DE3855209T2 - Sicherheitsbarrieren für Zweileiter-Sender - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Sicherheitsbarrieren für 2-Leitersender, insbesondere zur Verwendung in der Prozeßsteuerung und bei ähnlichen Anwendungen.
• Bei der prozeßsteuerung und ähnlichen Anwendungen ist es häufig erforderlich, eine beträchtliche Anzahl von 2-Leitersendern und ihre zugeordneten Sensoren ausgehend von einer einzigen Gleichspannungsenergiequellemit Spannung zu versorgen, die in bezug auf Erde positiv ist. Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer üblichen bekannten Anordnung. Jeder Sender wirkt als veränderlicher Widerstand, um den Strom in der Schleife zu steuern, so daß er den Wert einer gemessenen Variablen darstellt, beispielsweise Druck, Temperatur, Strömung oder Pegel. Üblicherweise liegt das Signal im international anerkannten Standardbereich von 4 bis 20 mA und soll durch einen im Kontrollraum mit Erde verbundenen 250 Ohm-Widerstand fließen, um so ein Signal von 1/5 V zu erzeugen, um eine Anzeige-, Aufzeichnungs- oder Steuereinrichtung zu betätigen. Im wesentlichen sämtliche im Handel erhältlichen Instrumentensysteme benötigen, daß die erzeugte Spannung in bezug auf Erde positiv ist.
• Übliche Instrumentensystemenergieversorgungen sind nominell 24 V, allgemein in Grenzen von 22 bis 28 V geregelt. Von daher ist die für den Sender und Leitungen und jegliche in Reihe angeschlossene Einrichtung wie eine Anzeige verfügbare Spannung wenigstens 22 minus 5 gleich 17 V beim maximalen Strom von 20 mA. Da die meisten im Handel erhältlichen Sender bis zu 12 V (gelegentlich 10 V) herunterarbeiten, ist die bei dieser Anordnung verfügbare Spannung mehr als zweckmäßig. Jeglicher Überschuß fällt über den Sender fort. Eine neue zusätzliche Anforderung für Senderschleifen ist, daß sie digitale oder Frequenzsignale zu oder von einem "Smart"-Sender führen sollten. Diese Signale werden durch den Sender selbst oder durch eine Einrichtung in der Empfängerstation oder durch eine von Hand gehaltene Einrichtung, die über die beiden Drähte eine Verbindung bildet, auf die 4 bis 20 mA überlagert.
• In Öl, Gas, petrochemischen, chemischen und anderen Prozessen, bei denen leicht brennbare Gase, Flüssigkeiten oder Stäube (Kornsilos) vorhanden sein können, ist es zunehmend Praxis, einen Schutz gegen die Explosionsgefahr durch die Eigensicherheitstechnik vorzusehen. Üblicherweise ist eine Sicherheitsbarriere in Reihe mit jeder nicht geerdeten Leitung zwischen dem Kontrollraum und dem Prozeß angeschlossen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Bei Normalbetrieb läßt jede Barriere das gewünschte Signal ohne Dämpfung durch, aber im Fall eines elektrischen Fehlers im Sicherheitsbereich begrenzt die Barriere die Spannung und den Strom, der den Prozeß erreichen kann. Dies stellt sicher, daß jegliche Funken, die sich aus weiteren Fehlern im Gefahrenbereich ergeben, zu klein sind, um Zündungen herbeizuführen. In der Praxis können zwei Barrieren als eine einzige "2-Kanal"-Einheit gepackt werden.
