DE10258965B4

DE10258965B4 - Vorrichtung zur Optimierung der Leistungsbilanz eines Sensors für die Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums

Info

Publication number: DE10258965B4
Application number: DE2002158965
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brutschin; Jürgen Meier; Alexander Müller
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: DE10258965A1; WO2004055480A1; AU2003292208A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums
mit mindestens einem Sensor (1), der mindestens ein Steuersignal erzeugt, und mindestens einer Verarbeitungs-/Versorgungseinheit (2),
der mindestens eine Übertragungseinheit (24), die über mindestens einen Eingang (20, 21, 25) und mindestens einen Ausgang (22, 23, 26) verfügt, zur nicht-galvanischen Kopplung mit dem Sensor (1) zugeordnet ist,
wobei der Sensor (1) mit mindestens einem Ausgang (22, 23, 26) der Übertragungseinheit (24) verbunden ist,
wobei das Steuersignal des Sensors (1) mindestens den Wert einer elektrischen Größe bestimmt, die am Eingang (20, 21, 25) der Übertragungseinheit (24) anliegt,
wobei der Übertragungseinheit (24) mindestens ein Übertrager (4) mit einer Primär- (5) und einer Sekundärseite (6) zugeordnet ist, und wobei die Übertragungseinheit (24) Übertragungseigenschaften bezüglich mindestens einer elektrischen Größe aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Umschalter (8, 19) vorgesehen ist, der in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors...

Description

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums mit mindestens einem Sensor, der mindestens ein Steuersignal erzeugt, und mindestens einer Verarbeitungs-/Versorgungseinheit, der mindestens eine Übertragungseinheit, die über mindestens einen Eingang und mindestens einen Ausgang verfügt, zur nicht-galvanischen Kopplung mit dem Sensor zugeordnet ist, wobei der Sensor mit mindestens einem Ausgang der Übertragungseinheit verbunden ist, wobei das Steuersignal des Sensors mindestens den Wert einer elektrischen Größe bestimmt, die am Eingang der Übertragungseinheit anliegt, wobei der Übertragungseinheit mindestens ein Übertrager mit einer Primär- und einer Sekundärseite zugeordnet ist, und wobei die Übertragungseinheit Übertragungseigenschaften bezüglich mindestens einer elektrischen Größe aufweist.

Von der Anmelderin werden unter den Bezeichnungen „Liquiphant" Grenzstanddetektoren angeboten und vertrieben (siehe z.B. FTL50 mit FEL55, FEL51 oder mit FEL58). Diese Detektoren werden z.B. auf einer bestimmten Höhe in einen Behälter eingebaut, in dem sich ein Medium befindet, dessen Füllstand bestimmt und/oder überwacht werden soll. Je nachdem, ob der Füllstand einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet (Maximum- oder Minimum-Detektion), wird durch den Sensor im Detektor ein Signal ausgelöst. Dies geschieht z.B. dadurch, dass sich der Strom-/Spannungsabfall an einer Bürde ändert. Es gibt somit zwei Zustände: der Füllstand ist nicht über- oder unterschritten und der Füllstand ist über- oder unterschritten. Die Änderung des Strom-/Spannungsabfalls an der Bürde bringt es mit sich, dass sich ebenfalls Strom und Spannung für den Sensor ändern. Im Stand der Technik werden die zur Verfügung stehende Spannung um einen Transformator handelt, zum Sensor übertragen. Der Übertrager und die nötigen Schaltelemente, um diesen zu betreiben, lassen sich in einer Übertragungseinheit zusammenfassen. Da das Windungszahlverhältnis des Transformators konstant ist, werden in beiden Fällen Strom und Spannung mit dem gleichen Verhältnis zwischen dem jeweiligen Wert auf der Primär- und dem entsprechenden Wert auf der Sekundärseite des Transformators übertragen. Die Schwierigkeit besteht dabei darin, die Leistungsbilanz des Sensors zu optimieren, so dass in beiden Fällen der Sensor einen ausreichenden Strom und eine ausreichende Spannung erhält. Die zur Verfügung stehenden oder angestrebten Werte für Strom und Spannung sind auch bedingt durch die übrigen Bauteile, durch die an den Detektor geknüpften Spezifikationen oder z.B. durch die vorhandene Strom- und Spannungsversorgung. Bisherige Lösungen bemühen sich, die Stromaufnahme des Sensors zu minimieren.

