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Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Prozessmesstechnik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Sensor der in Rede stehenden Art umfasst im Wesentlichen einen Messwertaufnehmer und eine Verstärkereinheit. Der Messwertaufnehmer, sozusagen das eigentliche Sensorelement, dient zur Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal. In der Prozessmesstechnik dient der Messwertaufnehmer insbesondere zur Erfassung von Druck, Temperatur, Strömung bzw. Durchfluss oder Füllständen eines Mediums in einem Behälter. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch weitere physikalische Größen denkbar. Wie die jeweiligen Messwertaufnehmer zur Erfassung der entsprechenden physikalischen Größen im Einzelnen ausgestaltet sind, ist hinlänglich bekannt, so dass hierzu im Einzelnen nicht eingegangen werden muss.
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Nachdem der Messwertaufnehmer den erfassten Prozesswert in ein Messsignal – typischerweise ein Spannungssignal – umgewandelt hat, muss dieses Signal verstärkt werden, um es weiterverarbeiten zu können. Hierfür wird üblicherweise auf eine aus einem Differenzverstärker und einer Endstufe bestehenden Verstärkereinheit zurückgegriffen. Nach der Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals kann das Sensorsignal bspw. in einer übergeordneten Steuereinheit (SPS) zur weiteren Auswertung und Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
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Grundsätzlich sind Messgeräte darin zu unterscheiden, ob das Sensorsignal am Ausgang analog in Form eines 4–20 mA- bzw. 0–10 V-Signals anliegt oder als binäres Schaltsignal, um das Über- oder Unterschreiten eines definierten Schwellwertes anzuzeigen. Die Erfindung geht vorliegend davon aus, dass die Endstufe am Ausgang das Sensorsignal analog, insbesondere in Form eines 0–10 V-Signals zur Verfügung stellt.
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Bei einer schnellen Prozesswertminderung, d.h. ein sich schnell verringernder Prozesswert, kann es vorkommen, dass sich diese Minderung erst nach einer gewissen Verzögerung in dem analogen Ausgangssignal abbildet. Grund hierfür sind bspw. Zeitkonstanten, die durch Kapazitäten am Ausgang (z.B. Eingangskondensator einer SPS oder Störschutzkondensatoren am Sensor selbst) gebildet werden.
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Ein weiteres Problem ist, dass analoge Spannungsendstufen ohne negative Versorgung ihren Ausgangswert nicht ideal auf 0 Volt absenken können. Grund hierfür sind bspw. Steuerströme, die über den Ausgang des Transistors abgeleitet werden, oder als Pullup wirkende Widerstände am analogen Eingang der externen Steuer-/Auswerteeinheit als Empfänger des Ausgangssignals. Deshalb ist bisher ein relativ niederohmiger Widerstand im Bereich von etwa 2 kOhm als interne Last vorgesehen, was jedoch bei hohen Ausgangsspannungswerten des Sensorsignals aufgrund des hohen Stromflusses zu einem hohen Leistungsverbrauch führt. Die Dimensionierung der Last war letztendlich ein Kompromiss zwischen drei Anforderungen: Leistungsaufnahme, Dynamik während einer Prozesswertminderung und einem möglichst niedrigen Spannungsausgangswert bei Sollwert 0 Volt.
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Ausgehend davon stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den eingangs beschriebenen Sensor derart weiterzubilden, dass sich – unabhängig von äußeren Einflüssen – eine schnelle Prozesswertminderung unverzüglich in dem analogen Sensorsignal am Ausgang abbildet und einen Ausgangsspannungswert nahe Null ermöglicht.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist die Ausführung der Endstufe als Emitterfolger. Erfindungsgemäß ist nun dem Ausgangswiderstand des Emitterfolgers eine Last in Form eines Binärwiderstands parallelgeschaltet, dessen Widerstandswert abhängig von der Messsignalhöhe und/oder des zeitlichen Verlaufs des Messsignals ist. Der Binärwiderstand nimmt dabei entweder einen relativ niederohmigen Wert im unteren Kiloohm-Bereich, vorzugsweise im Bereich 0,5 bis 1 kOhm an, oder er ist unendlich groß.
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Im Falle einer schnellen Prozesswertminderung und/oder bei einem Messsignal von 0 V nimmt die Last den niederohmigen Wert an und unterstützt somit den Ausgangswiderstand des Emitterfolgers, den Spannungsüberschuss schnell abzuleiten, damit das Sensorsignal der Prozesswertminderung schnell folgen kann bzw. eine Ausgabe eines Ausgangsspannungswertes nahe 0 Volt, d.h. typischerweise im Bereich < 15 mV, überhaupt erst möglich ist.
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Anderenfalls, d.h. wenn keine schnelle Prozesswertminderung vorliegt und/oder das Messsignal nicht im Bereich von 0 V liegt, nimmt die Last den unendlich großen Widerstandswert ein, so dass durch sie kein Strom fließt und damit nicht als Verbraucher wirkt.