• Atmosphären werden entsprechend ihrer Entzündbarkeit durch einen Funken kategorisiert. Eine Barriere, die für die Verwendung mit Daten der Gruppe "IIC", z.B. Wasserstoff und Acetylen sicher ist, hat dann einen höheren Widerstand als eine, die lediglich für "IIB"- oder "IIA"-Gase, z.B. Ethylen oder Propan sicher ist. Unglücklicherweise erhöht die Einführung von Barrieren den Spannungsabfall um eine Senderschleife häufig bis zu dem Punkt, bei dem wenig Spannung übrigbleibt, und die Ausführung der Schleife wird unzureichend. Insbesondere kann es sein, daß die Energieversorgung eng geregelt werden muß mit der sich ergebenden Gefahr, daß Sicherungen in vielen Barrieren sofort durchbrennen, wenn eine Fehlfunktion sogar eine vorübergehende geringe Zunahme der Spannung gestattet. Beispielsweise zeigt Fig. 2 die Spannungsabfälle bei 20 mA in den beiden Kanälen einer typischen 2-Kanal-Barriere, die zur Verwendung mit einer beliebigen Atmosphäre, einschließlich Gasen der Gruppe "IIC" konzipiert worden ist. Der kombinierte Spannungsabfall der beiden Kanäle bei 20 mA ist 8,5 V. Die maximale Spannung, die auf den ausgehenden Kanal dieser Barriere ohne Durchbrennen der Sicherung angelegt werden kann, ist 26,0 V. Sogar wenn die Energieversorgung auf exakt diesem Wert gehalten wird, ist die für den Sender und Leitungen bei 20 TNA verfügbare Spannung lediglich 26 minus (8,5 + 5) gleich 12,5 V. Wenn der Sender selbst für den Betrieb 12 V benötigt, wie es üblicherweise der Fall ist, läßt die Anordnung wenig Spielraum (0,5 V) für lange Senderleitungen, eine nicht perfekte Regelung der Versorgung, Spannungsverlust in gemeinsamen Versorgungskabeln oder reihenangeschlossener Einrichtungen usw.
• Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um zufriedenstellende passive Sicherheitsbarrierenzu entwerfen, um diese Schwierigkeiten zu überwinden.
• Eine gut bekannte und sehr weit verwendete Lösung ist es, den Rückstrom in ein Spannungssignal (üblicherweise 1/5 V) auf der Gefahrenbereichsseiteder Barriere umzuwandeln. Die Rückführung einer Spannung beseitigt den Spannungsabfall im Rücklaufkanal, der durch das Rückbringen eines Stroms verursacht wird. Eine Version der in Fig. 2 gezeigten Barriere enthält für diesen Zweck einen 250 Ohm-Präzisionswiderstand. Die Herabsetzung beim Spannun gsabfall ist 1,7 V, was für den Sender und Leitungen 14,2 V verfügbar macht, wenn die Versorgung eng geregelt wird. Diese Anordnung ist jedoch nicht immer zufriedenstellend, weil das Spannungssignal in bezug auf die geerdete Sammelschiene erzeugt wird, auf der die Barrieren angebracht sind. Das Potential der Sammelschiene kann sich in der Praxis von demjenigen der 0 V- Schiene der Empfängereinrichtung aufgrund beispielsweise von Spannungsabfällen in gemeinsamen Kabeln unterscheiden. Ein Signal mit definiertem Strom ist häufig vorzuziehen, da es eine Spannung in bezug auf jeglichen Erdungspunkt in einem System erzeugt, wodurch die praktischen Probleme der Verdrahtungslayout-Gestaltung und -Erdung herabgesetzt werden. Dies ist eine ernstliche Erwägung, insbesondere bei großen Geräteprojekten.
• Eine weitere vorgeschlagene Lösung mit passender Barriere besteht darin, eine Barriere zu verwenden, die zur Verwendung lediglich mit IIB- und IIA-Gasen konzipiert ist. Da diese Gase größere Funken tolerieren, kann der Widerstand der Barriere etwa die Hälfte desjenigen sein, der für IIC-Anwendungen erforderlich ist. Wenn die in Fig. 2 gezeigte Barriere für IIB-Gase umkonzipiert würde, würde ihr Widerstand um etwa 150 Ohm fallen, wobei 3 V bei 20 mA eingespart würden. Diese Näherung leidet jedoch unter dem offensichtlichen Nachteil, daß sie nicht mit IIC-Gasen verwendet werden kann. Obwohl häufig Wasserstoff oder Acetylen nicht vorhanden sind, haben Anwender gerne eine einfache, universelle Lösung, die ihre Entscheidungen auf ein Minimum herabsetzt.
