102 übertragen werden. Der Abstand der elektrischen Anschlüsse der beiden Kondensatoren 109, 1 10 ist derart groß gewählt (zum Beispiel 1 mm bis 10 mm) und deren Qualität bzw. Isolationsfestigkeit kann entsprechend selektiert werden, dass ein Funkenüberschlag eines elektrischen Signals über die kapazitive
Kopplungseinheit 104 hinweg vermieden ist. Dadurch eignet sich der Energieversorgungsschaltkreis 100 auch zur Energieübertragung einer Vorrichtung in einer explosionsgefährdeten Umgebung.
Mit einem ausreichend großen Abstand der elektrischen Anschlüsse der Kondensatoren voneinander und/oder mit einer ausreichenden Qualität der Isolationsfestigkeit kann auch bewirkt werden, dass eine ausreichend gute Durchschlagfestigkeit erreicht wird. Eine solche gute Durchschlagfestigkeit bei einem simultan ausreichend hohen Wert der Kapazität kann auch mittels Einbringens eines Dielektrikums (zum Beispiel mit einem ausreichend hohen Wert der relativen Dielektrizitätskonstante) erreicht werden.
In Serie geschaltete Kondensatoren können eine nicht störungsanfällige Baugruppe bilden, so dass eine Vorrichtung auch in Ex-Umgebung mit Energie versorgbar ist.
Der zweite Schaltungsteil 102 enthält eine elektrische Gleichrichtereinheit 111, welche das zeitlich veränderliche elektrische Signal, das an den gemäß Fig. 1 rechten Kondensatorplatten der Kondensatoren 109, 110 anliegt, gleichzurichten, wobei die Gleichrichtereinheit 111 eine Diodenschaltung (zum Beispiel eine Diodenbrückenschaltung) aufweist.
In Fig. 1 ist ferner ein optionaler Glättungskondensator 112 zur Glättung der Schaltkreischarakteristik gezeigt, wobei zwischen den zwei Anschlüssen des Gleichrichterschaltkreises 111, die nicht mit den Kondensatoren 109, 110 gekoppelt sind, ein elektrisches Gleichspannungspotential bereitgestellt ist, mit welchem die Last oder Vorrichtung 103 mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält der Energieversorgungsschaltkreis 100 einen ersten Zweig 113 in dem ersten Schaltungsteil 101, in welchem ersten Zweig 113 der erste Kondensator 109 angeordnet ist. Parallel zu dem ersten Zweig 113 ist ein zweiter Zweig 114 des ersten Schaltungsteils 101 vorgesehen, in welchen der zweite Kondensator 110 verschaltet ist. Ein dritter Zweig 115 des zweiten
Schaltungsteils 102 enthält wiederum den ersten Kondensator 109, und ein vierter Zweig 116 des zweiten Schaltungsteils 102 enthält den zweiten Kondensator 110. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind der erste und der dritte Zweig 113, 1 15 einerseits sowie der zweite und der vierte Zweig 114, 116 zueinander parallel geschaltet.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 2 eine Feldgerät-Anordnung 200 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Feldgerät- Anordnung 200 enthält einen Steuer-PC 201, einen Schnittstellenkonverter 202 und ein Füllstandsmessgerät 203 zum Messen des Füllstands in einem angeschlossenen Tank 204 und mit einem angeschlossenen Speisegerät 207.
Der Schnittstellenkonverter 202 enthält einen ersten Anschluss 205, welcher ein USB-Anschluss ist, so dass der PC 201 und der Schnittstellenkonverter 202 über den USB-Bus 205 gekoppelt sind.
Ferner enthält der Schnittstellenkonverter 202 zweite Anschlüsse 206, mittels welchen der Schnittstellenkonverter 202 mit dem Füllstandsmessgerät 203 gekoppelt werden kann, und zwar selektiv gemäß dem I2C-Standard oder dem HART-Standard. In der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration sind der Schnittstellenkonverter 202 und das Füllstandsmessgerät 203 gemäß dem HART- Standard gekoppelt. Bei dieser Kopplung gemäß dem HART-Standard ist der Anschluss 206 über eine Verbindungsleitung zwischen dem Füllstandsmessgerät 203 und dem das Füllstandsmessgerät 203 mit Energie versorgenden Speisegerät 207 mit dem Füllstandsmessgerät 203 verbunden.
