Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur

Kommunikation mittels eines Transformators, welcher zumindest eine primärseitige Spule und eine sekundärseitige Spule aufweist, welche Teil eines Schwingkreises sind, wobei der Schwingkreis primärseitig mit einer Erregerfrequenz beaufschlagt wird. Bei der Vorrichtung handelt es sich beispielsweise um ein kapazitives, konduktives, oder vibronisches Füllstandsmessgerät, insbesondere eine

Schwinggabel, um einen Temperatur- und/oder Feuchtesensor oder um ein

Messgerät zur Bestimmung des pH-Wertes, der Leitfähigkeit, oder der Trübung eines Mediums.

Für Feldgeräte der Prozessautomatisierung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ist eine Ex-sichere Ausgestaltung der Leistungs- und Datenübertragung von großer Bedeutung. Die Leistungsübertragung zwischen der Elektronikeinheit und dem Sensor eines Messgerätes erfolgt hierzu häufig über eine kapazitive oder induktive Schnittstelle. Zur Kommunikation zwischen der Primärseite und der

Sekundärseite kommen oftmals Ex-sichere Optokoppler zum Einsatz. Diese sind jedoch kostenintensiv und benötigen zusätzlichen Platz im Elektronikgehäuse.

Eine Alternative zu Optokopplern stellen Modulationsverfahren für die übertragenen Signale dar. Zur Übertragung von Daten von einer Primärseite an eine Sekundärseite über eine konduktive oder induktive Schnittstelle wird meist die Frequenz des Signals moduliert. Hierzu erzeugt eine primärseitige Elektronikeinheit in Abhängigkeit davon, ob eine logische Null oder eine logische Eins zu übertragen ist, ein Signal mit einer ersten Frequenz oder mit einer zweiten Frequenz. Das Signal dient gleichzeitig der Energieübertragung. Zur Kommunikation von der Sekundärseite zur Primärseite wird beispielsweise der Strombedarf der Sekundärseite moduliert. Diese Form der Energie- und Datenübertragung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2006 051 900 A1 offenbart.

Ein weiteres Verfahren zur Kommunikation von der Sekundärseite zur Primärseite mittels Amplitudenmodulation ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift WO2008/135402 A1 beschrieben. Das amplitudenmodulierte Signal wird von einem Klasse-E-Verstärker erzeugt. Die Amplitudenumtastung im Ausgangssignal wird hierbei dadurch erzielt, dass entweder die Ansteuerfrequenz des Klasse-E- Verstärkers variiert wird, oder dass bei konstanter Ansteuerfrequenz die

Resonanzfrequenz des Verstärkers mittels einer zuschaltbaren Last verschoben wird.

Nachteilig an der Amplitudenmodulation ist die relativ hohe Störanfälligkeit

gegenüber eingekoppelten Signalen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine störunanfällige Datenübertragung über eine induktive Schnittstelle bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird von einem Verfahren dadurch gelöst, dass zur Übertragung eines Signals von der Sekundärseite an die Primärseite die Induktivität der

sekundärseitigen Spule moduliert wird.

Primärseitig wird eine sich durch die Modulation der Sekundärinduktivität ergebende Frequenzänderung ausgewertet. Sekundärseitig ist einer logischen Null oder einer logischen Eins jeweils ein Induktivitätswert zugeordnet, welcher entsprechend der zu übertragenden Information eingestellt wird. Primärseitig ist der sich in Abhängigkeit der jeweiligen Induktivität einstellenden Resonanzfrequenz wieder die entsprechende Binärziffer zugeordnet.

Das Verfahren zur Signalübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite stellt eine indirekte Frequenzmodulation dar. Indirekt, da die Frequenz nicht aktiv auf der Sekundärseite gesteuert wird, sondern sekundärseitig eine Kenngröße des

Schwingkreises verändert wird, was eine primärseitig detektierbare

Frequenzänderung hervorruft. Diese Lösung ermöglicht eine Signalübertragung mit hohem Wirkungsgrad. Energie und Information werden über dieselbe Schnittstelle übertragen.

Die Bestimmung des Wirkungsgrades kann weiterhin zu Diagnosezwecken dienen. Ist der Wirkungsgrad geringer als erwartet, oder entspricht die Resonanzfrequenz nicht der erwarteten Resonanzfrequenz, tritt an irgendeiner Stelle ein

Leistungsverlust auf. Ausgehend von der Auswertung des Wirkungsgrades kann ein Warnsignal an das Bedienpersonal erzeugt werden, sodass beispielsweise eine Wartung initiiert werden kann.