• Eine weitere mögliche Lösung könnte sein, die Ausgangsspannung auf der Grundlage herabzusetzen, daß die Anforderung eines 1/5 V- Signals angesichts der Fähigkeit moderner Halbleiterschaltungen gelockert werden könnte, kleinere Signale genau zu verarbeiten, z.B. 0,2 bis 1,0 V. Dies trifft im Prinzip zu und kann gelegentlich ausgeführt werden, aber in der Praxis besteht die überwiegende Betrachtung darin, daß 1/5 V ein akzeptierter Standard in den meisten Teilen der Welt geworden ist, für den die meisten Empfängereinrichtungen konzipiert sind.
• Aufgrund des Fehlens einer idealen Lösung aufgrund von rein passiven Barrieren sind Anstrengungen unternommen worden, Konstruktionen zu schaffen, in denen zusätzliche aktive Komponenten wie Transistoren enthalten sind, um eine verbesserte Leistung zu erzielen.
• Es sind aktive Barrieren bekannt, bei denen der unerläßliche "Abschlußwiderstand" durch einen Strombegrenzerkreis unter Verwendung von 2 oder 3 Transistoren ersetzt ist. Dies kann den Spannungsabfall für einen gegebenen maximalen Strom herabsetzen. Zertifizierungs-Sachverständige geben jedoch solchen Barrieren lediglich eine "ib"-Zuverlässigkeitsbewertung zur Verwendung bei Vorrichtungen in Zonen 1 & 2 aufgrund der Möglichkeit, daß sie kurze Transienten durchlassen können, die eine Zündung herbeiführen können, während ein großer Teil des Marktes nach einer "ia"-Beurteilungsucht, sogar obwohl die Anwendungenmit Zone 0 verhältnismäßig wenig häufig sind, für die sie verwendet werden können. Derzeitige "ia"-Lösungen gründen sich auf der Ansteuerung der Last direkt auf der Sicherheitsbereichsseiteder Barriere eher als ausgehend von einem Strom, der über einen zweiten Barrierenkanal aus dem Gefahrenbereich zurückgeführt wird. Der ausgehende Kanal muß dann lediglich den Sender und seine Leitungen versorgen. Er muß die durch die Last und einen zweiten Kanal benötigte zusätzliche Spannung nicht mehr tragen. Da jeglicher Verlust über den ausgehenden Kanal nun Fehler veranlassen würden, beinhalten diese Lösungen gewöhnlich eine Form eines Regelkreises, um sicherzustellen, daß die auf den Kanal gegebene Spannung automatisch unterhalb des Pegels gehalten wird, bei dem die Zenerdioden beginnen, signifikant zu leiten. Dies ist kein Problem, aber selbstverständlichmuß der durch jeglichen Überwachungs(komparator)verstärker, der direkt mit der Barriere verbunden ist, gezogene Strom in bezug auf 20 mA vernachlässigbar gemacht werden. Beispielsweise soll er einige wenige Mikroampere nicht überschreiten.
• Ein aktives "ia"-Barrierensystemdieses Typs ist als Stromspiegelanordnung bekannt. Bei dieser Näherung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, wird ein zweiter "paralleler" Strom 12 ausgehend von der gemeinsamen Spannungsversorgungerzeugt, um die Last des Sicherheitsbereichs anzusteuern. Er wird durch die Wirkung der beiden nominell gleichen Widerstände R1 und R2 und den hochverstärkenden Gleichstromkomparatorverstärker A1 mit geringer Drift gleich dem Senderstrom I1 gemacht. Die Schaltung umfaßt auch Spannungsverstärker J1 und J2. Die Barriere ist positiv polarisiert. Ein zweiter Komparatorverstärker A2 hält die Spannung über dem Eingang zur Barriere auf einem Pegel (Vref) etwas unterhalb desjenigen, bei dem die Zenerdioden in der Barriere zu leiten beginnen würden, was auch immer der Senderstrom oder die Versorgungsspannung ist.