Der Patentschrift US 5,083,288 lässt sich ein Transmitter entnehmen, in welcher ein Mikroprozessor über einen Multiplexer mit einem Sensor verbunden ist. Der Mikroprozessor erzeugt in Abhängigkeit von einem vom Sensor gemessenen Wert ein Ausgangssignal an einer Ausgabe-Anschlussklemme. Über dieses Anschlussklemmen wird der Transmitter mit der für den Betrieb erforderlichen Spannung versorgt. Die Eingangsspannung, welche unterschiedliche Werte haben kann, wird über zwei Power-Konverter, welche durch einen Übertrager galvanisch getrennt sind, auf einen einheitlichen Spannungswert umgesetzt. In der Patentschrift wird jedoch nicht beschrieben, wie diese Konvertierung vorgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsbilanz des Sensors zu optimieren, indem in beiden Fällen (eine physikalische Prozessgröße ist nicht unter- oder überschritten und die Größe ist unter- oder überschritten) optimale Spannung und optimale Stromstärke für den Sensor zur Verfügung stehen. Das obige Beispiel des Füllstands kann dabei auf jede andere zu überwachende oder zu bestimmende physikalische Prozessgröße, so z.B. Viskosität, Dichte oder Temperatur ausgedehnt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Umschalter vorgesehen ist, der in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors die Übertragungseigenschaft der Übertragungseinheit in Bezug auf mindestens eine elektrische Größe verändert.

Die Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums. Teil der Vorrichtung sind ein Sensor, der ein Steuersignal erzeugt, und eine Verarbeitungs-/Versorgungseinheit. Die Verarbeitungs-/Versorgungseinheit Teil der Vorrichtung sind ein Sensor, der ein Steuersignal erzeugt, und eine Verarbeitungs-/Versorgungseinheit. Die Verarbeitungs-/Versorgungseinheit verfügt über eine Übertragungseinheit mit einem Eingang und einem Ausgang zur nicht-galvanischen Kopplung mit dem Sensor. Der Sensor ist mit dem Ausgang verbunden und das Steuersignal des Sensors bestimmt mindestens den Wert einer elektrischen Größe, die am Eingang der Übertragungseinheit anliegt. Der Übertragungseinheit ist mindestens ein Übertrager mit einer Primär- und einer Sekundärseite zugeordnet. Die Übertragungseinheit weist Übertragungseigenschaften bezüglich mindestens einer elektrischen Größe auf. Dabei kann es sich beispielsweise um Stromstärke oder um Spannung handeln. Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens ein Umschalter vorgesehen ist, der in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors die Übertragungseigenschaft der Übertragungseinheit in Bezug auf mindestens eine elektrische Größe verändert. Dadurch ergeben sich für Strom und Spannung je nach Fall die optimalen Werte am Sensor.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Steuerelement vorgesehen, um den Umschalten in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors zu betätigen. Dies ist vor allem in den Fällen sinnvoll, in denen mehr als ein Umschalter benutzt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Übertrager um einen Transformator. Dafür ist der Umschalter derartig beschaffen, dass Windungen der Primär- und/oder der Sekundärseite des Übertragers elektrisch hienzu- und/oder weggeschaltet werden. Dies stellt die einfachste Form des Umschalters in diesem Fall dar, dass ein Transformator der Übertrager ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Umschalter elektrische Verbindungen mit unterschiedlichen Ausgängen und/oder Eingängen des Übertragers und/oder der Übertragungseinheit herstellt. Dies ermöglicht es, die Übertragungseinheit z.B. aus unterschiedlichen Untereinheiten bestehen zu lassen, die jeweils unterschiedliche Übertragungseigenschaften aufweisen und die möglicherweise auch unterschiedlich und für den jeweiligen Fall optimal ausgestaltet sind. Im Fall des Transformators als Übertrager ermöglicht dies, dass die Spannung und der Strom an unterschiedlichen Abgriffen des Transformators abgenommen und/oder zugeführt werden. Somit ist das Windungszahlverhältnis und somit sind Spannung und Strom jeweils unterschiedlich.