In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird die Induktivität durch Änderung der Windungszahl der sekundärseitigen Spule moduliert.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zur primärseitigen Auswertung des Signals eine durch die Modulation der Induktivität hervorgerufene Modulation der Resonanzfrequenz des Schwingkreises detektiert.

Eine hiermit verbundene Ausgestaltung beinhaltet, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und/oder eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus der Amplitude und/oder dem Wirkungsgrad des Transformators bestimmt werden/wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Übertragung eines zweiten Signals von der Primärseite zur Sekundärseite die Erregerfrequenz moduliert. Die Frequenzmodulation stellt ein sehr störsicheres Kommunikationsverfahren dar.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Sekundärseite

Kommunikationsphasen zugeteilt werden, während welcher nur die Sekundärseite Daten überträgt, und dass der Schwingkreis während der Kommunikationsphasen mit der Resonanzfrequenz angeregt wird.

In einer Weiterbildung wird die Erregerfrequenz während der Kommunikationsphase von der Sekundäreinheit zur Primäreinheit derart geregelt, dass die Erregerfrequenz auch bei einer Änderung der Sekundärinduktivität stets der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht.

Gemäß einer Weiterbildung wird die Modulation der Induktivität der sekundärseitigen Spule an Hand einer Nachregelung der Erregerfrequenz erkannt und ausgewertet. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kommuniziert die Sekundärseite unabhängig davon, mit welcher Erregerfrequenz der Schwingkreis angeregt wird, mit der

Primärseite. Mit anderen Worten ist die Sekundärseite nicht an ihr zugeteilte

Kommunikationsphasen gebunden, sondern kann jederzeit mit der Primärseite kommunizieren.

Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mittels der Modulation der

Sekundärinduktivität eine Frequenzumtastung realisiert wird. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst von einer Vorrichtung zur Kommunikation mittels eines Transformators, welcher eine primärseitige Spule und eine sekundärseitige Spule aufweist, welche Teil eines Schwingkreises sind, mit einer primärseitigen Logikeinheit, welche den Schwingkreis mit einer Erregerfrequenz beaufschlagt, und mit einer sekundärseitigen Logikeinheit, wobei die sekundärseitige Logikeinheit zur Übertragung eines Signals von der Sekundärseite an die Primärseite die Induktivität der sekundärseitigen Spule moduliert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die sekundärseitige Spule mindestens einen zu- und wegschaltbaren Spulenabschnitt auf und die sekundärseitige Logikeinheit moduliert die Induktivität durch Zu- und Wegschalten des Spulenabschnittes.

Die primärseitige Logikeinheit regelt die Anregungsfrequenz des Schwingkreises und führt die Anregungsfrequenz derart nach, dass sie stets der Resonanzfrequenz entspricht, auch wenn sich die Resonanzfrequenz auf Grund einer Änderung der Sekundärinduktivität ändert. Hierdurch ist die Leistungsübertragung optimiert.

Eine derartige Vorrichtung findet beispielsweise in einem Feldgerät der

Prozessautomatisierung Anwendung. Als Feldgeräte werden alle Typen von

Messgeräten und Aktoren bezeichnet. Messgeräte dienen der Erfassung von

Prozessgrößen, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung der Prozessgrößen werden Aktoren verwendet, wie Ventile oder Pumpen, über die z.B. der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geändert wird. Prinzipiell ist die Vorrichtung jedoch überall dort einsetzbar, wo Energie und Information über einen Transformator übertragen werden.

Die Erfindung wird bezüglich des Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand der nachfolgenden Figuren gemeinsam näher erläutert.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung mit induktiver Schnittstelle;

Fig. 2a illustriert einen ersten Zustand der Vorrichtung während der Kommunikation; Fig. 2b illustriert den zweiten Zustand der Vorrichtung während der Kommunikation.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kommunikation und Leistungsübertragung mittels eines Transformators 3. Der Transformator 3 bildet die Schnittstelle zwischen einer Primärseite I und einer Sekundärseite II. Die

Primärseite I zeichnet sich durch das Vorhandensein einer Spannungsquelle 4 aus. Die Sekundärseite II weist keine Energiequelle auf, sondern wird von der Primärseite I mit Energie versorgt. Der Verbraucher 5 auf der Sekundärseite II ist beispielsweise ein Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung einer oder mehrerer

Prozessgrößen. Primärseite I und Sekundärseite II besitzen jeweils eine Logikeinheit 1 , 2, welche unter anderem die Kommunikation über den Transformator 3 steuert. Über den Transformator 3, welcher im Wesentlichen aus einer primärseitigen Spule 31 und einer sekundärseitigen Spule 32 aufgebaut ist, erfolgt die Energie- und Signalübertragung von der Primärseite I zur Sekundärseite II, sowie die