• Der durch diesen Verstärker gezogene Strom muß im Vergleich zu 20 mA vernachlässigbar sein, z.B. einige wenige Mikroampere. Um zu verhindern, daß die Sicherung durchbrennt und die Spannungsversorgung im Fall eines Kurzschlusses zwischen den Gefahrenbereichsleitungen überlastet wird, kann ein Strombegrenzerkreis, Fig. 4, enthalten sein. Wenn der Strom 20 mA signifikant überschreitet, überlagert dieser Kreis das Steuersignal zum Spannungsverstärker J1 und bewirkt dann, den Verstärker J1 AUS zu schalten. Obwohl sie die meisten Anwendungsprobleme sehr zufriedenstellend löst, hat die Stromspiegelanordnung einige Nachteile:
• a) Die Genauigkeit, mit der der Senderstrom wiederholt wird, obwohl sie hoch ist, ist unvermeidbar nicht perfekt.
• b) Der bei voller Ausgangsleistung verbrauchte Strom kann nicht weniger als 40 mA sein und ist in der Praxis bis zu 60 mA bei 35 V aufgrund der "Überkopf"-Erfordernisse der beiden Verstärker und der Referenzspannung.
• c) Die Barriere empfängt dann digitale oder Frequenzsignale ausgehend von einem "Smart"- Sender, kann sie aber nicht in der anderen Richtung senden, d.h. sie ist an sich nicht bidirektional.
• d) Um eine Ausgangsleistung von etwa 14 V ausgehend von einer 22 V-Versorgung zu erzielen, hat die Barriere in der Praxis eine nicht standardmäßige "Sicherheitsbeschreibung" (maximale Ausgangsspannung und minimaler Abschlußwiderstand).
• Die Kosten sind recht hoch (etwa zweimal diejenigen einer passiven 1-Kanalbarriere) aufgrund des Erfordernisses zweier Operationsverstärker und einer Kalibrationsprozedur zur Einstellung kleiner Abweichungen zwischen R1 und R2 und Verstärkerverschiebungen während der Herstellung.
• "Control & Instrumentation", Februar 1973, Bd. 5, Nr. 2 beschreibt eine Sicherheitsbarriere zur Spannungsversorgung eines 2-Leitersenders, in der eine nicht geerdete Spannungsversorgungseinheit enthalten ist. Die Versorgungseinheit hat einen negativen Ausgangswiderstand: ihre Abschlußspannungnimmt zu, wenn der Ausgangsstrom zunimmt, womit so die Wirkungen eines Spannungsabfalls über die Last versetzt werden und es ermöglicht wird, daß der maximale Wert der Barrierenspannung beibehalten wird.
• "Control & Instrumentation, Mai 1986, Bd. 5, Seite 93 ff. beschreibt Shuntdiodenbarrierenkreise und insbesondere Isolierbarrierenschnittstellen.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sicherheitsbarriere zu schaffen, die die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik überwindet oder auf ein Minimum herabsetzt.
• Gemäß der Erfindung ist eine Sicherheitsbarriere für einen 2-Leitersender geschaffen worden, wobei die Barriere eine erdfreie Gleichspannungsversorgung oder einen Diodenpumpkreis enthält, der sich innerhalb der Barriere befindet, um es zu ermöglichen, daß die Barriere einen Gleichstrom im wesentlichen gleich demjenigen, den sie von dem Sender zieht, in eine geerdete Last abgibt, und bei der die erdfreie Gleichspannungsversorgung oder der Diodenpumpkreis mit einer externen Gleichspannungsversorgungsquelle verbunden ist, gekennzeichnet durch wenigstens einen Regelkreis, der die auf die Barriere gegebene Spannung automatisch auf einem Pegel unterhalb des Pegels hält, bei dem der Strom durch die Barriere fließen würde, und der Änderungen in der Versorgungsspannung und dem Spannungsabfall über die Last kompensiert, und daß eine Kompensation von Änderungen in der Spannung über die Last in der Zeit so verzögert wird, daß die Barriere überlagerte digitale oder Frequenzsignale in beiden Richtungen durchläßt.
