EP1103038B1 - Schaltungsanordnung zur messwerterfassung, -übertragung und -auswertung - Google Patents
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- EP1103038B1 EP1103038B1 EP00943787A EP00943787A EP1103038B1 EP 1103038 B1 EP1103038 B1 EP 1103038B1 EP 00943787 A EP00943787 A EP 00943787A EP 00943787 A EP00943787 A EP 00943787A EP 1103038 B1 EP1103038 B1 EP 1103038B1
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- G08—SIGNALLING
- G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
- G08C19/00—Electric signal transmission systems
- G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage
Definitions
- the invention relates to a circuit arrangement for measured value acquisition, transmission and evaluation, comprising a Meßwerter initiatedsteil, with a Meßwertaustechnischsteil and with an existing only one outgoing line and a return line connection between the Meßwerter conductedsteil and Meßwertaustechnischsteil, wherein the Meßwerter executedsteil a transducer, a Meßwandlerscnies, a switching regulator upstream of the switching regulator and a switching regulator upstream power controller, wherein the Meßwertausêt has a voltage source and an evaluation circuit and wherein the switching regulator provides a constant operating voltage for the Meßwandlerscnies and the current controller, controlled by the Meßwandlerscnies, representing the measured value, via the forward line and the return line sets flowing Meßwertund supply current, the current consumption of the transducer circuit is controllable and by a short itige reduction of the current consumption of the transducer circuit is controlled so that the voltage drop across the current controller is as small as possible and wherein parallel to the input of the switching regulator
- circuit arrangements of the type in question are designed and designed such that the voltage source located in the measured value evaluation part is a DC voltage source, that is to say the measured value and supply current is a direct current.
- These circuits are also often designed and designed so that the Meßwert- and supply current between a lower limit, namely 4 mA, and an upper limit, namely 20 mA, represents the measured value; the lower limit of 4 mA thus represents the smallest measured value, the upper limit of 20 mA the largest measured value (see the German Patent 39 34 007 , Page 2, lines 19 to 24).
- the circuit arrangement in question is one in which the voltage source provided in the measured value evaluation part is a DC voltage source, that is to say the measured value and supply current is a direct current. This is also the reason why the connection between the measured value detecting part and the measured value evaluating part has already been described as being composed of an outgoing line and a return line. Incidentally, the technical current direction is always assumed below; In a circuit connected to a DC voltage source, therefore, the DC current flows from the positive pole of the DC voltage source via the circuit to the negative pole of the DC voltage source.
- the part of the circuit in question which is previously and subsequently designated with Meßwerter conductedsteil is also known as a transmitting station (see, the German Patent 39 34 007 ) or as a donor agency (see European Published Application 0 744 724 and the German Offenlegungsschrift 197 23 645 ), while the part of the circuit in question referred to herein as Meßwertaustechnischsteil also as a receiving station (see, the German Patent 39 34 007 ) or as the place of receipt (see European Published Application 0 744 724 and the German Offenlegungsschrift 197 23 645 ) referred to as.
- connection between the measured value detection part and the measured value evaluation part which is made according to the terminology used here, consisting of an outgoing line and a return line, is also referred to as a two-wire line (see German Patent Specification 39 34 007 , the European disclosure 0 744 724 and the German Offenlegungsschrift 197 23 645 ).
- the Meßwandlerscnies - with the associated transducer - actually the most functionally important part.
- an operating state may occur in which the measured value and supply current can not be set proportionally to the measured value.
- the present invention is therefore based on the object to provide a circuit arrangement which does not have the problem described above.
- Fig. 1 and 2 Circuit arrangements are determined and suitable for measured value acquisition, transmission and evaluation and consist in their basic structure of a Meßwerter initiatedsteil 1, from a Meßwertaustechnischsteil 2 and from a - consisting of only one forward line 3 and 4 from a return line - connection 5 between the Meßwerter initiatedsteil 1 and the measured value evaluation part 2.
- the measured value evaluation part 2 includes a voltage source 10 and an evaluation circuit 11.
- the evaluation circuit 11 is parallel to the resistor 13; the evaluation circuit 11 is thus supplied to the resistor 13 resulting, the Meßwert- and supply current proportional voltage drop.
- the switching regulator 8 supplies a - at least substantially - constant operating voltage for the transducer circuit 7.
- the switching regulator 8 supplies a - at least substantially - constant operating voltage for the transducer circuit 7.
- the current controller 9 is controlled by the transducer circuit 7. By the current controller 9 a measuring value representing, on the forward line 3 and the return line 4 flowing Meßwert- and supply current is set.
- the circuit part referred to here with current controller is also referred to as a controllable current source, so at least in the European published patent application 0 744 724 and in the German Offenlegungsschrift 127 23 645 , Instead of the term current controller, the term current controller is also used.
- the voltage source 10, the resistor 12, the forward line 3, the current regulator 9, the primary side of the switching regulator 8, the return line 4 and the resistor 13 are connected in series; they form a first circuit.
- the secondary side of the switching regulator 8 and the transducer circuit 7 form a second circuit.
- Equation 13 shows that the power P 5 available to the transducer circuit 7 can be optimized by the highest possible voltage U 4 . Since the voltage U 4 can not be greater than the voltage U 3 , the difference between the voltage U 3 and the voltage U 4 must be as small as possible. "As small as possible” - instead of "zero” - takes into account that the current controller 9 functionally necessary to, under the control of the transducer circuit 7, representing the measured value To be able to adjust the measured value and supply current I 3 requires a minimum difference between the voltage U 3 and the voltage U 4 .
