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Dokumentenidentifikation DE102006024311A1 29.11.2007
Titel Schaltung zur Übermittlung eines analogen Signalwertes
Anmelder Berthold Technologies GmbH & Co. KG, 75323 Bad Wildbad, DE
Erfinder Freiburger, Ewald, 75245 Neulingen, DE;
Briggmann, Jürgen, 70195 Stuttgart, DE
Vertreter Mayer, Frank und Schön, 75173 Pforzheim
DE-Anmeldedatum 24.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006024311
Offenlegungstag 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse G08C 19/04(2006.01)A, F, I, 20060524, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Schaltung zur Übermittlung eines analogen Signalwertes mittels eines elektrischen Messstromes weist eine Reihenschaltung eines Fühlerwiderstandes (31), über den der dem Signalwert entsprechende Messstrom (Is) fließt, mit mindestens zwei parallel geschalteten Stellgliedern (12, 13) und mit mindestens zwei Messwiderständen (14, 15) auf, zwischen denen eine dem Messstrom proportionale Spannung so zurückgekoppelt wird, dass damit über eine erste Überwachungseinrichtung (11) eine Überwachung der Messwiderstände ermöglicht wird.
Damit ermöglicht die Erfindung gegenüber Lösungen, die auf Redundanzprinzipien beruhen, eine universellere Lösung zur Überwachung und Fehlersignalisierung anzugeben, die mit nur einem Stromweg auskommt. Die Schaltung kann so ausgestaltet werden, dass das Messsignal explosionsgeschützt in der Zündschutzart "eigensicher" nach EN 50020 ist, dass wahlweise zusätzlich auch die Überlagerung eines digitalen Kommunikationssignals (z. B. HART) ermöglicht wird, dass die Schaltung wahlweise aktiv als Stromquelle (d. h. mit eigener Spannungsquelle) oder passiv als Stromsenke (mit externer Spannungsquelle) betrieben werden kann und dass durch geeignete Dimensionierung der in der äußeren Schleife liegenden Messwiderstände und der Einführung einer Potenzialtrennung die Messwiderstände gleichzeitig als Strombegrenzungswiderstände zur Erzielung einer für die Zulassung als eigensicheres Betriebsmittel geltenden Stromausgangskennlinie dienen (EN 50020). Durch ...

Beschreibung[de]
Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Übermittlung eines analogen Signalwertes mittels eines elektrischen Stroms.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Schaltung, bei der es sich bei dem Signalwert um das Signal eines Messsensors handelt, das an eine nachfolgende Auswerteschaltung übergeben wird, in der das Signal weiterverarbeitet wird und/oder zur visuellen Anzeige gelangt.

Auf dem Übertragungsweg vom Messsensor zur Auswerteschaltung können Fehlerquellen liegen, die eine Verfälschung des Signals und somit eine entsprechend fehlerhafte Auswertung zur Folge haben. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie z. B. der Messung des Füllstandes oder des Druckes innerhalb eines Behälters mit leicht entzündlichen Produkten, nicht tolerabel.

Es sind daher Schaltungen bekannt, die im wesentlichen auf der Redundanz des Signalweges beruhen, d. h. beispielsweise, es werden mehrere Messsensoren eingesetzt, deren Übertragungsweg zur Auswerteschaltung parallel verläuft; in der Auswerteschaltung oder vor der Auswerteschaltung ist eine Vergleichsschaltung angeordnet, die die auf den parallel geschalteten Stromwegen eintreffenden Signalwerte auf Identität überprüft. Bei Identität wird das Signal zur Auswertung freigegeben, bei Nicht-Identität wird die Auswertung gesperrt und/oder ein Fehlersignalerzeugt.

Damit kann sichergestellt werden, dass der an die Auswerteschaltung weitergegebenen Stromwert den tatsächlichen Signalwert repräsentiert, der Stromweg zur Auswerteschaltung wird somit auf diese Weise überwacht.