• Die erdfreie Gleichspannungsversorgung kann einen Oszillator, einen Transformator und einen Gleichricht- und Glättungskreis, sämtlich innerhalb der Barriere, umfassen.
• Der Transformator ist vorzugsweise ein Spannungsaufwärtstransformator.
• Alternativ kann der Oszillator einen oder mehrere Diodenpumpkreise ansteuern, um dieselbe Funktion ohne das Erfordernis eines Transformators auszuführen.
• Bei bestimmten Ausführungsbeispielenkönnen eine oder mehrere geschaltete Induktoren vorgesehen sein, um die verfügbare Spannung zu erhöhen. Die Einschaltzeit des Schalters oder der Schalter kann dazu verwendet werden, die gewünschte Spannungserhöhungzu liefern. Die Einschaltzeit kann beispielsweise 0,25 eines Zyklus sein. Der geschaltete Induktor kann direkt die Wechselspannungsansteuerung für die Diodenpumpe liefern.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Barriere polarisiert, um Signale mit negativer Polarität in bezug auf Erde durchzulassen, und der zur Last abgegebene Strom ist in bezug auf Erde positiv.
• Eine Kompensation von Änderungen in der Spannung über die Last wird vorzugsweise zeitlich so verzögert, daß die Barriere dann überlagerte digitale oder Frequenzsignale in beiden Richtungen zu und von einem "Smart"-Sender durchläßt.
• In gewünschter Weise ist der von der externen Versorgung gezogene Strom automatisch auf einen Pegel begrenzt, der die Sicherung in der Barriere nicht durchbrennt oder die Versorgungsspannung nicht überlastet.
• Die Sicherheitsbarriere der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:
• a) Außerordentlich hohe Genauigkeit, da der Sender und Lastströme ein und dasselbe sind.
• b) Geringerer Stromverbrauch, gewöhnlich im Bereich von 40 mA, da es lediglich den einen Strom gibt und keine übermäßige Ausgangsspannung vorgesehen ist.
• c) Fähigkeit, nicht nur digitale oder Frequenzsignale von einem Smart-Sender zu empfangen, sondern sie auch in der anderen Richtung durchzulassen.
• d) Standardsicherheitsbeschreibungvon (z.B.) 28 V = 300 Ohm.
• e) Geringere Kosten als die Stromspiegellösung, da sie nicht mehr als einen Komparatorverstärker (dessen Spannungsdrift nicht kritisch ist) und keine Kalibration während der Herstellung benötigt.
• Die Erfindung wird nun mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf eine Anzahl bevorzugter Ausführungsbeispieleund unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen:
• Fig. 1 bis 4 veranschaulichen eine Anzahl bekannter Sicherheitsbarrieren, wie oben beschrieben;
• Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispieleiner Sicherheitsbarriere gemäß der Erfindung, bei der ein mit erdfreier Spannungsversorgung verbundener Transformator verwendet wird;
• Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sicherheitsbarriere gemäß der Erfindung, bei der eine Diodenpumpspannungsversorgung verwendet wird;
• Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sicherheitsbarriere gemäß der Erfindung;
• Fig. 8 zeigt eine Schaltungsmodifikationzur Verwendung bei der in Fig. 7 gezeigten Barriere und
• Fig. 9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Sicherheitsbarriere gemäß der Erfindung.
• Fig. 5 zeigt eine Barriere, bei der eine erdfreie Spannungsversorgung mit einer negativ polarisierten Barriere zusammenwirkt, um die Last direkt mit den von dem Sender her fließenden Strom anzusteuern.
• Die erdfreie Versorgung ist mittels herkömmlicher Einrichtungen ausgehend von der gemeinsamen Versorgung (mit 20-35 V angegeben) abgeleitet, wobei diese Einrichtungenbeispielsweise einen Strombegrenzerkreis 10, einen Spannungsregelkreis 12, einen Hochfrequenzoszillator 14 und eine Einheit 16 enthalten, die einen kleinen Spannungsaufwärtstransformator TR und einen Gleichricht- und Glättungskreis RS umfaßt.