Ist eine Gleichspannung gegeben und ist der Übertrager ein Transformator, so ist auf der Primärseite des Übertragers ein Zerhacker sinnvoll, um aus der Gleichspannung eine Wechselspannung zu machen. Auf der Sekundärseite ist weiterhin eine Schaltung zur Rückformung der Wechselspannung in eine Gleichspannung vorgesehen, die durch eine zweite Schaltung geglättet werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in der Übertragungseinheit mindestens zwei Überträger vorgesehen sind, die unterschiedliche Übertragungseigenschaften bezüglich mindestens einer elektrischen Größe aufweisen, und dass der Umschalter den Sensor mit jeweils mindestens einem Übertrager verbindet.

Für eine Übertragung und eine weitere Auswertung des Steuersignals des Sensors ist eine Endstufe mit einer Schnittstelle vorgesehen, die das Steuersignal der Schnittstelle entsprechend weiterverarbeitet. Dabei handelt es sich bei der Schnittstelle um eine für NAMUR-Signale und/oder für die 2-Draht-Technik ganz allgemein und/oder um einen elektronischen Schalter. Bei der 2-Draht-Technik handelt es sich um Schnittstellen mit konstantem Strom und/oder konstanter Spannung.

Um z.B. den Detektor auch in explosionsgefährdeten Bereichen anwenden zu können und auch um der Sicherheit allgemein willen, sieht eine Ausgestaltung ein Bauteil vor, das den Sensor galvanisch vom Rest der Vorrichtung entkoppelt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Optokoppler handeln.

Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht, um die an der Primärseite anliegende Spannung auf einen maximalen Wert zu begrenzen, auf der Primärseite mindestens einen Spannungsregler vor, der die gegebene Spannung herunterregelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: ein Blockschaltbild des Standes der Technik;
2: ein Blockschaltbild zur Leistungsoptimierung des Sensors; und
3: eine andere Realisierung der Schaltung zur Leistungsoptimierung.
1 zeigt den Stand der Technik. Zu sehen sind der Sensor 1 und die Verarbeitungs-Nersorgungseinheit 2. Der Sensor 1 ist über einen Optokoppler 10 mit einer Endstufe 9 verbunden. In der Endstufe 9 ist eine Schnittstelle 18 vorhanden, über die das Steuersignal des Sensors 1 an ein Bussystem, z.B. Profibus, PA oder Fieldbus Foundationbus, weitergegeben wird. Es kann sich auch um einen elektronischen Schalter handeln. Zum anderen ist der Sensor 1 über den Ausgang 25 der Übertragungseinheit 24 mit dem Ausgang des Spannungsreglers 3 verbunden, der zu hohe Spannungen herunterregelt. Hinter dem Spannungsregler 3 befinden sich noch eine Bürde 14 und eine Spannungsquelle 15. Der Spannungsabfall an der Bürde 14 ermöglicht die Anzeige, z.B. in Form einer Leuchtdiode, dass z.B. der Füllstand unter- oder überschritten ist. Die Übertragungseinheit 24 weist zunächst den Übertrager 4 auf, der hier ein Transformator ist. Der Übertrager 4 ist mit einem Zerhacker 11 verbunden, der eine Wechselspannung liefert. Die Gleichspannung am Eingang des Zerhackers 11 stammt vom Ausgang eines Spannungsreglers 3. Die Wechselspannung des Zerhackers 11, die an der Primärseite 5 des Übertragers 4 anliegt, Ub1, wird entsprechend dem Übertragungsverhältnis des Übertragers 4 auf die Sekundärseite 6 übertragen. Dort findet sich eine erste Schaltung 12, die aus der Wechselspannung wieder eine Gleichspannung macht. Hier besteht die Ausführung aus zwei Gleichrichtern bzw. Dioden 16. Diese Gleichspannung wird dann durch eine zweite Schaltung 13 geglättet, die aus einem Kondensator 17, der hier mit Masse verbunden ist, besteht. Somit ergibt sich auf der Sekundärseite 6 die Gleichspannung Ub2, die am Sensor anliegt.
Wichtig sind die zwei unterschiedlichen Zustände: Der Füllstand ist nicht über- oder unterschritten. Dann fällt die Spannung des Spannungsgenerators 15 zum größten Teil an der hochohmigen Bürde 14 ab und am Sensor 1 ist der Spannungswert für den Betrieb des Sensors 1 zu gering. Die Stromstärke ist gleichzeitig jedoch mehr als ausreichend. Der andere Fall ist, dass der Füllstand über- oder unterschritten ist. Dann fällt keine Spannung an der Bürde 14 ab, und die gesamte Spannung der Spannungsquelle 15 steht dem Sensor 1 zur Verfügung. In diesem Fall ist die anliegende Spannung größer als benötigt, jedoch kann durch Spezifikationen bedingt die Stromstärke zu gering sein. Da im Stand der Technik der Übertrager 4 ein Transformator mit festem Windungszahlverhältnis ist, werden Spannung und Strom in beiden Fällen mit dem gleichen festen Verhältnis übertragen. Somit entsprechen Strom und Spannung, die zum Sensor 1 gelangen, bis auf einen konstanten Skalierungsfaktor in beiden Fällen den anliegenden Werten, die sich aus der weitergehenden, hier nicht dargestellten Schaltung ergeben, und z.B. aus den Größen der zur Verfügung stehenden Spannungsquelle 15.
2 verdeutlicht die Idee der Erfindung. Gleiche Bauteile wie in 1 werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In dieser Ausgestaltung sind zwei Umschalter 8 vorgesehen, die durch ein Steuerelement 7 gesteuert werden. Der Sensor 1 ist nicht-galvanisch z.B. über den Optokoppler 10 mit der Steuereinheit 7 verbunden. Durch das Steuerelement 7 ändern die Umschalter 8 die Anzahl der Windungen des Übertragers 4 – hier nur auf der Primärseite 5 – entsprechend dem Sensorsignal. Somit werden die Übertragungseigenschaften des Übertragers 4 entsprechend dem Zustand und somit entsprechend dem an der Primärseite 5 des Übertragers 4 anliegenden Strom und der anliegenden Spannung angepasst, und es ergeben sich auf der Sekundärseite 6 optimale Werte für Strom und Spannung. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Leistungsbilanz des Sensors 1 in beiden Fällen optimal ist.
3 zeigt eine weitere Realisierung der Erfindung. In dieser Ausgestaltung sind zwei Umschalter 19 vorgesehen, die durch die Steuerelemente 7 in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors 1 gesteuert werden. Ein Umschalter 19 stellt die Verbindung zwischen dem Ausgang des Spannungsreglers 3 und einem der beiden Eingängen 20, 21 der Übertragungseinheit 24 her. Beide Eingänge sind mit jeweils einem Zerhacker 11 verbunden. Beide Zerhacker 11 wiederum sind mit unterschiedlichen Abschnitten der Primärseite 5 des Übertragers 4 verbunden. Diese Abschnitte können sich z.B. in der Anzahl der Windungen unterscheiden. An der Primärseite 5 liegt somit jeweils die Spannung Ub1 an, die sich in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors 1 ergibt. Der Umschalter 19 auf der Sekundärseite 6 stellt die leitende Verbindung mit einer von zwei Ausgängen 22, 23 des Übertragers 4 her. Diese Ausgänge sind mit unterschiedlichen Abgriffen des Transformators verbunden, so dass sich unterschiedliche Windungszahlverhältnisse ergeben, je nachdem, mit welchem Abgriff die elektrische Verbindung hergestellt wird. Somit lassen sich die beiden Spannungen Ub2 und Ub3 abgreifen, die jeweils für den Sensor 1 optimal sind.
Für die konkrete Ausgestaltung des Übertragers 4, der Steuerelemente 7, der Umschalter 8, 19 und der Art der Änderung der Übertragungseigenschaften des Übertragers 4 bestehen noch mehrere Möglichkeiten. Eine weitere Möglichkeit ist z.B., dass zwei getrennte Übertrager 4 mit jeweils eigenen oder mit gemeinsamen Bauteilen – z.B. Zerhacker 11, Schaltung zur Umwandlung der Wechselspannung in eine Gleichspannung 12 usw. – vorgesehen sind, die unterschiedliche Übertragungseigenschaften aufweisen und die je nach Zustand mit dem Sensor 1 verbunden werden.