- the switching regulator 8 Since, according to the presupposition, the switching regulator 8 has no power loss, the primary-side power P 4 is equal to the secondary-side power P 5 , since the primary-side current I 4 of the switching regulator 8 is preset in the steady state, namely equal to the measured value and supply current predetermined by the transducer circuit 7 I 3 , and since the secondary-side voltage U 5 of the switching regulator 8 is constant, a short-term reduction of the current consumption of the transducer circuit 7, ie a short-term reduction of the current flowing through the transducer circuit 7 and the secondary side through the switching regulator 8 current I 5 , leading to an increase the voltage U 4 on the primary side of the switching regulator 8, since the current I 3 , now greater than the current I 4 , can no longer be absorbed by the switching regulator 8.
- the switching regulator 8 has a capacitor 16 on the input side.
- a switching regulator 8 is, for example, the switching regulator LT 1176-5 of the company Linea Technology.
- the capacitor 16 simplifies the control of the voltage U 4 , as a result, the rate of change of the voltage U 4 at a setting of I 3 unlike I 4 can be greatly reduced.
- the Meßwert- and supply current I 3 which should be proportional to the measured value, composed of the current I 4 via the first current regulator 9 and the current I 6 via the second current controller 17. Consequently, can also be in the previously described Operating status Set the required measured value and supply current I 3 .
- the transducer circuit 7 to control their current consumption and / or to control the second current regulator 17 be parameterized, z. B. via the voltage U 1 of the voltage source 10 and / or via the resistors 12 and 13 in the Meßwertaustechnischsteil 2 and / or via the resistors 14, 15 of the forward line 3 and / or the return line 4 and / or on the capacity of the input of the switching regulator 8 in parallel capacitor 16. It is also possible, the voltage drop across the first current controller 9, z. B. via an A / D converter, not shown, to control the current consumption of the transducer circuit 7 and / or to control the second current regulator 17 in the transducer circuit 7 introduce.
- characteristic curves are shown which show the voltage U 3 at the input of the current regulator 9 as a function of the current I 3 flowing through the measured value acquisition part 1.
- the characteristic a is a voltage U 1 of 24 V and a resistance of the connection 5 of 300 ⁇
- the characteristic b is a voltage U 1 of 24 V and a resistance of the compound 5 of 50 ⁇
- the characteristic c has a voltage U 1 of 17 V and a resistance of the connection 5 of 50 ⁇ .
- the characteristic a - for a voltage U 1 of 24 V and a resistance of the connection of 300 ⁇ - is particularly widespread, since this characteristic complies with the requirements of intrinsic safety in explosion protection.
- the voltage U 4 at the output of the current regulator 9 is one volt below the voltage U 3 at the input of the current regulator 9.
- the corresponding characteristic curve d is in Fig. 4 - together with the characteristic a off Fig. 3 - shown.
- the current regulator 9 is also necessary because the current I 5 flowing through the transducer circuit 7 can not be controlled as accurately as is necessary for the current I 3 representing the measured value.
- the current controller 9 is controlled by the transducer circuit 7 so that it adjusts a measuring value representing, flowing through the connection 5 Meßwert- and supply current, the current I 3rd
- the circuit arrangement according to the invention can be used for a variety of very different transducers 6.
- the transducer 6 can, for. B. be designed for temperature, pressure, humidity, level or flow detection.
- the transducer 6 can be operated clocked, whereby the current consumption of the transducer circuit 7 can be influenced as a whole.
- Such a clockwise operation is z. B. in a magnetic-inductive flowmeter known (see U.S. Patent 4,766,770 ); also a microwave radar as a transducer 6 can be operated clocked.
- the current regulator 9 must provide smoothing; a pulse-like characteristic of the current I 3 , that is, the measured value and supply current representing the measured value, namely, is not desirable.
- the extent of the necessary smoothing also determines the voltage drop across the current regulator 9 necessary for the operation, that is to say the voltage difference between the voltage U 3 and the voltage U 4 .
- the present in the circuit arrangement according to the invention is particularly clear when considering two extreme cases, on the one hand the extreme case that the value changes abruptly from 100% to 0%, on the other hand, the extreme case that the measured value changes suddenly from 0% to 100% , Equal to these extreme cases are the so-called failure information, which is characterized by a current I 3 , which is either less than 3.6 mA or greater than 21 mA.
- failure information which is characterized by a current I 3 , which is either less than 3.6 mA or greater than 21 mA.
- NAMUR recommendation NE 43 standardization of the signal level for the failure information of digital transducers with analog output signal
- version: 18.01 1994, first edition: 18.01.1994 distributed by the NAMUR office, c / o Bayer AG, building K 9, 51368 Leverkusen.
- FIG Fig. 5 first shows the characteristics a and d, in addition to the operating points 1, 2 and 3 are drawn.
- the current I 4 would immediately greater than the current I 3 , and it would take 16 charge from the capacitor. This in turn would lead to a reduction of the voltage U 4 and thus to a shift of the operating point 2 in the undesired direction, namely to a smaller voltage U 4 .
- the desired operating point 3 is reached when the current I 5 is reduced.
- the current I 4 is immediately smaller than the current I 3 .
- the capacitor 16 at the input of the switching regulator 8 is charged and the voltage U 4 increases.
- the in Fig. 2 illustrated second current controller 17 is required, which can set the corresponding current I 3 , in this case 20 mA. With the additional power controller 17 so the operating point 3 is possible.
- the second current controller 17 is therefore not absolutely necessary, but only if the voltage U 4 can not be reduced at the same rate of change as the measured value can change.