Der Schnittstellenkonverter 202 ist zum Koppeln des Steuer-PCs 201 mit dem Füllstandsmessgerät 203 eingerichtet und weist eine
Energieversorgungseinrichtung (wie in Fig. 1 gezeigt) auf, mittels welcher der elektrische Energiebedarf des Schnittstellenkonverters 202 gedeckt werden kann.
Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass mit der so von einem Akku des
PCs 201 in den Schnittstellenkonverter 202 eingekoppelten Energie das Füllstandsmessgerät 203 betrieben werden kann, zum Beispiel in einem Szenario, in welchem eine separate Energieversorgung 207 des Füllstandsmessgeräts 203 schwierig oder unerwünscht ist.
Ferner realisiert der Schnittstellenkonverter 202 eine galvanische Trennung zwischen dem Steuer-PC 201 und dem Füllstandsmessgerät 203, welches in einer explosionsgefährdeten Umgebung angeordnet ist. Diese galvanische Trennung kann als Exschutz bezeichnet werden und geht mit der kapazitiven Energieübertragung in dem Schnittstellenkonverter 202 Hand in Hand. Die in einem hierfür vorsehbaren Kondensator gespeicherte Energie sollte ausreichend klein sein, um zum Bilden eines zündfähigen Funkens ungeeignet zu sein.
In Fig. 3 ist nochmals eine Feldgerät-Anordnung gezeigt, die mit einem Programmiergerät 300 zur Einstellung der Datenaufzeichnung gekoppelt werden kann. Ferner ist auch in Fig. 2 der hier auf das Füllstandsmessgerät 203 aufgesetzte Schnittstellenkonverter 202 gezeigt.
In Fig. 4 ist eine weitere Feldgerät-Anordnung gezeigt, in welcher ein Steuer-PC 201 mit dem Schnittstellenkonverter 202 über einen USB-Bus 205 gekoppelt ist. Auf diese Art und Weise kann ein Auslesen von Daten erfolgen.
In Fig. 5 ist ein Teil einer weiteren Feldgerät- Anordnung gezeigt, in welcher nunmehr ein Programmiergerät 500 über einen HART-Anschluss 206 mit dem Schnittstellenkonverter 202 gekoppelt ist.
Fig. 6 zeigt eine Energieversorgungseinrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der Schaltkreisanordnung 600 als Energieversorgung ist ein integrierter Schaltkreis 601 vorgesehen, welcher zum Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen Signals (zum Beispiel eines Rechteckpulses) auf Basis eines bereitgestellten Gleichsignals dient. Ein solches Pulssignal, das an einem Ausgang des integrierten Schaltkreises 601 bereitgestellt werden kann, geht in zwei parallele Zweige, wobei in einem dieser beiden Zweige ein Inverter 602 verschaltet ist, der in dem anderen Zweig fehlt.
Nach Durchlaufen des Inverters 602 in dem einen Zweig bzw. ohne Durchlaufen eines solchen Inverters gelangen die in den beiden parallelen Pfaden propagierenden Signale durch Treiberstufen 603 bzw. 604. Die in diesen beiden Zweigen befindlichen Wechselsignale sind in der Lage, erste Kondensatoren 605 in dem oberen Zweig bzw. zweite Kondensatoren 606 in dem unteren Zweig zu durchlaufen, welche nicht nur eine galvanische Trennung des links davon angeordneten Schaltungsteils von dem rechts davon angeordneten Schaltungsteil ermöglichen, sondern simultan eine kapazitive Energieübertragung in den gemäß Fig. 6 rechten Schaltungsteil ermöglichen.
Das auf diese Weise übertragene Wechselsignal in den beiden Zweigen wird durch eine Brückenschaltung aus Dioden 607 gleichgerichtet, so dass zwischen zwei Anschlüssen 608 und 609 eine Gleichspannung zum Energieversorgen einer Last bereitgestellt ist.
Die Schaltkreisanordnung 700, die im Weiteren bezugnehmend auf Fig. 7 beschrieben wird, stellt einen DC-DC- Wandler gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Diese ermöglicht einen Energietransfer zwischen einem PC, der auf der rechten Seite von Fig. 7 lokalisiert ist, und einem Schnittstellenkonverter, der auf der linken Seite dargestellt ist.