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Der Kern der Erfindung besteht somit darin, die Last nur dann wirken zu lassen, wenn sie gebraucht wird. Auf diese Weise kann die Last so dimensioniert werden, dass sie im Falle ihrer Nutzung optimal wirkt. Denn wenn sie nicht gebraucht wird, stellt sie aufgrund ihres unendlich hohen Widerstands keinen Verbraucher dar.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors und
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2 ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors 1. Der Sensor 1 besteht im Wesentlichen aus der eigentlichen Sensorschaltung 2, an deren Ausgang eine externe Auswerteinheit 4 anschließbar ist, und der erfindungsgemäßen Last 20.
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Die Sensorschaltung 2 besteht dabei aus einem Messwertaufnehmer 3, zur Erfassung und Umwandlung eines Prozesswerts in ein Messsignal, und einer nachgeschalteten Verstärkereinheit, bestehend aus einem Differenzverstärker 10 und einer Endstufe 15, zur Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals. Darüber hinaus ist das Messsignal wahlweise mit einem Offset 5 beaufschlagbar.
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Bislang war allein der Ausgangswiderstand RA des Emitterfolgers 15 als interne Last dafür vorgesehen, überschüssige Spannungen zu reduzieren. Dieser Widerstand wurde im relativ niederohmigen Bereich von etwa 2 kOhm dimensioniert, wodurch aber bei einer maximalen Ausgangsspannung UANA ein vergleichsweise hoher Strom floss. Die Dimensionierung der Last war letztlich ein Kompromiss zwischen Verbrauch und Dynamik während einer Prozesswertminderung bzw. statischem Mindestwert bei Sollwert 0 Volt. Durch die nun vorliegende Möglichkeit, zur Unterstützung von RA nach Bedarf eine zusätzliche Last zuzuschalten, kann RA höherohmiger dimensioniert werden, bspw. im Bereich von 10 kOhm, so dass sich der Verbrauch über diesem Widerstand und damit der Verbrauch des gesamten Sensors 1 erheblich reduzieren lässt.
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Die Erfindung besteht folglich im Anhängen der Last 20, die je nach Situation entweder einen relativ niederohmigen oder einen unendlich großen Widerstandswert aufweist. Die Last 20 besteht dabei funktional aus drei Einheiten: einer ersten Transistorstufe 21a, einem Tiefpass und einer zweiten Transistorstufe 23. Die zweite Transistorstufe 23 umfasst dabei den eigentlichen Lastwiderstand RL, welcher einen Widerstandswert im Bereich 0,5 bis 1 kOhm aufweist.
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Nachfolgend wird nun die wesentliche Funktionalität dieser Schaltung erläutert.
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Der Differenzverstärker 10 verstärkt die Eingangsspannung UE, welche dem Messsignal entspricht, in die Ausgangsspannung UANA um den Verstärkungsfaktor V, welcher durch die Dimensionierung der Widerstände R1–R4 definiert wird. Nachdem das verstärkte Sensorsignal die Endstufe 15 passiert hat, wird es an den Differenzverstärker 10 rückgekoppelt, so dass ein permanenter Soll-Ist-Vergleich stattfindet. Wenn das Verhältnis UANA = V·UE stimmt, ist die erste Transistorstufe 21a so geschaltet, dass VCC gegen Masse abfließt, so dass die Last 20 insgesamt einen unendlichen großen Widerstand darstellt. Wenn nun aber bei einer insbesondere schnellen Prozesswertminderung oder bei einem Messsignal von 0 Volt der Istwert höher ist als der Sollwert und damit das Verhältnis UANA = V·UE aus den eingangs genannten Gründen nicht mehr stimmt, übersteuert der Ausgang des Operationsverstärkers nach 0 Volt und aktiviert damit die Last 20, d.h. schaltet zunächst die erste Transistorstufe 21a ab. Diese wiederrum gibt dadurch die Basisbestromung für die zweite Transistorstufe 23 aus VCC frei, welche zur Dämpfung des Schaltmoments zunächst das RC-Glied 22 passiert und dann in der zweiten Transistorstufe 23 den Lastwiderstand RL zuschaltet.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors 1. der grundsätzliche Aufbau ist insoweit gleich, als dass der Sensor 1 im Wesentlichen aus der Sensorschaltung 2, an deren Ausgang eine externe Auswerteinheit 4 anschließbar ist, und der erfindungsgemäßen Last 20 besteht. Unterschiede gibt es im Aufbau der ersten Transistorstufe 21b und dem Anschluss der Last 20 an die Sensorschaltung 2.
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Im Unterschied zur Ausführung gem. 1, in der der Operationsverstärker die Last 20 aktiviert, solange das Verhältnis UANA = V·UE nicht stimmt, erfasst die Schaltung gemäß 2 die Signalhöhe am Ausgang der Endstufe 15. Die Überwachungsfunktion übernimmt hierbei die Z-Diode in Form ihrer Zener-Spannung UZ. Solange UANA > UZ zieht die erste Transistorstufe 21b die Basisbestromung aus VCC auf Masse, so dass wie im ersten Ausführungsbeispiel die Last 20 insgesamt einen unendlichen großen Widerstand einnimmt. Wenn UANA < UZ, gibt die erste Transistorstufe 21b die Basisbestromung aus VCC frei, welche zur Dämpfung des Schaltmoments wieder zunächst das RC-Glied 22 passiert und dann in der zweiten Transistorstufe 23 den Lastwiderstand RL zuschaltet.