- the control automatically transitions from the current regulator 9 to the second current regulator 17. This can be done via the microcontroller 18 or by a corresponding hardware.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Meßwerterfassung, -übertragung und -auswertung, mit einem Meßwerterfassungsteil, mit einem Meßwertauswertungsteil und mit einer nur aus einer Hinleitung und aus einer Rückleitung bestehenden Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil, wobei das Meßwerterfassungsteil einen Meßwertaufnehmer, eine Meßwandlerschaltung, einen der Meßwandlerschaltung vorgeschalteten Schaltregler und einen dem Schaltregler vorgeschalteten Stromsteller aufweist, wobei das Meßwertauswertungsteil eine Spannungsquelle und eine Auswerteschaltung aufweist und wobei der Schaltregler eine konstante Betriebsspannung für die Meßwandlerschaltung liefert und der Stromsteller, gesteuert von der Meßwandlerschaltung, einen den Meßwert repräsentierenden, über die Hinleitung und die Rückleitung fließenden Meßwertund Versorgungsstrom einstellt, die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung steuerbar ist und durch eine kurzzeitige Verringerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung so gesteuert wird, daß der Spannungsabfall über dem Stromsteller so klein wie möglich ist und wobei parallel zum Eingang des Schaltreglers ein Kondensator geschaltet ist.
- Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art sind vielfach bekannt (vgl, z. B. die deutsche Patentschrift
39 34 007 , die europäische Offenlegungsschrift0 744 724 , die deutsche Offenlegungsschrift197 23 645 und insbesondere dieUS 5,416,723 A ), Für diese Schaltungsanordnungen ist wesentlich, daß die Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil nur aus zwei Leitungen besteht und daß über diese beiden Leitungen ein Strom fließt, der sowohl den Meßwert repräsentiert als auch der leistungsmäßigen Versorgung des Meßwerterfassungsteils dient; der über die beiden Leitungen fließende Strom ist folglich einleitend mit Meßwert- und Versorgungsstrom bezeichnet worden. - Häufig sind Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art so konzipiert und ausgelegt, daß es sich bei der in dem Meßwertauswertungsteil befindenden Spannungsquelle um eine Gleichspannungsquelle handelt, der Meßwert- und Versorgungsstrom also ein Gleichstrom ist. Diese Schaltungsanordnungen sind auch häufig so konzipiert und ausgelegt, daß der Meßwert- und Versorgungsstrom zwischen einem unteren Grenzwert, nämlich 4 mA, und einem oberen Grenzwert, nämlich 20 mA, den Meßwert repräsentiert; der untere Grenzwert von 4 mA repräsentiert also den kleinsten Meßwert, der obere Grenzwert von 20 mA den größten Meßwert (vgl. die deutsche Patentschrift
39 34 007 , Seite 2, Zeilen 19 bis 24). - Nachfolgend wird immer davon ausgegangen, daß es sich bei der in Rede stehenden Schaltungsanordnung um eine solche handelt, bei der die in dem Meßwertauswertungsteil vorgesehene Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, der Meßwert- und Versorgungsstrom also ein Gleichstrom ist. Das ist auch der Grund dafür, daß bereits einleitend die Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil als aus einer Hinleitung und aus einer Rückleitung bestehend beschrieben worden ist. Nachfolgend wird im übrigen immer von der technischen Stromrichtung ausgegangen; in einem an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Stromkreis fließt also der Gleichstrom vom Pluspol der Gleichspannungsquelle über den Stromkreis zum Minuspol der Gleichspannungsquelle.
- Der Teil der in Rede stehenden Schaltungsanordnung, der zuvor und nachfolgend mit Meßwerterfassungsteil bezeichnet ist, wird auch als Sendestation (vgl. die deutsche Patentschrift
39 34 007 ) oder als Geberstelle (vgl. die europäische Offenlegungsschrift0 744 724 und die deutsche Offenlegungsschrift197 23 645 ) bezeichnet, während der hier als Meßwertauswertungsteil bezeichnete Teil der in Rede stehenden Schaltungsanordnung auch als Empfangsstation (vgl. die deutsche Patentschrift39 34 007 ) oder als Empfangsstelle (vgl. die europäische Offenlegungsschrift0 744 724 und die deutsche Offenlegungsschrift197 23 645 ) bezeichnet wird. Die nach der hier verwendeten Terminologie aus einer Hinleitung und aus einer Rückleitung bestehende Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil wird auch als Zweidrahtleitung bezeichnet (vgl. die deutsche Patentschrift39 34 007 , die europäische Offenlegungsschrift0 744 724 und die deutsche Offenlegungsschrift197 23 645 ). - Da bei den hier in Rede stehenden Schaltungsanordnungen der - den Meßwert repräsentierende - Meßwertstrom - wie dargestellt, in der Regel zwischen 4 mA und 20 mA liegend - auch der Versorgungsstrom für den Meßwerterfassungsteil ist, ist die dem Meßwerterfassungsteil zur Verfügung stehende elektrische Leistung durch den unteren Grenzwert des Meßwert- und Versorgungsstroms, in der Regel also durch 4 mA, begrenzt, - was häufig problematisch ist (vgl. die deutsche Patentschrift
39 34 007 , Seite 2. Zeilen 25 bis 42). - Bei der in Rede stehenden Schaltungsanordnung ist die Meßwandlerschaltung - mit dem dazu gehörenden Meßwertaufnehmer - der eigentlich funktionswichtigste Teil. Bei der in Rede stehenden Schaltungsanordnung kann es zu einem Betriebszustand kommen, bei dem der Messwert- und Versorgungsstrom nicht dem Messwert proportional eingestellt werden kann. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die die zuvor beschriebene Problematik nicht aufweist.
