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Die Erfindung betrifft einen Meßwertumformer
für mehrere
Sensoren mit unterschiedlichen insbesondere analogen, elektrischen
Signalarten gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 sowie ein Meßwertumformungsverfahren
gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 9. Wenn Meßwerte
für verschiedene Prozeßgrößen zentral
gesammelt und genutzt werden sollen, ist es erforderlich, für jede Sensorart
ein eigenes Anzeige- oder Meßwertverarbeitungsgerät zu benutzen,
z. B. wenn Drucke, Temperaturen, Gaskonzentration, Strömungsgeschwindigkeiten
und dergleichen gemessen werden müssen. Derartige Meßaufgaben
fallen z. B. im untertägigem
Bergbau an.
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Ein gattungsgemäßer Umformer ist aus der
DE 295 13 552 U1 bekannt.
Diesem Stand der Technik liegt das Problem zugrunde, bei einer Auswerteeinheit,
an deren Schnittstelle verschiedene Sensoren anliegen, die Handhabung
der Sensoren zu erleichtern. Dies wird dadurch erreicht, daß das an
der Schnittstelle anliegende Signal mit einer den Sensoren für die Auswertung
einheitliche identifizierende Kennung versehen sind.
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In der
DE 44 05 607 A1 wird eine Schaltungseinrichtung
zur Erfassung und Umsetzung einer Mehrzahl unterschiedlicher physikalischer
Meßgrößen offenbart.
Dabei können
die Meßgrößen an die Eingangsseite
einer Multiplexeinrichtung in Form elektrischer Signale abgegeben
werden. Diese Signale werden dann durch eine Verstärkereinrichtung in
Signale mit normierten Pegeln umgewandelt. Die Verstärkereinheit
kann zudem über
ein (externes) Rechenwerk angesteuert werden.
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Weiterhin liegt dem in der
DE 197 15 047 A1 offenbarten
Stand der Technik das Problem zugrunde, ein Steuersignal für einen
Aktor, ausgehend von einem Meßsignal
eines Sensors, zu erzeugen. Dies geschieht dadurch, daß eine erste
im wesentlichen einen analogen Aufbau aufweisende, integrierte Schaltung
vorgesehen ist, die mit dem Meßsignal
beaufschlagbar ist und die zur Durchführung einer Analog-/Digital-Wandlung
geeignet ist und daß eine
zweite, im wesentlichen einen digitalen Aufbau aufweisende, integrierte
Schaltung vorgesehen ist, die mit der ersten integrierten Schaltung
verbunden ist und die zur Erzeugung des Steuersignals geeignet ist.
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Davon ausgehend ist es die Aufgabe
der Erfindung, anstelle einer Insellösung für jedes eigene Meßproblem
eine Itegrierte Kompaktlösung
für die Meßwertumformung
unterschiedlicher Signalarten zu schaffen.
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Zur, Lösung dieser Aufgabe wird ein
Meßwertumformer
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Meßwertumformungsverfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Demnach verwendet die
Erfindung einen programmierbaren Microcontroller, dessen Meßwerteingängen unter schiedliche
Eingangsmodule vorgeschaltet werden, wobei jedes Eingangsmodul unabhängig von der
empfangenen Eingangs-Signalart eine einheitliche Signalart an den
Microcontroler weitergibt. Der Microcontroler wiederum ordnet den
vereinheitlichten Signalen die von dem jeweiligen Sensor erftaßte Meßgröße wieder
zu und führt
diese seinem mindestens einen Meßwertausgang zu. Diese zweifache Meßwertumformung
ermöglicht
es, den Meßwertumformer
in Verbindung mit den verschiedensten Meßwertsensoren zu nutzen, auch
wenn diese sehr unterschiedliche Signalarten haben. Die Meßwertausgabe
kann unabhängig
von der von den Sensoren empfangenen Signalart an die aktuellen
Bedürfnisse angepaßt werden.
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Die erfindungsgemäßen Eingangsmodule sind so
ausgerüstet,
daß sie
unabhängig
von der Eingangssignalart immer die gleiche Signalart an den Microcontroler
weitergeben. Typische Signalarten und Wertebereiche von Sensoren
sind Ströme, Spannungen,
eletromagnetische Schwingungen oder akustische Schwingungen, wobei
typische Eingangs-Signale
0 bis 1 mA
0 bis 20 mA
4
bis 20 mA
0 bis 10 V
0 bis 1 V
5 bis 15 Hz
sowie
die Signale standardisierter Temperaturmeßstellen nach PT 100 sind.
Diese Signale liegen am Meßwerteingang
in der Regel in analoger Form vor. Die jeweilige Meßgröße wird
von dem Eingangsmodul z. B. in eine Spannung von 0 bis 2,5 V umgewandelt,
oder in eine digitale Frequenz von 5 bis 15 Hz. Während solche
digitalen Frequenzen dem Microcontroler unmittelbar zugeführt werden
können,
ist es erforderlich, die elektrischen Spannung zwischen 0 und 2,5
V in digitale Werte umzuwandeln. Dies kann grundsätzlich zwar
in dem betreffenden Eingangsmodul erfolgen, bevorzugt jedoch sind
dem Microcontroler für
jeden Meßwerteingang
ein Analog/Digitalwandler für
das Wandeln des analogen 0 bis 2,5 Volt-Signals zugeordnet.