1: Sensor
2: Verarbeitungs-/Versorgungseinheit
3: Spannungsregler
4: Übertrager
5: Primärseite
6: Sekundärseite
7: Steuerelement
8: Umschalter
9: Endstufe mit Schnittstelle
10: Bauteil zur galvanischen Entkopplung
11: Zerhacker
12: Schaltung zur Umformung einer Wechsel- in eine Gleichspannung
13: Schaltung zur Glättung einer Gleichspannung
14: Bürde
15: Spannungsquelle
16: Gleichrichter
17: Kondensator
18: Schnittstelle
19: Umschalter
20: Eingang des Übertragers
21: Eingang des Übertragers
22: Ausgang des Übertragers
23: Ausgang des Übertragers
24: Übertragungseinheit
25: Eingang der Übertragungseinheit
26: Ausgang der Übertragungseinheit

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums mit mindestens einem Sensor (1), der mindestens ein Steuersignal erzeugt, und mindestens einer Verarbeitungs-/Versorgungseinheit (2), der mindestens eine Übertragungseinheit (24), die über mindestens einen Eingang (20, 21, 25) und mindestens einen Ausgang (22, 23, 26) verfügt, zur nicht-galvanischen Kopplung mit dem Sensor (1) zugeordnet ist, wobei der Sensor (1) mit mindestens einem Ausgang (22, 23, 26) der Übertragungseinheit (24) verbunden ist, wobei das Steuersignal des Sensors (1) mindestens den Wert einer elektrischen Größe bestimmt, die am Eingang (20, 21, 25) der Übertragungseinheit (24) anliegt, wobei der Übertragungseinheit (24) mindestens ein Übertrager (4) mit einer Primär- (5) und einer Sekundärseite (6) zugeordnet ist, und wobei die Übertragungseinheit (24) Übertragungseigenschaften bezüglich mindestens einer elektrischen Größe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Umschalter (8, 19) vorgesehen ist, der in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors (1) die Übertragungseigenschaft der Übertragungseinheit (24) in Bezug auf mindestens eine elektrische Größe verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Steuerelement (7) vorgesehen ist, das in Abhängigkeit vom Steuersignal des Sensors (1) mindestens einen Umschalter (8, 19) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Übertrager (4) um einen Transformator handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (8) derartig besschaffen ist, dass Windungen des Transformators auf der Primär- (5) und/oder der Sekundärseite (6) hinzu- und/oder weggeschaltet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (19) derartig beschaffen ist, dass sich elektrische Verbindungen mit unterschiedlichen Eingängen (20, 21, 25) und/oder mit unterschiedlichen Ausgängen (22, 23, 26) des Übertragers (4) und/oder der Übertragungseinheit (24) ergeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Übertragungseinheit (24) mindestens zwei Überträger (4) vorgesehen sind, die unterschiedliche Übertragungseigenschaften bezüglich mindestens einer elektrischen Größe aufweisen, und dass der Umschalter (8, 19) den Sensor (1) mit jeweils mindestens einem Übertrager (4) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zerhacker (11) auf der Primärseite (5) des Übertragers (4) vorgesehen ist, der eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umformt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Sekundärseite (6) des Übertragers (4) mindestens eine Schaltung (12) vorgesehen ist, die eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umformt, und/oder dass auf der Sekundärseite (6) des Übertragers (4) mindestens eine zweite Schaltung (13) vorgesehen ist, die eine Gleichspannung glättet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Endstufe (9) mit mindestens einer Schnittstelle (18) vorgesehen ist, welche das Steuersignal des Sensors (1) der Schnittstelle (18) entsprechend weiterverarbeitet, wobei es sich bei der Schnittstelle (18) um eine für NAMUR-Signale und/oder für die 2-Draht-Technik ganz allgemein und/oder um einen elektronischen Schalter handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Primärseite (5) mindestens ein Spannungsregler (3) vorgesehen ist, der eine anliegende Spannung herunterregelt.