- Erfindungsgemäß ist die zuvor aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein, von der Meßwandlerschaltung gesteuerter, nur bei Bedarf aktivierter zweiter Stromsteller vorgesehen ist und der zweite Stromsteller mit seinem Eingang mit dem Eingang des ersten Stromstellers und mit seinem Ausgang mit der Rückleitung verbunden ist. Daß und warum mit dieser Maßnahme die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst ist, wird im folgenden anhand einer Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen
- Fig. 1
- ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung,
- Fig. 2
- ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
- Fig. 3 bis 6
- graphische Darstellungen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
- Die in den
Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen sind bestimmt und geeignet zur Meßwerterfassung, -übertragung und -auswertung und bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Meßwerterfassungsteil 1, aus einem Meßwertauswertungsteil 2 und aus einer - nur aus einer Hinleitung 3 und aus einer Rückleitung 4 bestehenden - Verbindung 5 zwischen dem Meßwerterfassungsteil 1 und dem Meßwertauswertungsteil 2. - Wie die
Fig 1 und 2 zeigen, gehören zu dem Meßwerterfassungsteil 1 ein nur angedeuteter Meßwertaufnehmer 6, eine Meßwandlerschaltung 7, ein der Meßwandlerschaltung 7 vorgeschalteter Schaltregler 8 und ein dem Schaltregler 8 vorgeschalteter Stromsteller 9. Zu dem Meßwertauswertungsteil 2 gehören eine Spannungsquelle 10 und eine Auswerteschaltung 11. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind noch zwei Widerstände 12, 13 vorgesehen. Die Auswerteschaltung 11 liegt parallel zum Widerstand 13; der Auswerteschaltung 11 wird also der am Widerstand 13 entstehende, dem Meßwert- und Versorgungsstrom proportionale Spannungsabfall zugeführt. - Der Schaltregler 8 liefert eine - zumindest im wesentlichen - konstante Betriebsspannung für die Meßwandlerschaltung 7. (Dazu, was ein Schaltregler ist und wie ein Schaltregler arbeitet, wird verwiesen auf die deutsche Patentschrift
39 34 007 , Seite 3, Zeile 64, bis Seite 4, Zeile 45, sowie auf die Literaturstellen Tietze . Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 10. Auflage, Springer-Verlag, Abschnitte 18.5 "Schaltnetzgeräte", 18.6 "Sekundär getaktete Schaltregler" und 18.7 "Primär getaktete Schaltregler", Seiten 565 bis 586, und "Lexikon Elektronik und Mikroelektronik", VDI-Verlag, Seite 733). Nachfolgend wird immer von einem idealen Schaltregler ausgegangen, d. h. von einem Schaltregler, der keine Verlustleistung hat und dessen Ausgangsspannung konstant ist. - Der Stromsteller 9 wird von der Meßwandlerschaltung 7 gesteuert. Durch den Stromsteller 9 wird ein den Meßwert repräsentierender, über die Hinleitung 3 und die Rückleitung 4 fließender Meßwert- und Versorgungsstrom eingestellt. (Das hier mit Stromsteller bezeichnete Schaltungsteil wird auch als steuerbare Stromquelle bezeichnet, so jedenfalls in der europäischen Offenlegungsschrift
0 744 724 und in der deutschen Offenlegungsschrift127 23 645 . Statt des Ausdrucks Stromsteller wird auch der Ausdruck Stromregler verwendet.) - Bei den dargestellten und beschriebenen Schaltungsanordnungen sind die Spannungsquelle 10, der Widerstand 12, die Hinleitung 3, der Stromsteller 9, die Primärseite des Schaltreglers 8, die Rückleitung 4 und der Widerstand 13 in Reihe geschaltet; sie bilden einen ersten Stromkreis. Die Sekundärseite des Schaltreglers 8 und die Meßwandlerschaltung 7 bilden einen zweiten Stromkreis.
- In den
Fig. 1 und 2 ist noch ein den Widerstand der Hinleitung 3 verkörpernder Widerstand 14 und ein den Widerstand der Rückleitung 4 verkörpernder Widerstand 15 dargestellt. - Nachfolgend werden bezeichnet
- mit U1 die Spannung der Spannungsquelle 10,
- mit U2 die Spannung am "Eingang" der aus der Hinleitung 3 und der Rückleitung 4 bestehenden Verbindung 5 zwischen dem Meßwertauswertungsteil 2 und dem Meßwerterfassungsteil 1,
- mit U3 die Spannung am Eingang des Meßwerterfassungsteils 1,
- mit U4 die Spannung am Eingang des Schaltreglers 8,
- mit U5 die Spannung am Ausgang des Schaltreglers 8, die gleich der Spannung am Eingang der Meßwandlerschaltung 7 ist,
- mit I1 der durch das Meßwertauswertungsteil 2 fließende Strom,
- mit I2 der über die Hinleitung 3 und über die Rückleitung 4 fließende Strom,
- mit I3 der durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließende Strom,
- mit I4 der primärseitig durch den Schaltregler 8 fließende Strom und
- mit I5 der sekundärseitig durch den Schaltregler 8 und durch die Meßwandlerschaltung 7 fließende Strom.