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Die Meßwertausgänge des Microcontrolers können sehr
verschieden sein. Eine besonders einfache Meßwertanzeige kann über ein
dem Microcontroler zugeordnetes Anzeigegerät erfolgen, welches für jeden
der Meßwerteingänge den
aktuellen Meßwert
wiedergibt. Aufgrund der vorherigen Programmierung des Microcontrolers
wird sowohl die gemessene physikalische Größe angegeben, wie z. B. bar, N/mm2, °Celsius
und dergleichen. Außerdem
skaliert der Microcontroler aufgrund seiner vorherigen Programmierung
den Meßwert
richtig. So kann an einem Meßwerteingang
das vereinheitlichte Meßsignal
von 0 bis 2,5 V einem Druckbereich von 1 bis 10 bar entsprechen,
während
für einen
anderen Meßwerteingang
das vereinheitlichte Eingangssignal von 0 bis 2,5 Volt einem Meßwert von
1 bis 100 Millibar entspricht. Aufgrund der vorherigen Programmierung
erfolgt für
jeden Meßwerteingang
eine eigene, dem konkreten Meßproblem
entsprechende Skalierung.
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Wenn die verschiedenen Meßwerte nicht
an ein einheitliches Anzeigegerät
sondern über
einzelne Meßwertleitungen
an verschiedene Meßwertanzeigegeräte weitergegeben
werden sollen, weist der Microcontroler der Zahl der Meßwerteingänge entsprechend
viele Meßwertausgänge auf,
die alle ein vereinheitlichtes Signal abgeben, das entweder digital ausgegeben
wird oder analog, z. B. 0 bis 2,5 Volt. Diesen Meßwertausgängen sind
dann entsprechend viele Ausgangsmodule zugeordnet, die die vereinheitlichten
Signale wieder in, in der Regel analoge, elektrische Signale von
vorgebbarer Signalart umformen, so daß je nach Art des Ausgangsmoduls
von diesem ein analoges elektrisches Signal von z. B. 0 bis 1 mA,
0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA, 0 bis 10 V, 0 bis 1 V, 5 bis 15 Hz an
ein entsprechend ausgelegtes Anzeigegerät oder dergleichen abgeben
wird.
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Außerdem kann der Microcontroler
Grenzwertschalter für
einige oder jeden der Meßwerteingänge aufweisen,
wobei je ein Grenzwert-Ausgangsmodul dem Microcontroler nachgeordnet
ist, um das digitale Grenzwertsignal einem Relaisausgang oder Optokopplerausgang
des Ausgangsmoduls zugeordnet wird, wobei auch hier die Größe der Grenzwerte an
den Anwendungsfall angepaßt
werden können.
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Schließlich ist es auch möglich, den
Microcontroler mit einem Datenbus oder einem PC-Anschluß über ein
entsprechendes Ausgangsmodul zu koppeln, daß die für den Anwendungsfall benötigte Schnittstelle
bildet.
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Die vorgenannten sowie die beanspruchten und
in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden
Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung,
Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen,
so daß die
in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung
finden können.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie
aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel des
Meßwertumformers
für mehrere
Sensoren dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
Die einzige
Figur zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßwertumformers,
aus welchem folgendes ersichtlich ist. Ein für vier Meßwerteingänge ausgestatteter Microcontroler 1 weist
für jeden Meßwerteingang
einen 5 bis 15 Hz-Digitaleingang und einen Analog/Digitalwandler 2 auf,
der ein vereinheitlichtes analoges Spannungssignal von 0 bis 2,5
V in ein digitales Signal wandelt.
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Ferner weist der Microcontroler 1 einen
Sammelausgang 3 für
ein Mehrfach-Anzeigegerät 4 auf, z.
B. eine vierzeilige LCD-Anzeige. Ein weiterer Ausgang 5 des
Microcontrolers 1 kann für einen PC-Anschluß 6 oder
einen Datenbus
7 vorgesehen sein, welchen eine entsprechende
Schnittstelle 6A bzw. 7A vorgeordnet ist.
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Fünf
Grenzwertausgänge 8 des
Microcontrolers 1 ermöglichen
den Anschluß von
in der Zeichnung nicht dargestellten Grenzwertschaltern, denen entsprechende
Grenzewertausgangsmodule 8A vorgeschaltet sein können. Vier
dieser Grenzwertausgänge
dienen der Zuordnung zu je einem Meßwerteingang während der
fünfte
Grenzwertausgang als Sammelausgang ausgebildet sein kann.