Ein Netzteil 701 dient als Gleichspannungsquelle. Ein Taktgenerator 702 generiert einen Takt, mit welchem die von dem Netzteil 701 erzeugte Gleichspannung entsprechend der Taktfrequenz in eine Pulsfolge umgewandelt wird. Nachdem die Taktung Treiber bzw. Inverter 703 durchlaufen hat, wirkt das Taktsignal auf erste bis vierte Feldeffekttransistoren 704 bis 707. Mit anderen Worten wird dieses Taktsignal, gegebenenfalls nach durchlaufenem Invertieren, auf Gate- Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 704 bis 707 gelegt. Je nachdem welchen Pegel diese Taktsignale gegenwärtig haben, sind die Feldeffekttransistoren 704 bis 707 leitend oder sperrend, so dass ein getaktetes Signal zwischen den Source-/Drain-
Anschlüssen der Feldeffekttransistoren 704 bis 707 generiert wird. Wie aus der Schaltung in Fig. 7 hervorgeht, wird die Energie dieser durch die Source-/Drain- Anschlüsse und somit über den Kanalbereich der Feldeffekttransistoren 704 bis 707 transmittierte Energie dem Netzteil 701 entnommen. Diese getakteten Signale werden durch zwei parallel verschaltete Kondensatorketten 708 bzw. 709 geführt, was aufgrund der Frequenz der gepulsten Energiesignale möglich ist. Auf diese Art und Weise wird Energie von der PC-Seite (rechts in Fig. 7) auf die in Fig. 7 links angeordnete
Schnittstellenkonverterseite geführt und durch eine Gleichrichterschaltung 710, welche aus vier entsprechend verschalteten Dioden aufgebaut ist, geführt.
Diese gleichrichtete Energie kann zur elektrischen Energieversorgung einer Widerstandskaskade 711 verwendet werden, zum Beispiel zum Versorgen des Schnittstellenkonverters mit elektrischer Energie.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 8 eine Schaltkreisanordnung 800 beschrieben, welche ebenfalls zum Übertragen von Energie von einem USB-Bus 205 (siehe Fig. 2) zu einem HART-Bus 206 (siehe Fig. 2) dient.
Fig. 8 zeigt eine Vielzahl von Komponenten, wobei im Folgenden vorwiegend auf die Energieversorgungseinheit 801 Bezug genommen werden soll. Eine Wechselspannungsquelle 802 dient als Taktgenerator. Nachdem davon generierte Signale durch entsprechende Logikelemente 803 (oder auch Treiber, die als Energiequelle dienen) durchgeführt worden sind, wird eine kapazitive Kopplungsschaltung 804 durchlaufen, so dass nach Durchlaufen dieser Kondensatoren 804 an den entsprechenden Anschlüssen eine Wechselspannung bereitgestellt ist, die über die galvanische Trennung hinweg gemäß Fig. 8 nach rechts hin bereitgestellt ist. Nach Gleichrichtung dieser Wechselspannung durch eine Gleichrichterbrücke 805 kann eine Gleichstromversorgung 806 zur Versorgung des HART-Bus 206 bzw. der daran angeschlossenen Elemente eingesetzt werden. AIs Alternative zu dem HART-Standard können auch gemäß dem I2C-Standard die Daten auf der rechten Seite gemäß Fig. 8 verarbeitet werden.
Ergänzend sei daraufhingewiesen, dass "aufweisen" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei daraufhingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden. Bezugszeichen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Energieversorgungseinrichtung zum Versorgen einer Vorrichtung mit Energie, wobei die Energieversorgungseinrichtung aufweist: einen ersten Schaltungsteil; einen zweiten Schaltungsteil; eine kapazitive Kopplungseinheit; wobei der erste Schaltungsteil von dem zweiten Schaltungsteil mittels der kapazitiven Kopplungseinheit galvanisch getrennt ist; wobei über die kapazitive Kopplungseinheit elektrische Energie von dem ersten Schaltungsteil in den zweiten Schaltungsteil kapazitiv einkoppelbar ist.
2. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Schaltungsteil eine elektrische Energiequelle aufweist, die zum Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Potentials eingerichtet ist.
3. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die elektrische Energiequelle eine elektrische Wechselspannungsquelle ist.
4. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die elektrische Energiequelle eine elektrische Gleichspannungsquelle und eine Schalteinheit aufweist, wobei mittels der Schalteinheit ein von der elektrischen Gleichspannungsquelle bereitgestelltes zeitlich konstantes elektrisches Potential in das zeitlich veränderliche elektrische Potential umwandelbar ist.
5. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Schalteinheit einen Transistor oder eine Transistorschaltung oder eine Treiberschaltung aufweist, der oder die mittels eines Taktgebers ansteuerbar ist.
6. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die kapazitive Kopplungseinheit zumindest ein Element aufweist aus der Gruppe bestehend aus einem Kondensator, einer Kondensatorbank, einer Serienschaltung von mindestens zwei Kondensatoren und einer Parallelschaltung von mindestens zwei Kondensatoren.
7. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Komponenten der kapazitiven Kopplungseinheit in einem derart großen Abstand voneinander angeordnet sind, dass ein Funkenüberschlag eines elektrischen Signals über diese Komponenten hinweg vermieden ist.
8. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Komponenten der kapazitiven Kopplungseinheit eine derart geringe Kapazität aufweisen, dass ein explosionsauslösender Funkenüberschlag eines elektrischen Signals über diese Komponenten hinweg vermieden ist.
9. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Schaltungsteil eine elektrische Gleichrichtereinheit aufweist, die eingerichtet ist, ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal gleichzurichten, das über die kapazitive Kopplungseinheit in den zweiten Schaltungsteil kapazitiv eingekoppelt ist.
10. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei die elektrische Gleichrichtereinheit eine Diode oder eine Diodenschaltung aufweist.
11. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Schaltungsteil einen ersten Zweig und einen zu dem ersten Zweig parallel geschalteten zweiten Zweig aufweist, wobei der zweite Schaltungsteil einen dritten Zweig und einen zu dem dritten Zweig parallel geschalteten vierten Zweig aufweist, wobei der erste Zweig mit dem dritten Zweig und der zweite Zweig mit dem vierten Zweig über die kapazitive Kopplungseinheit kapazitiv gekoppelt ist.
12. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 11 , wobei der erste Zweig mit dem dritten Zweig über einen ersten Kondensator der kapazitiven Kopplungseinheit kapazitiv gekoppelt ist, und wobei der zweite Zweig mit dem vierten Zweig über einen zweiten Kondensator der kapazitiven Kopplungseinheit kapazitiv gekoppelt ist.
13. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung zumindest ein Element aufweist aus der Gruppe bestehend aus einem Schnittstellengerät zum Koppeln eines Steuergeräts mit einem Feldgerät, einem Steuergerät zum Steuern eines Feldgeräts über ein Schnittstellengerät, einem mittels eines Steuergeräts über ein Schnittstellengerät steuerbaren Feldgerät, und einem Programmiergerät für ein Feldgerät.
14. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei mittels der kapazitiven Kopplungseinheit die elektrische Energie von dem ersten Schaltungsteil in den zweiten Schaltungsteil rein kapazitiv einkoppelbar ist.
15. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, eingerichtet zum Versorgen der Vorrichtung zum Betrieb in einer explosionsgefährdeten Umgebung mit Energie.
16. Schnittstellengerät zum Koppeln eines Steuergeräts mit einem Feldgerät, wobei das Schnittstellengerät eine Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist, wobei die mit Energie zu versorgende Vorrichtung das Schnittstellengerät und/oder das Steuergerät und/oder das Feldgerät ist.
17. Schnittstellengerät nach Anspruch 16, aufweisend einen ersten Anschluss zum Anschließen des Steuergeräts.
18. Schnittstellengerät nach Anspruch 17, wobei der erste Anschluss ein USB-Anschluss ist.
19. Schnittstellengerät nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Steuergerät ein Computer ist.
20. Schnittstellengerät nach einem der Ansprüche 16 bis 19, aufweisend einen zweiten Anschluss zum Anschließen des Feldgeräts.
21. Schnittstellengerät nach Anspruch 20, wobei der zweite Anschluss ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem HART-Anschluss, einem I2C-Anschluss, einem Profϊbus PA und einem FF Bus.