- Mit dieser Festlegung gilt dann folgendes:
- Die Leistung P1, die die Spannungsquelle 10 im Meßwertauswertungsteil 2 zur Verfügung stellt, ist gegeben durch folgende Gleichung:
- Setzt man R12 für den Wert des Widerstandes 12 und R13 für den Wert des Widerstandes 13, so gilt dann für die Verlustleistung PV,1 innerhalb des Meßwertauswertungsteils 2:
- Setzt man R14 für den Wert des Widerstandes 14 der Hinleitung 3 und R15 für den Wert des Widerstandes 15 der Rückleitung 4, so gilt für die Verlustleistung PV,2 auf der Verbindung 5 zwischen dem Meßwertauswertungsteil 2 und dem Meßwerterfassungsteil 1:
- Die Leistung P3, die für das Meßwerterfassungsteil 1 zur Verfügung steht, ist durch die Spannung U1 der Spannungsquelle 10, die Widerstände R12, R13, R14 und R15 sowie durch den aktuellen Meßwert- und Versorgungsstrom vorgegeben; für die Leistung P3 gilt:
- Für die Spannung U3 am Meßwerterfassungsteil 1 gilt:
- Wie die
Fig. 1 und 2 zeigen, gilt weiter für die Ströme I3, I2 und I1: - Damit gilt für die Spannung U3 am Meßwerterfassungsteil 1:
- Für die Leistung P3, die für das Meßwerterfassungsteil 1 zur Verfügung steht, gilt:
- Die für das Meßwerterfassunasteil 1 zur Verfügung stehende Leistung P3 ist damit vom Meßwert, nämlich vom Meßwert- und Versorgungsstrom I3, abhängig. Bei einem kleinen Meßwert, wenn der Meßwert- und Versorgungsstrom I3 z. B. 4 mA beträgt, steht folglich weniger Leistung zur Verfügung als bei einem großen Meßwert, wenn der Meßwert- und Versorgungsstrom I3 z. B. 20 mA beträgt. Es ist nun dafür gesorgt, daß von der dem Meßwerterfassungsteil 1 zur Verfügung stehenden Leistung P3 ein möglichst großer Anteil der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht, - was sich aus folgendem ergibt:
- Für den Stromsteller 9 gilt:
und - Für die Verlustleistung PV,3 im Stromsteller 9 gilt:
- Da vorausgesetzt ist, daß der Schaltregler 8 keine Verlustleistung hat, gilt am Schaltregler 8 für die eingangsseitige Leistung P4 und für die ausgangsseitige Leistung P5, die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht:
- Betrachtet man die Leistung P5, die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht, so gilt:
- Die Gleichung 13 zeigt, daß sich die Leistung P5, die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht, durch eine möglichst große Spannung U4 optimieren läßt. Da die Spannung U4 nicht größer als die Spannung U3 werden kann, muß die Differenz zwischen der Spannung U3 und der Spannung U4 so klein wie möglich sein. "So klein wie möglich" - statt "Null" - berücksichtigt, daß der Stromsteller 9 funktionsnotwendig, um, gesteuert von der Meßwandlerschaltung 7, einen den Meßwert repräsentierenden Meßwert- und Versorgungsstrom I3 einstellen zu können, eine minimale Differenz zwischen der Spannung U3 und der Spannung U4 benötigt.
- Da voraussetzungsgemäß der Schaltregler 8 keine Verlustleistung hat, die primärseitige Leistung P4 also gleich der sekundärseitigen Leistung P5 ist, da der primärseitige Strom I4 des Schaltreglers 8 im stationären Zustand vorgegeben ist, nämlich gleich dem durch die Meßwandlerschaltung 7 vorgegebenen Meßwert- und Versorgungsstrom I3 ist, und da die sekundärseitige Spannung U5 des Schaltreglers 8 konstant ist, führt eine kurzzeitige Verringerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7, also eine kurzzeitige Verringerung des durch die Meßwandlerschaltung 7 und sekundärseitig durch den Schaltregler 8 fließenden Stromes I5, zu einer Erhöhung der Spannung U4 auf der Primärseite des Schaltreglers 8, da der Strom I3, nun größer als der Strom I4, nicht mehr vom Schaltregler 8 aufgenommen werden kann. Über die Differenz der Ströme I3 und I4 - nämlich I3 - 14 > 0 - wird eine fiktive Kapazität aufgeladen und die Spannung U4 steigt. Sobald die Spannung U4 die gewünschte Größe - "so groß wie möglich" - erreicht hat, muß der Stromverbrauch der Meßwandlerschaltung 7 wieder so erhöht werden, daß der Strom I3 gleich dem Strom I4 ist, Da jetzt die Spannung U4 aber größer ist als vorher, ist jetzt auch die Leistung P4 = U4 - I4 größer als vorher. Da die Spannung U5 am Ausgang des Schaltreglers 8 konstant ist, wird auch der Strom I5 größer als vorher, folglich auch die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung stehende Leistung P5 = U5 · I5, Damit ist gezeigt, daß die Maßnahme, die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7 so zu steuern, daß der Spannungsabfall über dem Stromsteller 9, also die Differenz zwischen der Spannung U3 und der Spannung U4, so klein wie möglich ist, zu einer Optimierung der der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung stehenden Leistung P5 führt.