Signalübertragung von der Sekundärseite II zur Primärseite I. Der Transformator 3 kann daher auch als Übertrager bezeichnet werden. Um eine ausreichende

Energieversorgung der Komponenten der Sekundärseite II, sowie eine hohe

Effizienz der Vorrichtung zu gewährleisten, erfolgt die Signalübertragung mittels Verfahren, welche einen hohen Wirkungsgrad besitzen. In Fig. 2a und Fig. 2b ist jeweils der Zustand der Vorrichtung bei der Übertragung einer logischen Null bzw. einer logischen Eins von der Sekundärseite II zur

Primärseite I dargestellt. Beispielsweise entspricht der in Fig. 2a dargestellte Zustand dem Grundzustand oder der Übertragung einer logischen Null und der in Fig. 2b dargestellte Zustand der Übertragung einer logischen Eins. Die umgekehrte

Zuordnung ist jedoch ebenfalls möglich. Weiterhin kann der Grundzustand an Stelle der logischen Null der logischen Eins zugeordnet sein.

Die primärseitige Spule 31 und die sekundärseitige Spule 32 sind Teil eines

Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz im Wesentlichen durch die Induktivitäten der beiden Spulen 31 , 32 vorgegeben ist. Die Einstellung der Anregungsfrequenz des Schwingkreises erfolgt über die primärseitige Elektronikeinheit 1.

Die sekundärseitige Spule 32 weist eine Dreiteilung auf. Sind die beiden inneren Schaltelemente 62 wie in Fig. 2a offen, sind die drei Teile miteinander verbunden. Die Induktivität der sekundärseitigen Spule 32 ist dann durch die Windungszahlen aller drei Teile bestimmt. Die beiden äußeren Schaltelemente 61 verbinden die sekundärseitige Spule 32 mit einem Gleichrichter 71 , welcher die übertragene Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Der Gleichrichter 71 wiederum ist mit einem Gleichspannungswandler 72 verbunden, welcher den

Verbraucher 5 mit einer konstanten Spannung versorgt. Der Verbraucher 5, bei welchem es sich beispielsweise um ein Sensorelement handelt, ist schematisch als Lastwiderstand dargestellt. In Fig. 2b sind die beiden äußeren Schaltelemente 61 offen. Die beiden inneren Schaltelemente 62 sind geschlossen, d.h. sie verbinden den mittleren Teil der sekundärseitigen Spule 32 mit dem Gleichrichter 71 . Die Induktivität der

sekundärseitigen Spule 32 ist in diesem Zustand durch die Windungszahl des mittleren Teils bestimmt. Weitere Parameter, welche die Induktivität beeinflussen, sind konstant. Gesteuert werden die Schaltelemente 61 , 62 von der sekundärseitigen Elektronikeinheit 2. Diese entschlüsselt auch die von der Primärseite I an die

Sekundärseite II übertragenen Signale und wertet die übertragene Information aus. Die Kommunikation von der Primärseite I zur Sekundärseite II wird vorzugsweise mittels einer Frequenzmodulation durchgeführt. Frequenzmodulationsverfahren ermöglichen eine energieeffiziente Datenübertragung. Die beiden Frequenzen, welche das zu übertragende Signal kodieren, sind bevorzugt so gewählt, dass sie jeweils um einen geringen Betrag von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und somit der Frequenz, bei welcher die maximale Leistungsübertragung möglich ist, abweichen. Die erste Frequenz ist beispielsweise geringfügig geringer und die zweite Frequenz um denselben Betrag geringfügig größer als die Resonanzfrequenz des Übertragers. Unter geringfügig ist zu verstehen, dass die Frequenzen nur so weit von der Resonanzfrequenz abweichen, dass die beiden Frequenzen sicher voneinander und von der Resonanzfrequenz unterscheidbar sind, sodass die bei der jeweiligen Frequenz übertragene Leistung dennoch mit einem hohen Wirkungsgrad übertragen wird. Die Codierung der zu übertragenden Daten in entsprechende Frequenzen übernimmt die primärseitige Logikeinheit 1. Alternativ zur Frequenzmodulation erfolgt die Kommunikation von der Primärseite I zur Sekundärseite II mittels

Amplitudenmodulation.

