DE4405607A1 - Schaltungseinrichtung zur Erfassung und Umsetzung einer Mehrzahl physikalischer Meßgrößen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinrichtung zur Erfassung und Umsetzung einer Mehrzahl gegebenenfalls unterschiedlicher physikalischer Meßgrößen.

Im Bereich der Klima- und Lüftungstechnik, aber auch in anderen technischen Bereichen, in denen mittels soge­ nannter Fühler physikalische Meßgrößen wie Druck, Temperatur, Feuchte und dergleichen erfaßt werden, werden in der Regel Fühlerelemente verwendet, die unmittelbar abgestimmt sind auf das den Fühlerelementen nachfolgende Signalaufbereitungswerk, über das nachfol­ gend dann Stell- und Regelungsglieder angesteuert bzw. geregelt werden. Diese unmittelbare Anpassung der Fühlerelemente an die nachfolgende Signalverarbeitung im Signalaufbereitungswerk und das nachfolgende Regelungs- und Steuerwerk ist weitgehend gang und gäbe bei den Herstellern derartiger Einrichtungen und ist grundsätz­ lich immer dann unproblematisch, wenn für Wartungs-, Austausch-, Reparatur- und Erweiterungszwecke derartiger Einrichtungen und nachfolgender Anlagen derjenige herangezogen wird, der diese Einrichtungen und Anlagen konzipiert und geliefert hat.

Vielfach ist jedoch bei sich im Einsatz befindlichen Einrichtungen und Anlagen ein Rückgriff auf den ur­ sprünglichen Hersteller bzw. den für das Konzept derar­ tiger Einrichtungen und Anlagen Verantwortlichen nicht mehr möglich, was seinen Grund darin haben kann, daß der ursprüngliche Hersteller vom Markt verdrängt worden ist, d. h. nicht mehr existiert, oder aber daß das entspre­ chende Produkt nicht mehr im Lieferprogramm des ur­ sprünglichen Herstellers vorhanden ist. Die sehr nach­ teilige Folge ist die, daß vielfach bei Anlagen und Einrichtungen, die an sich noch gut funktionieren, die allerdings mit kleinen Fehlern behaftet sind, die eine Reparatur, einen Austausch oder eine Wartung bestimmter Komponenten erfordern, eben dieses nicht mehr möglich ist, so daß die gesamte Anlage bzw. Einrichtung, da sie quasi aus den vorangehend genannten Gründen nicht mehr reparabel ist, vollständig ersetzt werden muß, was vielfach mit einem extrem großen materiellen Aufwand verbunden ist, der oftmals zudem nicht bereitgestellt werden kann.