Der wesentliche Nachteil des Redundanz-Schaltungsprinzips beruht im erhöhten Aufwand für den Übermittlungsweg, einschließlich Vervielfachung der Messsensoren. Bei notwendig ortsabhängiger Anordnung mehrerer Messsensoren und lokalen Schwankungen des zu messenden Mediums, bedarf es einer sorgfältigen Einstellung der Vergleichsschaltung, d. h., es müssen Fenster gesetzt werden, innerhalb deren die beiden zu vergleichenden Signalwerte noch als gleich und somit die Übermittlungsschaltung als einwandfrei funktionierend qualifiziert werden können.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine universellere Lösung zur Überwachung und Fehlersignalisierung anzugeben, die mit nur einem Stromweg auskommt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Schaltung derart weiterzubilden, dass das Messsignal explosionsgeschützt in der Zündschutzart „eigensicher" nach EN 50020 ist, dass wahlweise zusätzlich auch die Überlagerung eines digitalen Kommunikationssignals (z.B. HART) ermöglicht wird und dass die Schaltung wahlweise aktiv als Stromquelle (d.h. mit eigener Spannungsquelle) oder passiv als Stromsenke (mit externer Spannungsquelle) betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der seriellen Anordnung von mindestens zwei Stellgliedern und zwei Messwiderständen zum Fühlerwiderstand (über den der den Signalwert repräsentierende Strom der Auswertung zur Verfügung gestellt wird), wobei die mindestens zwei Stellglieder parallel geschaltet sind und ihrerseits aus jeweils einer intern gebildeten Regelschleife bestehen, die der äußeren Regelschleife des genannten Stromweges untergeordnet ist (1).

Diese Schaltung ist insbesondere dahingehend ausbaufähig, dass gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung durch geeignete Dimensionierung der in der äußeren Schleife liegenden Messwiderstände und der Einführung einer Potenzialtrennung die Messwiderstände gleichzeitig als Strombegrenzungswiderstände zur Erzielung einer für die Zulassung als eigensicheres Betriebsmittel geltenden Stromausgangskennlinie dienen (EN 50020).

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht die Auslegung der Versorgungsspannungen, der Schutzeinrichtungen und der in der äußeren Schleife vorhandenen Widerstände derart, dass gleichzeitig die Bedingungen an den Explosionsschutz, die funktionale Sicherheit (bis SIL 2), die HART-Kommunikation, sowie an eine standardisierte Stromschnittstelle nach NAMUR-Empfehlung NE43 mit oberem (>21 mA) und unterem (<3,6 mA) Fehlerstrom und aktiver (Stromquelle) und passiver (Stromsenke) Betriebsart erfüllt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, durch die Aufteilung des Messwiderstandes in mind. 2 in Reihe geschaltete Teil-Messwiderstände und Auswertung der an den Teilwiderständen abfallenden Spannungen, die Teil-Messwiderstände selbst zu überwachen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Mehrer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: Ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung,

2: ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltung nach 1,

3: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zur Erfüllung des Explosionsschutzes,

4: das explosionstechnische Ersatzschaltbild zur Schaltung aus 3,

5: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zur Erfüllung der Bedingungen der HART-Kommunikation,

6: ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung mit einer Umschaltmöglichkeit zwichen aktiver Stromquelle und passiver Stromsenke,

7: ein viertes Ausführungsbeispiel, das die Eigenschaften der ersten drei Ausführungsbeispiele in sich vereint, und

8: ein Flussdiagramm zur Darstellung der Funktion der Schaltung nach 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaus. Der Schaltungsaufbau dient der Übermittlung eines durch einen Messwertaufnehmer 10 ermittelten Messsignals über eine Übertragungsstrecke 20 an den Auswerteeingang einer nachfolgenden Auswerteschaltung 30. Der Wert des Messsignals wird durch den durch einen Fühlerwiderstand 31 fließenden Strom Is repräsentiert.

In Serie mit dem Fühlerwiderstand 31 liegt eine Parallelschaltung eines ersten Stellgliedes 12 mit einem zweiten Stellglied 13, sowie ein erster Messwiderstand 14 und ein zweiter Messwiderstand 15.

Zwischen den beiden Messwiderständen 14 und 15 wird ein vorgebbarer Anteil des Messsignals zu einer ersten Überwachungseinheit 11 zurückgemeldet und dort mit dem Messsignal verglichen. Bei einer Abweichung des zurückgelesenen Wertes von dem gewünschten Sollwert reagiert dann die erste Überwachungseinheit 11 derart, dass immer ein sicherer Zustand (korrekter Messwert oder Fehlerstrom) eingenommen wird.