Zur Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I wird erfindungsgemäß die Sekundärinduktivität moduliert. In der sekundärseitigen Elektronikeinheit 2 ist eine Zuordnung zwischen den zu übertragenden Binärziffern und der

entsprechenden Stellung der Schaltelemente 61 , 62 hinterlegt. Mittels des von der sekundärseitigen Elektronikeinheit 2 gesteuerten Zu- und Wegschaltens von

Windungen der sekundärseitigen Spule 32 wird die Induktivität und somit die

Resonanzfrequenz des Übertragers verändert. Eine solche Änderung ist auf der Primärseite I detektierbar, beispielsweise indem die Resonanzfrequenz des

Schwingkreises gemessen wird, oder indem eine automatische Nachregelung des Schwingkreises auf die Resonanzfrequenz ausgewertet wird. Die Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I mittels Modulation der Sekundärinduktivität ist nicht nur störsicher, sondern erfolgt darüber hinaus mit einem hohen Wirkungsgrad. Ein Gerät, insbesondere ein Messgerät, in welchem die Modulation der Sekundärinduktivität gemeinsam mit einem ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Verfahren für die Datenübertragung von der Primärseite I zur Sekundärseite II implementiert ist, besitzt daher den Vorteil mit einer geringen Versorgungsspannung betrieben werden zu können.

Vorzugsweise erfolgen die Datenübertragung zu der Sekundärseite II und die Datenübertragung von der Sekundärseite II aus nicht gleichzeitig, sondern es sind bestimmte Zeitabschnitte für die Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I reserviert. Diese Zeitabschnitte können beispielsweise periodisch vorgegeben sein, wobei deren zeitlicher Abstand zueinander und deren Länge an die jeweilige Anwendung anpassbar sind. Während dieser Zeitabschnitte erzeugt die Primärseite I ein Signal mit einer Frequenz, welche zu den zur Kommunikation verwendeten Frequenzen unterschiedlich ist. Vorzugsweise wird das Signal mit der Resonanzfrequenz erzeugt, sodass während dieser Zeitabschnitte eine maximale Leistung an die Sekundärseite II übertragen wird. Zur Dekodierung des Signals auf der Primärseite I wird in einer Ausgestaltung die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt und ausgewertet. Die

Resonanzfrequenz ist eindeutig einer Induktivität und somit der zu übermittelnden Information zugeordnet. Zur Auswertung des Kommunikationssignals ist in der primärseitigen Logikeinheit 1 eine Zuordnung der beiden auftretenden

Resonanzfrequenzen zu der jeweiligen Binärziffer, welche sie repräsentiert, hinterlegt.

In einer alternativen Ausgestaltung wird zusätzlich oder alternativ zur

Resonanzfrequenz selbst eine Änderung der Resonanzfrequenz detektiert und ausgewertet. Beispielsweise ist eine Resonanzfrequenz definiert, bei welcher die Kommunikation von der Sekundärseite II zur Primärseite I erfolgt. Diese ist einer Binärziffer zugeordnet. Eine Erhöhung oder Verminderung dieser voreingestellten Resonanzfrequenz wird entsprechend mit der komplementären Binärziffer assoziiert. Eine Änderung der Resonanzfrequenz ist beispielsweise über eine Änderung des Wirkungsgrades der Leistungsübertragung detektierbar. Die Bestimmung des Wirkungsgrades bietet darüber hinaus die Möglichkeit der Überwachung der

Schnittstelle. Fällt der Wirkungsgrad unerwartet stark ab, ist dies ein Hinweis auf das Auftreten eines Fehlers und ein Alarmsignal zur Wartung des Gerätes kann erzeugt werden. Insbesondere bei Prozessmessgeräten ist die zeitnahe Fehlererkennung von hoher Wichtigkeit, da das Versagen eines Prozessmessgerätes schwerwiegende Folgen haben kann, beispielsweise falls nachfolgende Ventile oder Pumpen ausgehend von dessen Messung gesteuert werden.

In einer Ausgestaltung wird die Anregungsfrequenz des Schwingkreises bei einer Änderung der Resonanzfrequenz derart nachgeführt, dass die aktuelle

Schwingfrequenz des Schwingkreises wieder der Resonanzfrequenz entspricht. An Hand der Änderung der Resonanzfrequenz ist das von der Sekundärseite II übermittelte Signal dekodierbar.

Bezugszeichenliste

1 Primärseitige Logikeinheit

2 Sekundärseitige Logikeinheit

3 Transformator

31 Primärseitige Spule

32 Sekundärseitige Spule

4 Spannungsquelle

5 Verbraucher

61 Äußeres Schaltelement

62 Inneres Schaltelement

71 Gleichrichter

72 Gleichspannungswandler

I Primärseite

II Sekundärseite