Ein weiterer wichtiger anderer, aber ebenfalls wesent­ licher Aspekt ist der, daß bisher verwendete Fühlerele­ mente für die Erfassung von physikalischen Parametern aus einer sogenannten Fühlerfamilie eines bestimmten Herstellers ausgewählt worden sind, andere Hersteller aber bessere Fühlerelemente anbieten, die jedoch in bisher existierenden Anlagen und Einrichtungen nicht verwendet werden können, da sie sich aufgrund ihrer eigenen physikalischen Parameter nicht ohne weiteres in eine bisher schon existierende bzw. in einer Anlage befindlichen Fühlerelementfamilie einpassen lassen, so daß auch in diesem Fall, wie oben schon dargestellt, vielfach ein Austausch einzelner Fühlerelemente eines anderen Systems zwangsläufig den Austausch der ganzen Anordnung und Einrichtung erfordert. Dieses ist, ohne daß das an dieser Stelle noch weiter ausgeführt zu werden braucht, in hohem Maße unwirtschaftlich und auch aus den oben schon genannten Gründen vielfach nicht durchführbar.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der gegebenenfalls unterschiedliche physikalische Meßgrößen erfaßt und umgesetzt werden können, und zwar derart, daß beliebige existierende Erfassungselemente, mit denen physikalische Meßgrößen wie Temperatur, Druck, Feuchte und dergleichen im allgemeinen erfaßt werden, verwendet werden können, wobei deren gelieferte Signale derart aufbereitet werden können, daß unterschiedlichste Meßpegel und unterschied­ lichste Meßsignale unterschiedlichster Fühler unter­ schiedlichster Fühlerfamilien Verwendung finden können, so daß unter Einschluß der Schaltungseinrichtung ohne weiteres Altanlagen, aber auch Neuanlagen, voll funk­ tionsfähig betrieben werden können, wobei die Schal­ tungseinrichtung einfach und kostengünstig ausbildbar und herstellbar sein soll, so daß sie sich auch ohne weiteres zur Nachrüstung schon bestehender Anlagen eignet, ohne daß die Altanlagen auf aufwendige Weise umgebaut bzw. angepaßt werden müssen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Multiplexereinrichtung, auf die eingangsseitig die Meßgrößen in Form elektrischer Signale gebbar sind, wobei in Abhängigkeit einer Steuerung die ausgangsseitig an der Multiplexereinrichtung anliegenden elektrischen Signale auf eine Verstärkereinrichtung gegeben werden, wo sie in Abhängigkeit der Steuerung in Signale mit normierten Pegeln umgewandelt werden.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Schalt­ einrichtung besteht im wesentlichen darin, daß Fühlere­ lemente unterschiedlichster Hersteller mit unterschied­ lichsten Fühlercharakteristika Verwendung finden können, d. h. alte Fühlerelemente können in einem System mit neuen Fühlerelementen verwendet werden, wobei auch Fühlerelemente einer Fühlerelementfamilie Verwendung finden können, und zwar in Verbindung mit anderen Fühlerelementen gegebenenfalls einer anderen Fühlerfami­ lie, so daß innerhalb eines Systems Kosten- und Quali­ tätsvorteile genutzt werden können. Der Signalbereich, den die erfindungsgemäße Schaltungseinrichtung liefert, d. h. die von ihr gelieferten Stell- und/oder Regelgrößen basieren auf durch die Schaltungseinrichtung gelieferten Signalen mit normierten Pegeln bzw. normierten Signalbe­ reichen.

Die Steuerung der Multiplexereinrichtung, d. h. das Heranführen der an den Eingängen der Multiplexereinrich­ tung liegenden noch unterschiedlichen, nicht aufeinander angepaßten Signale auf die Verstärkereinrichtung, kann grundsätzlich auf beliebige geeignete Art und Weise erfolgen, d. h. grundsätzlich auch mittels einer festver­ drahteten Schaltlogik. Vorteilhafterweise erfolgt die Steuerung jedoch mittels eines Rechenwerks, da ein Rechenwerk flexibel an gegebenenfalls zu verändernde Meßgrößen an den Eingängen des Multiplexers angepaßt werden kann und darüber hinaus auch unterschiedlich wählbare Schalttakte bzw. Schaltsequenzen, mit denen die Multiplexereinrichtung gesteuert wird, den sich gegebe­ nenfalls ändernden Anforderungen leicht angepaßt werden können. Dabei wird das Rechenwerk vorteilhafterweise durch einen Mikroprozessor gebildet, der durch geeignete Software unterstützt den Steueralgorithmus für die Multiplexereinrichtung und für die Verstärkereinrichtung liefert, so daß dieser in Abhängigkeit des jeweils über die Multiplexereinrichtung zur Verstärkereinrichtung durchgeschalteten elektrischen Signals entsprechend der bestimmten Meßgröße die Verstärkereinrichtung auch bezüglich des jeweils dann zur Anwendung kommenden unterschiedlich großen Verstärkungsfaktors für das zu verstärkende elektrische Signal die Ansteuerung bzw. Steuerung schlechthin übernimmt.

Wenn für bestimmte Anwendungsfälle eine große Varia­ tionsbreite bezüglich der Änderung der Steuerparameter nicht nötig ist, ist es für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft, das Rechenwerk anstelle eines Mikroprozes­ sors durch einen speicherprogrammierbaren Schaltkreis auszubilden, der einfach auf Anweisung programmiert werden kann, so daß das verhältnismäßig aufwendige Andern eines Softwareprogrammes, wie es beim Einsatz eines Mikroprozessors erforderlich wäre, für derartige einfache Anwendungsfälle entbehrlich ist.