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Für
eine anderweitige Meßwertverarbeitung oder
Anzeige sind vier Meßwertausgänge 9 am
Microcontroler 1 vorgesehen, von denen je einer einem der
Meßwerteingänge zugeordnet
ist und an dem ein digitales 5 bis 15 Hz-Signal oder ein analoges
2,5 Voltsignal ansteht. Den analogen Meßwertausgängen ist dementsprechend je
ein Digital/Analogwandler 10 vorgeschaltet.
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Um den Meßwerteingängen beliebige Signalarten
zuführen
und an den Meßwertausgängen beliebige
Signalarten abgeben zu können,
sind den Meßwerteingängen Eingangsmodule 11.1 bis 11.n zugeordnet
und den Meßwertausgängen Ausgangsmodule 12.1 bis 12.n.
Erstere wandeln jedes der frei wählbaren
Eingangssignale je in ein vereinheitlichtes Signal um, das der Microcontroler 1 verarbeiten kann.
Entsprechend werden ausgangsseitig die am Microcontroler anstehenden
Ausgangssignale wieder in die gewünschten Signalarten zur Weiterverwendung
durch das Einsetzen entsprechender Ausgangsmodule bereitgestellt.
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Insbesondere können die Ausgangsmodule jeweils
andere Signalarten abgeben, als dem zugehörigen Eingangsmodul zugeführt wird.
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Sowohl die Eingangs- als auch die
Ausgangsmodule können
für Standardsignalarten
der weiter oben angegebenen Art eingerichtet sein. Wenn andere Signalarten
zu verarbeiten sind, werden daran angepaßte Eingangsmodule verwendet.
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Ein erfindungsgemäßer Meßwertumformer dient also der
Erfassung mehrerer physikalischer Größen, welche z. B. über ein
Display angezeigt oder in ein anderes Signal umgewandelt werden
können. Jeder
Meßwertumformerkanal
kann mit gleichen oder verschiedenen Eingangsmodulen sowie mit gleichen
oder verschiedenen Ausgangsmodulen ausgestattet werden. Außerdem kann
pro Kanal ein Grenzwertschalter in Gestalt eines Optokoppler- oder
Relaisausganges vorgesehen sein, welcher innerhalb des physikalischen
Wertebereiches mit beliebigen Grenzwerten programmiert werden kann.
Ein weiterer Grenzwertschalter kann für Sammelmeldungen vorgesehen
sein und z. B. anzeigen, wenn mindestens ein Grenzwertschalter ausgelöst hat.
Der PC-Anschluß kann
sowohl zur Programmierung bzw. Parametrierung des Microcontrolers
als auch für
die Weiterleitung von Meßwerten
an einem PC genutzt werden.
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Die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Meßwertumformers
ist z. B. folgende: Die analog zugeführten Meßwerte werden von den Eingangsmodulen
dem zentralen Controler zugeführt,
der die Verarbeitung der Meßwerte
und deren Umwandlung in andere Formate, Datenkommunikation und Ansteuerung
der Grenzwertschalter organisiert. Über geeignete Software ist
es möglich überall je
nach eingesetztem Modul die Eingangsports, die Ausgangsports und
die Steuerausgänge
des Microcontrolers über
einen PC aufgabenspezifisch zu modifizieren. Zur Modifizierung jedes
Kanals können
entsprechende Menüs
aufgerufen werden, z. B. "Kanalparametrieren", "Kanaljustieren", "Sende-Intervallsetzen". Die Beschaltung
jedes Eingangskanals wird durch die Wahl des Eingangsmodultyps festgelegt,
wie ein Frequenzmodul, ein PT100-Modul, ein Spannungsmodul, ein
Strommodul sowie für
jedes Modul unterschiedliche Eingangssteuerbereiche, wie z. B. 0
bis 10 Volt, 0 bis 20 Milliampère
oder andere. Ebenso kann der Microcontroler so parametriert sein,
daß dem
einen oder anderen Kanal kein Modul zugeordnet ist. Für die Grenzwertschalter
werden außerdem die
jeweiligen Grenzwerte dem Microcontroler einprogrammiert.
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Die Beschaltung der Ausgangskanäle wird wiederum
durch die Auswahl entsprechender Ausgangsmodule festgelegt, wie
Frequenzmodul, Spannungsmodul, Strommodul.
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Durch die Erfindung wird also insgesamt
eine sehr kompfortabel zu handhabende Meßwertumformung ermöglicht,
die von den im einzelnen verwendeten Meßwertsensoren – bis auf
die Verwendung signalartangepaßter
Eingangsmodule – unabhängig ist.
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- 1
- Microcontroler
- 2
- Analog/Digital-Wandler
- 3
- Sammelausgang
- 4
- Mehrfachanzeigegerät
- 5
- Ausgang
- 6
- PC-Anschluß
- 6A
- Schnittstelle
- 7
- Datenbus
- 7A
- Schnittstelle
- 8
- Grenzwertausgänge
- 8A
- Grenzwertausgangsmodule
- 9
- Meßwertausgänge
- 10
- Digital/Analog-Wandler
- 11.1
bis 11.n
- Eingangsmodule
- 12.1
bis 12.n
- Ausgangsmodule