• Ein Komparatorverstärker A hält die Spannung über den Eingang zur Barriere auf einem Pegel (V ref), der etwas niedriger als derjenige ist, bei dem die Zenerdioden in der Barriere zu leiten beginnen, indem die erdfreie Versorgungsspannunggesteuert wird. Im Prinzip kann dies auf jeder Seite des Isoliertransformators TR ausgeführt werden.
• Die Steuerschleife hat die Wirkung, daß die Spannung der erdfreien Versorgung erhöht wird, wenn der Strom zunimmt, um dem sich vergrößernden Spannungsabfall über die Last gegenzuwirken. Mit anderen Worten, die Versorgung wird dazu gebracht, daß sie eine ansteigende Spannung/Stromkennlinie aufweist. Das Frequenzansprechen des Spannungsregelkreises 12 ist durch einen Kondensator C1 begrenzt. Dies ermöglicht es, daß der Kreis nicht nur digitale oder Frequenzsignale von einem "Smart" -Sender empfängt, sondern sie auch in der anderen Richtung durchläßt.
• Fig. 6 zeigt eine äquivalente Anordnung zu derjenigen von Fig. 5, bei der der Transformator TR durch einen Diodenpumpkreis ersetzt wird. Die Pumpe, umfassend Dioden D1 und D2, den Kondensator T2 und einen Oszillator, die von einer gemeinsamen Spannungsversorgung ausgehend arbeiten, wirkt auf ähnliche Weise auf eine erdfreie Versorgung, um die Last mit einem Strom anzusteuern, der genau gleich demjenigen ist, den sie von der Barriere her zieht. Das einzige Erfordernis, auf das die Gleichheit zutrifft, ist, daß der Kondensator C2 keinerlei Gleichstrom-Leckagehalten sollte. Eine Leckage durch die Dioden, die Diodeneigenkapazitätund die Oszillatorwellenform sind irrelevant. Wie zuvor steuert der Komparatorverstärker A den Spannungsregler 12, um sicherzustellen, daß die korrekte Spannung auf den Eingang der Barriere gegeben wird, was auch immer die Spannung der Versorgung oder der Spannungsabfall über die Last sind. Da der von der Barriere gezogene und zur Last zugeführte Strom ein gepulster Gleichstrom ist, benötigt jeder Kreis einen Glättungs(speicher)kondensator,der nicht signifikant lecken darf. Falls erforderlich, kann dieses praktische Problem stark reduziert werden, indem zwei separate Diodenpumpkreise verwendet werden, die mit entgegengesetzter Phase arbeiten, so daß kleinere Glättungskondensatorenzweckmäßig sind. Die Spitze-zu-Spitze-Spannungdes Oszillators soll die auf die Barriere gegebene Spannung (z.B. 21 V) plus derjenigen, die zu der Last gegeben wird (z.B. 5 V) plus dem Spannungsabfall über den beiden Pumpdioden (z.B. 1,5 V) plus jeglichen Abfall über eine Umkehrspannungsschutzdiode D3 und Sicherung F4 in Reihe mit dem Ausgang überschreiten, wie in Fig. 7 gezeigt ist (etwa 1 V) - insgesamt 28,5 V. Dies überschreitet die typische Minimalspannung der Versorgung (22 V), so daß eine Art einer Spannungserhöhungvorzuziehen ist. Dies kann beispielsweisewie in Fig. 7 gezeigterreicht werden.