Die Signale, die am Ausgang der Verstärkereinrichtung liegen, d. h. die auf entsprechende Weise verstärkten Signale zur Erreichung normierter Signalpegel, können, je nach Bedarf für die einzelnen nachfolgenden Stell- und Regelglieder, in analoger Form oder in digitaler Form von der Schaltungseinrichtung geliefert werden.

Dabei ist es vorteilhaft, die Signale bei einer Ausge­ staltung der Schaltungseinrichtung am Ausgang der Verstärkereinrichtung auf einen Analog-Digital-Wandler zu geben, der die Signale dann in digitaler Form ent­ sprechend der auf erfindungsgemäße Weise normierten Pegel liefert.

Zusätzlich können die Signale am Ausgang der Verstärker­ einrichtung vorteilhafterweise auf einen Binärcodierer gegeben werden, so daß das von der Schaltungseinrichtung gelieferte Ausgangssignal im Binärcode für das der Schaltungseinrichtung nachfolgende Stell- bzw. Regel­ glied zur Verfügung steht, ohne daß aufwendige geson­ derte Wandler bzw. Umsetzungseinrichtungen erforderlich sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungseinrichtung wird die Verstärkereinrichtung durch einen Operationsverstärker gebildet, der als fertiges Bauteil im Handel erhältlich ist und den komplizierten, kostenträchtigen Aufbau einer Verstärker­ schaltung aus einzelnen elektronischen Bauelementen entbehrlich macht.

Operationsverstärker werden unter anderem mit sogenann­ ten Rückführwiderständen und/oder anderen elektronischen bzw. elektrischen Bauelementen beschaltet, über die auf bekannte Weise grundsätzlich auch der Verstärkungsfaktor des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal ein­ stellbar ist. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen lediglich von Rückführwiderständen gesprochen, wobei dieser Begriff sinngemäß auch die vorerwähnten elektro­ nischen bzw. elektrischen Bauelemente umfaßt. Vorteil­ hafterweise ist der Operationsverstärker mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Rückführwiderstände verbunden, die in Abhängigkeit der Steuerung zum jewei­ ligen Zusammenwirken mit dem Operationsverstärker schaltbar sind. In diesem Falle ist es möglich, daß die unterschiedlichen Rückführwiderstände beispielsweise matrixartig angeordnet sind, so daß unterschiedlichste Kombinationen unterschiedlichster Rückführwiderstände geeignet angesteuert einen somit vorwählbaren Rückführ­ widerstand zusammenschalten, und zwar entsprechend dem für das jeweils zu verstärkende Signal gewünschten Verstärkungsfaktor.

Die Auswahl der unterschiedlichen Widerstände bzw. Widerstandskombinationen für die Einstellung des Ver­ stärkungsfaktors kann vorteilhafterweise dadurch gesche­ hen, daß die ausgangsseitig an der Multiplexereinrich­ tung seriell anliegenden Signale auf den seriellen Eingang einer zweiten Multiplexereinrichtung gegeben werden, wobei dessen Ausgänge jeweils mit wenigstens einem der Rückführwiderstände verbunden sind.

Die Steuerung bei der vorangehend beschriebenen vorteil­ haften Ausgestaltung der Schaltungseinrichtung wird dabei ebenfalls durch die Steuerung bewirkt, die für die Steuerung der ersten Multiplexereinrichtung verantwort­ lich ist, d. h. beispielsweise auch durch ein Rechenwerk, in Form eines durch einen Mikroprozessor gebildeten Rechenwerks oder auch durch ein in Form eines speicher­ programmierbaren Schaltkreises gebildetes Rechenwerk und dergleichen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzige nachfolgende schematische Zeichnung anhand eines Aus­ führungsbeispieles eingehend beschrieben. Diese zeigt:
in Form eines Blockschaltbildes eine Schal­ tungseinrichtung mit beispielsweise sechs unterschiedlichen Fühlerelementen, die mit den parallelen Eingängen einer Multiplexereinrich­ tung der Schaltungseinrichtung verbunden sind.