22. Schnittstellengerät nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , wobei das Schnittstellengerät als Schnittstellenkonverter eingerichtet ist.
23. Feldgerät- Anordnung, aufweisend ein Feldgerät; ein Schnittstellengerät nach einem der Ansprüche 16 bis 22 zum Koppeln eines Steuergeräts mit dem Feldgerät.
24. Feldgerät- Anordnung nach Anspruch 23, wobei das Feldgerät ein Füllstandsmessgerät oder ein Druckmessgerät ist.
25. Verfahren zum Versorgen einer Vorrichtung mit Energie, wobei das Verfahren aufweist: galvanisches Trennen eines ersten Schaltungsteils von einem zweiten Schaltungsteil mittels einer kapazitiven Kopplungseinheit; kapazitives Einkoppeln von elektrischer Energie von dem ersten Schaltungsteil in den zweiten Schaltungsteil über die kapazitive Kopplungseinheit.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014029585A1 (de) * 2012-08-24 2014-02-27 Endress+Hauser Flowtec Ag Schaltung zur signalübertragung und zur galvanischen trennung
CN105159197A (zh) * 2015-09-11 2015-12-16 重庆川仪自动化股份有限公司 一种通过usb接口读取hart仪表参数的***
DE102019128369A1 (de) * 2019-10-21 2021-04-22 Turck Holding Gmbh Feldgerät mit umschaltbarem Anschlusselement

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4017934A1 (de) * 1990-06-05 1992-01-02 Josef Thomas Wanisch Einrichtung zur drahtlosen informationsabfrage von einer antwortstation, bei der die antwortstation durch das drahtlose abfragesignal einer abfragestation mit der notwendigen energie versorgt wird
DE4409461A1 (de) * 1993-03-26 1994-12-01 Schmall Karl Heinz Vorrichtung und Verfahren zum Übertragen eines elektrischen Signals von einem rotierenden Signalgeber auf einen stationären Signalempfänger
DE19719730C1 (de) * 1997-05-09 1998-10-22 Bartec Mestechnik Und Sensorik Steckverbindung
WO2001080443A1 (de) * 2000-04-18 2001-10-25 Schleifring Und Apparatebau Gmbh Anordnung zur kontaktlosen übertragung elektrischer signale bzw. energie zwischen mehreren ortsveränderlichen einheiten
DE10258075A1 (de) * 2002-12-11 2004-06-24 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen einem Feldgerät und einer externen Einheit
DE202004000928U1 (de) * 2004-01-21 2004-07-29 Brinkhus, Hartmut B., Dr. Schaltungsanordnung zur Codeumwandlung

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4017934A1 (de) * 1990-06-05 1992-01-02 Josef Thomas Wanisch Einrichtung zur drahtlosen informationsabfrage von einer antwortstation, bei der die antwortstation durch das drahtlose abfragesignal einer abfragestation mit der notwendigen energie versorgt wird
DE4409461A1 (de) * 1993-03-26 1994-12-01 Schmall Karl Heinz Vorrichtung und Verfahren zum Übertragen eines elektrischen Signals von einem rotierenden Signalgeber auf einen stationären Signalempfänger
DE19719730C1 (de) * 1997-05-09 1998-10-22 Bartec Mestechnik Und Sensorik Steckverbindung
WO2001080443A1 (de) * 2000-04-18 2001-10-25 Schleifring Und Apparatebau Gmbh Anordnung zur kontaktlosen übertragung elektrischer signale bzw. energie zwischen mehreren ortsveränderlichen einheiten
DE10258075A1 (de) * 2002-12-11 2004-06-24 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen einem Feldgerät und einer externen Einheit
DE202004000928U1 (de) * 2004-01-21 2004-07-29 Brinkhus, Hartmut B., Dr. Schaltungsanordnung zur Codeumwandlung

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014029585A1 (de) * 2012-08-24 2014-02-27 Endress+Hauser Flowtec Ag Schaltung zur signalübertragung und zur galvanischen trennung
CN105159197A (zh) * 2015-09-11 2015-12-16 重庆川仪自动化股份有限公司 一种通过usb接口读取hart仪表参数的***
DE102019128369A1 (de) * 2019-10-21 2021-04-22 Turck Holding Gmbh Feldgerät mit umschaltbarem Anschlusselement

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