- In den in den
Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist angedeutet, daß der Schaltregler 8 eingangsseitig einen Kondensator 16 aufweist. Ein solcher Schaltregler 8 ist beispielsweise der Schaltregler LT 1176-5 der Firma Linea Technology. Der Kondensator 16 vereinfacht die Steuerung der Spannung U4, da hierdurch die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung U4 bei einer Einstellung von I3 ungleich I4 stark reduziert werden kann. - Ist, wie das für die in den
Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele gilt, der Schaltregler 8 eingangsseitig mit einem Kondensator 16 versehen, kann es zu einem Betriebszustand kommen, bei dem der Meßwert- und Versorgungsstrom I3 nicht dem Meßwert proportional eingestellt werden kann: - Ausgehend von einem kleinen Meßwert und damit einem kleinen Meßwert- und Versorgungsstrom I3 von z. B. 4 mA, stellt sich ein relativ großer Wert für die Spannung U4 ein, da die Spannung U3 auch relativ groß ist, - weil die Spannungsabfälle an den Widerständen 12, 13, 14 und 15 relativ gering sind. Ergibt sich nun sprunghaft ein relativ großer Meßwert und soll folglich ein relativ großer Meßwert- und Versorgungsstrom I3 eingestellt werden, z. B. 20 mA, so ist das dann nicht möglich, wenn die durch den Kondensator 16 gepufferte Spannung U4 größer ist als die Spannung U3, die sich wegen der relativ großen Spannungsabfälle an den Widerständen 12, 13, 14 und 15 einstellen müßte. Da der Stromsteller 9 nur arbeiten kann, wenn die Spannung U3 größer ist als die Spannung U4, kann der dem großen Meßwert entsprechende Meßwert- und Versorgungsstrom I3 von 20 mA nicht eingestellt werden.
- Zur Lösung des zuvor aufgezeigten Problems ist bei dem in
Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein zweiter, von der Meßwandlerschaltung 7 gesteuerter, nur bei Bedarf aktivierter Stromsteller 17 vorgesehen, der mit seinem Eingang mit dem Eingang des ersten Stromstellers 9 und mit seinem Ausgang mit der Rückleitung 4 verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel setzt sich der Meßwert- und Versorgungsstrom I3, der dem Meßwert proportional sein soll, zusammen aus dem Strom I4 über den ersten Stromsteller 9 und dem Strom I6 über den zweiten Stromsteller 17. Folglich läßt sich auch bei dem zuvor beschriebenen Betriebszustand der geforderte Meßwert- und Versorgungsstrom I3 einstellen. - Bei dem zuvor beschriebenen, in
Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung trägt der Strom I6 über den zweiten Stromsteller 17 nicht zur Leistung P5 für die Meßwandlerschaltung 7 bei; der Strom I6 über den zweiten Stromsteller 17 ist also im Prinzip unerwünscht. Folglich wird im Ausführungsbeispiel nachFig. 2 der hier zusätzlich vorgesehene zweite Stromsteller 17 nur "bei Bedarf" aktiviert, nämlich nur dann und nur solange, wie das zuvor aufgezeigte Problem existent ist. - Im übrigen kann, was in den
Fig. 1 und 2 nicht dargestellt ist, die Meßwandlerschaltung 7 zur Steuerung ihrer Stromaufnahme oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers 17 parametrierbar sein, z. B. über die Spannung U1 der Spannungsquelle 10 oder/und über die Widerstände 12 und 13 in dem Meßwertauswertungsteil 2 oder/und über die Widerstände 14, 15 der Hinleitung 3 oder/und der Rückleitung 4 oder/und über die Kapazität des dem Eingang des Schaltreglers 8 parallel geschalteten Kondensators 16. Auch besteht die Möglichkeit, den Spannungsabfall über dem ersten Stromsteller 9, z. B. über einen nicht dargestellten A/D-Wandler, zur Steuerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7 oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers 17 in die Meßwandlerschaltung 7 einzuführen. - Nunmehr soll die Erfindung nochmals anhand der graphischen Darstellungen in den
Fig. 3 bis 6 erläutert werden: - Zunächst soll die Spannung U3 am Eingang des Meßwerterfassungsteils 1, also die Spannung U3 am Eingang des Stromreglers 9, betrachtet werden. Diese hängt von der Spannung U1 der Spannungsquelle 10, der Summe der Widerstände 12, 13, 14 und 15 sowie dem durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließenden Strom I3 ab. In der Praxis können sich hier sehr unterschiedliche Charakteristiken durch unterschiedliche Meßwertauswertungsteile 2 und unterschiedliche Verbindungen 5 zwischen dem Meßwerterfassungsteil 1 und dem Meßwertauswertungsteil 2 ergeben. Diese sind bei der Auslieferung des Meßwerterfassungsteils 1 nicht bekannt; das Meßwerterfassungsteil 1 muß sich daher auf die vorgefundenen Verhältnisse automatisch adaptieren.
- In der
Fig. 3 sind Kennlinien dargestellt, die die Spannung U3 am Eingang des Stromreglers 9 in Abhängigkeit von dem durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließenden Strom I3 zeigen. Dabei liegen zugrunde
der Kennlinie a eine Spannung U1 von 24 V und ein Widerstand der Verbindung 5 von 300 Ω,
der Kennlinie b eine Spannung U1 von 24 V und ein Widerstand der Verbindung 5 von 50 Ω und
der Kennlinie c eine Spannung U1 von 17 V und ein Widerstand der Verbindung 5 von 50 Ω. - Die Kennlinie a - für eine Spannung U1 von 24 V und einen Widerstand der Verbindung von 300 Ω - ist besonders verbreitet, da diese Kennlinie den Anforderungen der Eigensicherheit bei Explosionsschutz entspricht.
- Idealerweise liegt die Spannung U4 am Ausgang des Stromreglers 9 um ein Volt unter der Spannung U3 am Eingang des Stromreglers 9. Die entsprechende Kennlinie d ist in
Fig. 4 - zusammen mit der Kennlinie a ausFig. 3 - dargestellt. - Der Stromregler 9 ist auch notwendig, weil der durch die Meßwandlerschaltung 7 fließende Strom I5 nicht so genau gesteuert werden kann, wie dies für den den Meßwert darstellenden Strom I3 erforderlich ist.