Um eine korrekte Funktion der ersten Überwachungseinheit 11 zu gewährleisten, wird diese selbst durch eine zweite Überwachungseinrichtung 17 überwacht (2). Dies kann z. B. im Falle einer Mikrokontrollerschaltung eine externe, kontrollerunabhängige Watchdog-Schaltung sein, die von einer geeigneten Programmlaufüberwachung (z. B. in Software realisiert) angesteuert wird, und die in der Lage ist, einen von der ersten Überwachungseinrichtung 11 unabhängigen Fehlerstrom (I > 22 mA) in der Stromschleife zu generieren. Dies wird durch das Ansteuern eines Schaltungsteils durch die zweite Überwachungseinheit 17 sichergestellt, der dann über das zweite Stellglied 13 von zwei Stellgliedern 12,13 einen definierten Fehlerstrom in der Stromschleife erzeugt. Der entsprechende Schaltungsteil ist in 2 durch einen Transistor T3 und Widerstände R1 und R2 zur Signalanpassung angedeutet. Die Dimensionierung der Schaltung sollte so erfolgen, dass der generierte Fehlerstrom größer 22 mA ist. Damit ist gewährleistet, dass unabhängig von der eventuell defekten ersten Überwachungseinrichtung 11 immer ein definiertes Fehlersignal möglich ist.

3 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung zur Erfüllung des Explosionsschutzes nach EN 50020. Eine Potenzialtrennung trennt zuverlässig nicht eigensichere von eigensicheren Stromkreisen und verhindert zuverlässig das Fließen unzulässig hoher Potenzialausgleichsströme. Die nach EN 50020 geforderte Spannungs-, Strom- und/oder Leistungsbegrenzung im eigensicheren Stromkreis wird durch mindestens 2 (ib) bzw. 3 (ia) Zenerdioden Dz (Spannungsbegrenzung) sowie durch eine Schmelzsicherung Si und Widerstände 14 und 15 (Strombegrenzung) sichergestellt. Widerstände Rb stellen sicher, dass durch Defekte in den Stellgliedern 12 und 13 oder in der Überwachungseinrichtung 11 keine unzulässig hohen Zusatzströme in die Stromschleife eingeprägt werden.

4 zeigt das zur Schaltung in 3 äquivalente explosionsschutztechnische Ersatzschaltbild (Strombegrenzung durch die Sicherung Si und die Messwiderstände 14, 15 und Strombegrenzungswiderstände Rb; Spannungsbegrenzung durch die Zenerdioden Dz).

5 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung bei der dem analogen Stromsignal ein digitales Kommunikationssignal (z.B. HART) überlagert wird. Ein durch eine Überlagerungsschaltung 18 (HART-Modem und analoge Filter) erzeugtes AC-Signal wird über einen Kondensator C1 kapazitiv dem DC-Sollwert des ersten Stellgliedes 12 überlagert und erlaubt damit eine Übertragung von Informationen vom Messwertaufnehmer 10 zur Auswerteeinheit 30. Zur Übertragung von Informationen von der Auswerteeinrichtung 30 zum Messwertaufnehmer 10 werden die dem DC-Signal überlagerten AC-Signale über einen Kondensator C3 kapazitiv ausgekoppelt und über die Überlagerungsschaltung 18 der ersten Überwachungseinrichtung 11 zur Verfügung gestellt. Ein Umschalter S1 sowie ein Kondensator C2 erlauben auch bei aktivem zweiten Stellglied 13 eine bidirektionale Kommunikation.

6 zeigt eine Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltung bei der der Messwertaufnehmer das Messsignal aktiv (Stromquelle) oder wahlweise passiv (Stromsenke) generiert. Neben einer Potenzialtrennung der stromgenerierenden Schaltung von der restlichen Schaltung des Messwertaufnehmers 10 ist dazu ein Umschalter S2 erforderlich, der bei der Verwendung einer externen Spannungsquelle 32 (Betriebsart als Stromsenke), die interne Spannungsquelle von der Stromschleife trennt. Teile der stromeinprägenden Schaltung können dabei weiterhin von der internen Spannungsquelle 19 versorgt werden.

7 zeigt schließlich eine Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der alle Eigenschaften der vorausgehenden Ausführungsbeispiele vereint werden, und bei der die wichtigsten Komponenten dimensioniert sind.

In 8 wird schematisch ein möglicher Ablauf dargestellt, mit dem sichergestellt werden kann, dass der Stromwert laufend überwacht und im Fehlerfall immer ein Fehlerstromsignal (I > 21 mA oder I < 3,6 mA) erzeugt wird. Läßt sich über den ersten Strompfad (Strompfad über das erste Stellglied 12) weder ein Hi-Alarm Stromwert (I > 21 mA) noch ein Lo-Alarm Stromwert (I < 3,6 mA) setzen, so muss davon ausgegangen werden, dass ein interner Fehler in der Schaltung des ersten Strompfades vorliegt (bei einem äußeren Fehler, z.B. unzulässig hoher Wert des Fühlerwiderstandes, sollte sich zumindest ein Lo-Alarm Stromwert setzen lassen). Da der zweite Strompfad unabhängig vom ersten Strompfad ist, sollte sich also mit diesem ein Fehlerstrom generieren lassen. Unterscheidet sich der (hardwaremäßig festgelegte) Wert des Fehlerstromes von dem des 1. Kanals (z.B. 22 mA oder <3,6 mA für den ersten Strompfad und 24 mA für den zweiten Strompfad), so kann die nachgeschaltete Auswerteelektronik erkennen, über welchen Strompfad der Fehlerstrom generiert wurde.