• Fig. 7 zeigt eine Diodenpumpanordnung, bei der die erforderliche Spannungserhöhung durch einen intermittierend geklemmten Induktor L vorgesehen wird. Derartige Induktoren werden weit verbreitet verwendet und sind in großen Mengen bei geringen Kosten leicht verfügbar. Ein Oszillator 18 steuert einen Transistorschalter mit einer "Ein-Zeit" an, die ausreichend ist, um die benötigte Spannungserhöhung zu schaffen, typischerweise etwa 25 % eines Zyklus. Während der Schalter 5 geklemmt ist, nimmt der Strom durch den Induktor L zu und der Kondensator C2 zieht Strom durch die Diode D1 aus dem Speicherkondensator C3 der Barriere. Wenn der Schalter S geöffnet wird, wird die Verbindung des Induktors L und des Kondensators C2 schnell positiv, wobei der Treiberstrom durch die Diode D2 in den Speicherkondensator C4 geführt wird, womit die Last versorgt wird. Währenddessen nimmt der Strom durch den Induktor L ab. Der Strom in der Last muß gleich demjenigen sein, der durch die Barriere gezogen wird, vorausgesetzt, daß es keine Gleichstrom-Leckage durch den Kondensator C2 oder die beiden Speicherkondensatoren C3, C4 gibt. Die Spannung über dem Kondensator C2 führt eine automatische Einstellung durch, so daß dies der Fall ist. Da die mittlere Spannung über den Induktor L unter Nichtberücksichtigung von ohmschen Spannungsabfällen über einen Zyklus Null sein muß (sonst würde der Fluß im Kern kontinuierlich zunehmen), ist die benötigte Versorgungsspannung:
• V = (V ref + v + 0,75 + 0,75) (1 - 0,25), wenn D1 und D2 jeweils um 0,75 V abfallen und die Ein-Zeit des Schalters S ein Viertel eines Zyklus ist. Von daher ist die benötigte Versorgungsspannung in dem Beispiel (21 + 5 + 1 + 1,5) (0,75) = 21,4 V, etwas weniger als das verfügbare Minimum von 22 V.
• Das Ausmaß der Spannungsverstärkung kann wie erforderlich dadurch angepaßt werden, daß das Tastverhältnis des Oszillators 18 gewählt wird. Die beschriebene einfache Schaltung gestattet es, daß ein einziger Schalter S die Funktionen der Definition des Ausmaßes der Verstärkung und des Vorsehens eines Wechselstromsignals zur Ansteuerung der Pumpe kombiniert. Es sind andere ähnliche Schaltungen möglich, in denen diese Funktionen nicht kombiniert sein brauchen. Insbesondere, wie in Fig. 8 gezeigt ist, können zwei Schalter S1 und S2 verwendet werden, wobei die verstärkte Spannung eher als auf einen geerdeten, als auf einen schwebenden Kondensator gespeichert ist (Fig. 8), und wobei der Regler ein Schaltregler ist.
• Ein alternatives Verfahren zum Beibehalten einer zweckmäßigen konstanten Spannung Vref über die Barriere ist in Fig. 9 gezeigt. Obwohl das Diagramm eine schwebende Gleichstromversorgung 20 zeigt, kann dieses Prinzip in gleicher Weise auf Diodenpumpanordnungen angewendet werden. Der Abfall der Versorgung wird mittels einer herkömmlichen Einrichtung konstant gehalten und treibt die Last über einen Spannungsverstärker J mit einer Stromverstärkungvon virtueller Einheit. In der Praxis könnte J zwei oder drei in Kaskade geschalteten Transistoren sein. Da die Basis von J auf einem konstanten Potential gehalten wird, muß auch Vref konstant sein. Eine Kompensation von Änderungen im Spannungsabfall über die Last ist automatisch durch gleiche und entgegengesetzte Änderungen in der Spannung über den Verstärker J vorgesehen.