- Wie bereits ausgeführt, wird der Stromsteller 9 von der Meßwandlerschaltung 7 so gesteuert, daß er einen den Meßwert repräsentierenden, über die Verbindung 5 fließenden Meßwert- und Versorgungsstrom einstellt, den Strom I3. Dazu weist die Meßwandlerschaltung 7 einen im einzelnen nicht dargestellten Mikrokontroller 18 auf, der auch von dem durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließenden Strom I3 versorgt wird.
- Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist verwendbar für eine Vielzahl von ganz unterschiedlichen Meßwertaufnehmern 6. Der Meßwertaufnehmer 6 kann z. B. zur Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits-, Füllstands- oder Durchflußerfassung ausgelegt sein. Insbesondere kann der Meßwertaufnehmer 6 getaktet betrieben werden, wodurch die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7 insgesamt beeinflußt werden kann. Ein solcher taktweiser Betrieb ist z. B. bei einem magnetisch-induktiven Durchflußmesser bekannt (vgl. die
USA-Patentschrift 4,766,770 ); auch ein Mikrowellenradar als Meßwertaufnehmer 6 kann getaktet betrieben werden. - Weist der durch die Meßwandlerschaltung 7 fließende Strom I5 eine pulsartige Charakteristik auf, so muß der Stromsteller 9 für eine Glättung sorgen; eine pulsartige Charakteristik des Stromes I3, also des den Meßwert repräsentierenden Meßwert- und Versorgungsstroms, ist nämlich nicht erwünscht. Das Ausmaß der notwendigen Glättung bestimmt auch den für den Betrieb notwendigen Spannungsabfall über dem Stromsteller 9, also die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung U3 und der Spannung U4.
- Die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorliegende Problematik wird besonders deutlich, wenn man zwei Extremfälle betrachtet, einerseits den Extremfall, daß sich der Meßwert schlagartig von 100 % auf 0 % ändert, andererseits den Extremfall, daß sich der Meßwert schlagartig von 0 % auf 100 % ändert. Diesen Extremfällen gleichgestellt sind die sogenannten Ausfallinformationen, die durch einen Strom I3 charakterisiert sind, der entweder kleiner als 3,6 mA oder größer als 21 mA ist. Dazu wird verwiesen auf die NAMUR-Empfehlung NE 43 "Vereinheitlichung des Signalpegels für die Ausfallinformation von Digitalen Meßumformern mit analogem Ausgangssignal", Version: 18.01 1994, Erstausgabe: 18.01.1994, vertrieben durch die NAMUR-Geschäftsstelle, c/o Bayer AG, Gebäude K 9, 51368 Leverkusen.
- Für den ersten Extremfall, bei dem sich der Meßwert schlagartig von 100 % auf 0 % ändert, wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung in
Fig. 5 , die zunächst die Kennlinien a und d zeigt, in der darüber hinaus Arbeitspunkte 1, 2 und 3 eingezeichnet sind. - Ausgegangen wird vom Arbeitspunkt 1. Durch den Stromsteller 9 kann sich der Strom I3 schlagartig ändern. Wegen des Kondensators 16 kann sich jedoch die Spannung U4 nicht schlagartig ändern. Es ergibt sich also eine Verschiebung vom Arbeitspunkt 1 zum Arbeitspunkt 2.
-
-
-
- Man erreicht jetzt vom Arbeitspunkt 2 aus den Arbeitspunkt 3, jedoch nicht durch eine Erhöhung des Stromes I5. Der Strom I4 würde sofort größer als der Strom I3, und es würde aus dem Kondensator 16 Ladung entnommen. Dies wiederum würde zu einer Reduzierung der Spannung U4 und damit zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes 2 in die nicht erwünschte Richtung gehen, nämlich zu einer kleineren Spannung U4. Der erwünschte Arbeitspunkt 3 wird erreicht, wenn der Strom I5 reduziert wird. Der Strom I4 wird sofort kleiner als der Strom I3. Der Kondensator 16 am Eingang des Schaltreglers 8 wird aufgeladen und die Spannung U4 erhöht sich.
- Für den zweiten Extremfall, bei dem sich der Meßwert schlagartig von 0 % auf 100 % ändert, wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung in
Fig. 6 , die, wie dieFig. 5 , die Kennlinien a und d zeigt, in der darüber hinaus Arbeitspunkte 1, 2 und 3 eingezeichnet sind. - Wie in dem ersten Extremfall ist auch in dem zweiten Extremfall eine schlagartige Änderung der Spannung U4, also eine schlagartige Änderung der Spannung am Eingang des Schaltreglers 8 nicht möglich. Der Stromsteller 9 ist nun nicht in der Lage, den dem Meßwert 100 % zukommenden Strom I3 einzustellen, da selbst dann, wenn die Spannung U4 gleich der Spannung U3 würde, am Stromsteller 9 also kein Spannungsabfall entstehen würde, das Meßwertauswertungsteil 2 über die Verbindung 5 den entsprechenden Strom nicht liefern kann; der Arbeitspunkt 2 ist also kein möglicher Arbeitspunkt.