Die Schaltungseinrichtung 10, die in der einzigen Figur dargestellt ist, besteht aus einer ersten Multiplexer­ einrichtung 12, einer Verstärkereinrichtung 18 und einem Rechenwerk 20. Die Multiplexereingänge 14, im vorlie­ genden Beispiel sechs, sind über Leitungen mit Meßfüh­ lern verbunden, die hier im einzelnen nicht dargestellt sind. Die Meßfühler erzeugen Meßgrößen 11 in Abhängig­ keit der von diesen jeweils erfaßten Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder dgl., wobei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden muß, daß die vorangehend gewählte Aufzählung der einzelnen Parameter nicht limitierend, sondern nur beispielhaft zu verstehen ist. Zudem sei darauf hingewiesen, daß die von den Meßfühlern erzeugten Meßgrößen 11 sowohl passive Signale als auch aktive Signale sein können.

Der serielle Ausgang der Multiplexereinrichtung 12 ist mit dem Eingang 180 der Verstärkereinrichtung verbunden. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der Schaltungseinrichtung 10 wird die Verstärkereinrich­ tung 18 durch einen Operationsverstärker gebildet, der mit einer Mehrzahl von Rückführwiderständen 21 zwischen seinen Ausgang 181 und seinem Eingang 180 beschaltet ist. Eine zweite Multiplexereinrichtung 13 zwischen dem Eingang 180 und der Mehrzahl der Rückführwiderstände 21 sorgt dafür, daß verschiedene Rückführwiderstände 21 entsprechend dem gewünschten Verstärkungsfaktor der Verstärkereinrichtung 18 entsprechend dem zu verstärken­ den Multiplexerausgangssignal 17 ausgewählt werden können. Die in der Zeichnung dargestellte Mehrzahl der Rückführwiderstände 21 ist hier nur schematisch zu verstehen. Die Rückführwiderstände 21 können beispiels­ weise auch matrixförmig angeordnet sein, so daß aus einer beliebigen Mehrzahl vorgesehener Rückführwider­ stände geeignete Kombinationen von Rückführwiderständen zur Erreichung eines bestimmten einzustellenden Verstär­ kungsfaktors für die Verstärkereinrichtung 18 ausgewählt werden können.

Am Ausgang 181 der Verstärkereinrichtung 18 liegen somit durch geeignete Steuerung bzw. Auswahl der Rückführwi­ derstände 21 Signale mit normierten Pegeln 19 an. Diese Signale 19 werden dann als Analogsignal 19 auf Stell- und Regelglieder der Anlage gegeben, in der die Schal­ tungseinrichtung 10 angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, anstelle analoger Signale 19 mit normierten Pegeln entsprechende digitale Signale auszugeben, d. h. zuvor die aus der Verstärkereinrichtung 18 ausgegebenen Signale 19 mit normierten Pegeln auf einen hier nicht gesondert dargestellten Analog-Digital-Wandler zu geben und dann auszugeben, wobei es auch möglich ist, die digitalen Signale vor Ausgabe auf einen hier ebenfalls nicht dargestellten Binärcodierer zu geben.

Die Steuerung der Schaltungseinrichtung 10, d. h. die Steuerung der ersten Multiplexereinrichtung 12, der zweiten Multiplexereinrichtung 13 und der Verstärkerein­ richtung 18, die hier durch einen Operationsverstärker gebildet wird, erfolgt hier mittels eines Rechenwerkes 20, das über einen Steuerbus 200 mit der ersten Multi­ plexereinrichtung 12, der zweiten Multiplexereinrichtung 13 und der Verstärkereinrichtung 18 verbunden ist. Das Rechenwerk 20 wird hier vorteilhafterweise durch einen Mikroprozessor gebildet, grundsätzlich kann aber anstelle eines Mikroprozessors auch eine festverdrahtete Schaltlogik, die als Rechenwerk funktioniert, oder eine in Form eines speicherprogrammierbaren Schaltkreises verwendet werden. Insofern ist die Bezeichnung Steuerbus 200 derart zu verstehen, daß damit die Steuerleitungen zur Steuerung der ersten Multiplexereinrichtung 12, der zweiten Multiplexereinrichtung 13 und der Verstärkerein­ richtung 18 ganz allgemein gemeint werden.