• Die Anordnung hat besondere Vorteile für Barrieren, die mit Smart- Sendern verwendet werden sollen. Sämtliche Shuntdiodenbarrieren empfangen dann normalerweise digitale oder Frequenzsignale bis zu wenigstens einigen khz Anordnungen mit erdfreier Versorgung, wie beschrieben, lassen sie dann nicht in der entgegengesetztenrichtung durch, außer, das Ansprechen des Spannungskompensationskreises, d.h. des Verstärkers J in Fig. 9, wird zweckmäßig verzögert oder auf sonstige Weise unwirksam gemacht. Unglücklicherweise verlangsamt oder verschlechtert dies auf sonstige Weise das Ansprechen der Barriere auf Änderungen im Meßsignal von 4 bis 20 mA. Daher wird das Problem eines, zwischen zwei Frequenzen zu diskriminieren und einen zweckmäßigen Kompromiß zu finden. Ein spezieller Vorteil des gezeigten Schaltungstyps ist es, daß der Basisstrom des Verstärkers J eine sehr hohe Impedanz hat und daher selbst zur Anordnung von Filtern oder anderen Kreisen unter Verwendung kleiner und kostengünstiger Komponenten darin führt. Mehrstufenfilter, wie sie in Fig. 9 beispielsweise durch C11, R11; C12, R12 beispielhaft vorhanden sind, können nützlich sein, wenn die Kommunikationsfrequenz und die gewünschte Meßansprechfrequenz nicht weit getrennt sind.

Claims (12)

1. Sicherheitsbarriere für einen 2-Leiter-Sender (Tx), wobei die Barriere eine(n) getrennte(n) Gleichspannungsversorgung oder Diodenpumpkreis umfaßt, die (der) sich innerhalb der Barriere befindet, um die Barriere in die Lage zu versetzen, eine Gleichstrom im wesentlichen gleich demjenigen in eine geerdete Last (LAST) abzugeben, den sie vom Sender abzieht, und bei der die getrennte Gleichspannungsversorgung oder der Diodenpumpkreis mit einer externen Gleichspannungsversorgungsquelle verbunden ist, gekennzeichnet durch wenigstens einen Regelkreis (A, 12), der die auf die Barriere gegebene Spannung automatisch auf einem Pegel unterhalb des Pegels hält, bei dem Strom durch die Barriere fließen würde, und der Veränderungen der Versorgungsspannung und des Spannungsabfalls über die Last kompensiert, und das eine Kompensation von Veränderungen in der Spannung über die Last rechtzeitig erfolgt, so daß dann die Barriere übereinanderliegende digitale oder Frequenzsignale in beiden Richtungen durchläßt.

2. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Regelkreis einen Schaltregler umfaßt (Fig. 8).

3. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere eine Einkanal-Shuntdioden-Sicherheitsbarriere ist.

4. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennte Gleichspannungsversorgung einen Oszillator (14), einen Transformator (16) und einen Gleichricht- und Glättungskreis umfaßt.

5. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (16) ein Aufwärtstransformator ist.

6. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, 2 oder 3 gekennzeichnet durch einen Oszillator (14) und wenigstens einen durch den Oszillator angesteuerten Diodenpumpkreis (D1, D2), wobei der wenigstens eine Diodenpumpkreis die Last mit einem Strom gleich demjenigen ansteuert, den er von der Barriere abzieht.

7. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine geschaltete Drosselspule (L) umfaßt, die dem wenigstens einen Diodenpumpkreis (D1, D2) zugeordnet ist, um die Spitze-zu-Spitze-Spannung des Oszillators (14) zu erhöhen.

8. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Drosselspule (L) durch ein Schaltmittel (S) gesteuert ist, wobei die Ein-Zeit des Schaltmittels die gewünschte Spannungserhöhung liefert.

9. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-Zeit ein Viertel einer Periode ist.

10. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine geschaltete Drosselspule (L) eine Wechselstromansteuerung für den wenigstens einen Diodenpumpkreis liefert.

11. Sicherheitsbarriere nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Mittel zum Aufrechterhalten einer konstanten Spannung über die Barriere, wobei die Mittel einen Spannungskompensationskreis umfassen, der ein Spannungsverstärkermittel (J) mit einer Einheitsstromverstärkung aufweist, das zwischen der getrennten Gleichspannungsversorgung oder dem Diodenpumpkreis einerseits und der angesteuerten Last andererseits angeschlossen ist.

12. Sicherheitsbarriere nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere polarisiert ist, um Signale negativer Polarität in bezug auf Erde durchzulassen, und der zur Last abgegebene Strom in bezug auf Erde positiv ist.