10
Messwertaufnehmer
11
Überwachungseinheit (typ. Mikrokontroller)
12
erstes Stellglied
13
zweites Stellglied
14
erster Messwiderstand
15
zweiter Messwiderstand
16, 16a, 16b
interne (potenzialfreie) Spannungsquelle
17
zweite Überwachungseinrichtung
18
Überlagerungsschaltung
19, 19a, 19b
interne Spannungsquelle
20
Übertragungsstrecke
30
Auswerteschaltung
31
Fühlerwiderstand
32
externe Spannungsquelle (eigensicher nach EN 50020)
Is
Messstrom, der dem zu übertragenden Signal proportional ist
Si
Sicherung zur Strombegrenzung der eigensicheren Stromkreise
Dz
Zenerdioden (mind. 2 bei ib, 3 bei ia) zur Spannungsbegrenzung der eigensicheren Stromkreise
Rb
Strombegrenzungswiderstände
R1, R2
Widerstände zur Signalanpassung
T1
Steuertransistor des ersten Stellgliedes
T2
Steuertransistor des zweiten Stellgliedes
T3
Schalttransistor für Aktivierung des zweiten Stromweges
Op1
Regelverstärker des ersten Stellgliedes
Op2
Regelverstärker des zweiten Stellgliedes
C1, C2, C3
Kondensatoren zur Ein- und Auskopplung des digitalen Kommunikationssignals (HART)
S1
Umschalter für die digitale Kommunikation (HART)
S2
Umschalter zwischen aktiver (Stromquelle) und passiver (Stromsenke) Betriebsart des Stromausgangs


Anspruch[de]
Schaltung zur Übermittlung eines analogen Signalwertes mittels eines elektrischen Messstromes, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung eines Fühlerwiderstandes (31), über den der dem Signalwert entsprechende Messstrom Is fließt, mit mindestens zwei parallel geschalteten Stellgliedern (12, 13), und mit mindestens zwei Messwiderständen (14, 15), zwischen denen eine dem Messstrom proportionale Spannung so zurückgekoppelt wird, dass damit über eine erste Überwachungseinrichtung (11) eine Überwachung der Messwiderstände ermöglicht wird. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder (12, 13) eine Stromquelle mit einem Transistor (T1, T2), einem integrierten Schaltkreis (Op1, Op2) und einer internen Regelschleife bilden. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Überwachungseinrichtung (17) zur Schleifenüberwachung vorgesehen ist, die bei Ausfall der ersten Überwachungseinrichtung (11) eines der Stellglieder (12, 13) zur Abgabe eines definierten Fehlerstroms vorzugsweise >22 mA aktiviert. Schaltung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall des ersten Stellgliedes (12) auch die erste Überwachungseinrichtung (11) direkt das zweite Stellglied (13) aktivieren kann. Schaltung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fehlerstromwerte des über das erste Stellglied (12) generierten ersten Strompfades von denen des zweiten Strompfades unterscheiden, und damit einer Auswerteelektronik (30) signalisiert werden kann, über welches Stellglied der Fehlerstrom generiert wurde. Schaltung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (14, 15) der Stellglieder (12, 13) so in mindestens 2 Teilwiderstände aufgeteilt ist, dass die erste Überwachungseinrichtung (11) die Messwiderstände selbst überwachen kann. Schaltung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromsignal Is aktiv (Stromquelle) oder passiv (Stromsenke) erzeugt werden kann. Schaltung nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall einer einzelnen Komponente der Messwertaufnehmer (10) immer noch in der Lage ist, der Auswerteelektronik (30) durch Einprägen eines Fehlerstroms (I < 3,5 mA oder I > 22 mA) einen Fehler zu signalisieren. Schaltung nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass dem analogen DC-Signal des Messstroms Is ein analoges oder digitales Kommunikationssignal (z.B. HART) überlagert wird. Schaltung nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der generierte Messstrom Is eigensicher nach EN 50020 ist.






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