Während des Betriebes der Schaltungseinrichtung 10 können somit, gesteuert bzw. im Takt des Steuerbusses 200, die verschiedensten Meßgrößen 11 entsprechend der hier beispielhaft dargestellten Meßgrößen 11 über den Eingang 14 der ersten Multiplexereinrichtung 12 nachein­ ander oder in einer beliebigen geeigneten durch die Steuersequenz gewählten Reihenfolge auf den Multiplexer­ ausgang geschaltet werden und von dort auf den Eingang 180 der Verstärkereinrichtung 18. Entsprechend der Steuerung durch den Steuerbus 200 kann gleichzeitig über die zweite Multiplexereinrichtung 13 der zur Einstellung des zu erreichen gewünschten Normpegels des Signals 19 am Ausgang 181 der Verstärkereinrichtung 18 benötigte Rückführwiderstand 21 ausgewählt werden, wobei mit dem geeignet ausgewählten Rückführwiderstand 21 der Verstär­ kungsfaktor an der Verstärkereinrichtung 18 entsprechend eingestellt wird. Die unterschiedlichen Rückführwider­ stände 21 entsprechen unterschiedlichen Verstärkungen der Verstärkereinrichtung, die dem jeweiligen unter­ schiedlichen Typ von Fühlerelementen entsprechen. Das Signal 19 mit normiertem Pegel bzw. normiertem Pegelhub liegt somit am Ausgang 181 der Verstärkereinrichtung 18 an, und zwar unabhängig von der Art der verwendeten bzw. an die Schaltungseinrichtung 10 geschalteten Fühlerele­ mente.

Das Signal 19 kann dann, wie oben schon dargestellt, in ein digitales Signal umgewandelt werden und auch gege­ benenfalls im entsprechend umgewandelten Binärcode von der Schaltungseinrichtung 10 ausgegeben werden.

Bezugszeichenliste

10 Schaltungseinrichtung
11 Meßgröße
12 (erste) Multiplexereinrichtung
13 (zweite) Multiplexereinrichtung
14 Multiplexereingang
15 Signal
16 Multiplexerausgang
17 Multiplexerausgangssignal
18 Verstärkereinrichtung
180 Eingang
181 Ausgang
19 Signale mit normierten Pegeln
20 Rechenwerk
200 Steuerbus
21 Rückführwiderstand
22 serieller Eingang,(zweite Multiplexereinrichtung)
23 paralleler Ausgang (zweite Multiplexereinrichtung)

Claims (10)

1. Schaltungseinrichtung zur Erfassung und Umsetzung einer Mehrzahl gegebenenfalls unterschiedlicher physi­ kalischer Meßgrößen, gekennzeichnet durch eine Multi­ plexereinrichtung (12), auf die eingangsseitig (14) die Meßgrößen (11) in Form elektrischer Signale (15) gebbar sind, wobei in Abhängigkeit einer Steuerung die aus­ gangsseitig (16) an der Multiplexereinrichtung (12) anliegenden elektrischen Signale (17) auf eine Verstär­ kereinrichtung (18) gegeben werden, wo sie in Abhängig­ keit der Steuerung in Signale (19) mit normierten Pegeln und/oder mit normiertem Pegelhub umgewandelt werden.

2. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung mittels eines Rechen­ werks (20) erfolgt.

3. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk durch einen Mikropro­ zessor gebildet wird.

4. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk durch einen speicher­ programmierbaren Schaltkreis gebildet wird.

5. Schaltungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale (19) am Ausgang der Verstärkereinrichtung (18) auf einen Analog-Digital-Wandler gegeben werden.

6. Schaltungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale (19) am Ausgang der Verstärkereinrichtung (18) auf einen Binärcodierer gegeben werden.

7. Schaltungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung (18) durch einen Operationsver­ stärker gebildet wird.

8. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Rückführwiderstände (21) verbunden ist, die Abhängigkeit der Steuerung zum jeweiligen Zusammenwirken mit dem Operationsverstärker schaltbar sind.

9. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgangsseitig an der Multiple­ xereinrichtung (12) seriell anliegenden Signale (15) auf den seriellen Eingang (22) einer zweiten Multiplexerein­ richtung (13) gegeben werden, wobei deren Ausgänge (23) jeweils mit wenigstens einem der Rückführwiderstände (21) verbunden sind.

10. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der zweiten Multiple­ xereinrichtung (13) durch die Steuerung der ersten Multiplexereinrichtung (12) bewirkt wird.