- Um nun den zweiten Extremfall beherrschen zu können, ist der in
Fig. 2 dargestellte zweite Stromsteller 17 erforderlich, der den entsprechenden Strom I3, vorliegend also 20 mA, einstellen kann. Mit dem zusätzlichen Stromsteller 17 ist also der Arbeitspunkt 3 möglich. Der zweite Stromsteller 17 ist also nicht unbedingt notwendig, sondern nur dann, wenn die Spannung U4 nicht mit derselben Änderungsgeschwindigkeit reduziert werden kann, wie sich der Meßwert ändern kann. - Für die in dem Mikrokontroller 18 bzw. mit dem Mikrokontroller 18 realisierte Regelung gilt nun folgendes:
- Vorrangige Regelung:
wobei sich M als Faktor für den Meßwert von 0 bis 1 ändert. - Wenn die Spannung U4 gleich der Spannung U3 wird, geht die Regelung automatisch vom Stromsteller 9 auf den zweiten Stromsteller 17 über. Dies kann über den Mikrokontroller 18 oder durch eine entsprechende Hardware erfolgen.
-
- Ist die Spannung Ureserve zu groß, wird der Strom I5 reduziert, ist die Spannung Ureserve zu klein, wird der Strom I5 erhöht.
- Es sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Verbindung mit einer als Gleichspannungsquelle ausgeführten Spannungsquelle 10 im Meßwertauswertungsteil 2 beschrieben worden ist, der Meßwert- und Versorgungsstrom I3 also als Gleichstrom vorliegt. Die Lehre der Erfindung läßt sich jedoch ohne weiteres auch auf Ausführungsformen anwenden, bei denen als Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle verwendet wird und folglich der Meßwert- und Versorgungsstrom I3 als Wechselstrom vorliegt.
- Schließlich wird noch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das, was zuvor in Verbindung mit den
Fig. 3 bis 6 erläutert worden ist, auch zur Erfindung gehört bzw. auch erfindungswesentlich ist. Soweit die Patentansprüche dies nicht vollständig oder nicht enthalten, bleibt vorbehalten, die Patentansprüche entsprechend zu ergänzen.
Claims (8)
- Schaltungsanordnung zur Meßwerterfassung, -übertragung und -auswertung, mit einem Meßwerterfassungsteil (1), mit einem Meßwertauswertungsteil (2) und mit einer nur aus einer Hinleitung (3) und aus einer Rückleitung (4) bestehenden Verbindung (5) zwischen dem Meßwerterfassungsteil (1) und dem Meßwertauswertungsteil (2), wobei das Meßwerterfassungsteil (1) einen Meßwertaufnehmer (6), eine Meßwandlerschaltung (7), einen der Meßwandlerschaltung (7) vorgeschalteten Schaltregler (8) und einen dem Schaltregler (8) vorgeschalteten Stromsteller (9) aufweist, wobei das Meßwertauswertungsteil (2) eine Spannungsquelle (10) und eine Auswerteschaltung (11) aufweist, wobei der Schaltregler (8) eine konstante Betriebsspannung für die Meßwandlerschaltung (7) liefert und der erste Stromsteller (9), gesteuert von der Meßwandlerschaltung (7), einen den Meßwert repräsentierenden, über die Hinleitung (3) und die Rückleitung (4) fließenden Meßwert- und Versorgungsstrom einstellt, die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung (7) steuerbar ist und durch eine kurzzeitige Verringerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung (7) so gesteuert wird, daß der Spannungsabfall über dem Stromsteller (9) so klein wie möglich ist und wobei parallel zum Eingang des Schaltreglers (8) ein Kondensator (16) geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein, von der Meßwandlerschaltung (7) gesteuerter, nur bei Bedarf aktivierter zweiter Stromsteller (17) vorgesehen ist und der zweite Stromsteller (17) mit seinem Eingang mit dem Eingang des ersten Stromstellers (9) und mit seinem Ausgang mit der Rückleitung (4) verbunden ist. - Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwandlerschaltung (7) zur Steuerung ihrer Stromaufnahme oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers (17) parametrierbar ist, z. B, über die Spannung der Spannungsquelle (10) oder/und Widerstände (12, 13) in dem Meßwertauswertungsteil (2), oder/und über die Widerstände (14, 15) der Hinleitung (3) oder/und der Rückleitung (4) oder/und die Kapazität des dem Eingang des Schaltreglers (8) parallel geschalteten Kondensators (16).
- Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall über dem ersten Stromsteller (9), z. B. über einen A/D-Wandler, zur Steuerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers in die Meßwandlerschaltung eingeführt ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwandlerschaltung (7) einen den Stromsteller (9) und ggf. den zweiten Stromsteller (17) steuernden Mikrokontroller (18) aufweist.
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Meßwert "schlagartig" geringer wird, z. B. von 100 % auf 0 % zurückgeht, kurzzeitig der durch die Meßwandlerschaltung (7) fließende Strom (I5) verringert wird.
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Meßwert "schlagartig" größer wird, z. B. von 0 % auf 100 % ansteigt, der zweite Stromsteller (17) aktiviert wird,
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Spannung (U4) am Ausgang des ersten Stromstellers (9) die Spannung (U3) am Eingang des ersten Stromstellers (9) erreicht, die von der Meßwandlerschaltung (7) bzw. dem Mikrokontroller (18) in der Meßwandlerschaltung (7) kommende Stromsteuerung vom Stromsteller (9) auf den zweiten Stromsteller (17) übergeht.
- Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des in der Meßwandlerschaltung (7) vorgesehenen Mikrokontrollers (18) vorrangig der Strom (I3), der durch das Meßwerterfassungsteil (1) fließt, und nachrangig die Spannung (U4) am Ausgang des Stromstellers (9) gesteuert wird.
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