EP1103038B1 - Circuit for recording, transmitting and evaluating measured values - 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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- measured value
- current
- circuit
- voltage
- current regulator
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-
- G—PHYSICS
- 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.The invention relates to a circuit arrangement for measured value acquisition, transmission and evaluation, comprising a Meßwerterfassungsteil, with a Meßwertauswertungsteil and with an existing only one outgoing line and a return line connection between the Meßwerterfassungsteil and Meßwertauswertungsteil, wherein the Meßwerterfassungsteil a transducer, a Meßwandlerschaltung, a switching regulator upstream of the switching regulator and a switching regulator upstream power controller, wherein the Meßwertauswertungsteil has a voltage source and an evaluation circuit and wherein the switching regulator provides a constant operating voltage for the Meßwandlerschaltung and the current controller, controlled by the Meßwandlerschaltung, 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, a capacitor is connected.
Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art sind vielfach bekannt (vgl, z. B. die deutsche Patentschrift
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
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.In the following, it is always assumed that 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.
Der Teil der in Rede stehenden Schaltungsanordnung, der zuvor und nachfolgend mit Meßwerterfassungsteil bezeichnet ist, wird auch als Sendestation (vgl. die deutsche Patentschrift
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
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.In the circuit arrangement in question, the Meßwandlerschaltung - with the associated transducer - actually the most functionally important part. In the case of the circuit arrangement in question, 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.
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.
- Fig. 1
- a first embodiment of a circuit arrangement,
- Fig. 2
- A second embodiment of a circuit arrangement according to the invention,
- Fig. 3 to 6
- graphical representations for further explanation of the invention.
Die in den
Wie die
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
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
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 the illustrated and described circuit arrangements, the
In den
Nachfolgend werden bezeichnet
- mit U1 die Spannung der
Spannungsquelle 10, - mit U2 die Spannung am "Eingang" der aus der
Hinleitung 3 und derRückleitung 4 bestehenden Verbindung 5 zwischen demMeßwertauswertungsteil 2 und demMeßwerterfassungsteil 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 dieRückleitung 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.
- with U 1, the voltage of the
voltage source 10, - with U 2 the voltage at the "input" of the connection 5 consisting of the
forward line 3 and thereturn line 4 between the measuredvalue evaluation part 2 and the measuredvalue detection part 1, - with U 3 the voltage at the input of the measured
value acquisition part 1, - with U 4 the voltage at the input of the switching regulator 8,
- with U 5, the voltage at the output of the switching regulator 8, which is equal to the voltage at the input of the
transducer circuit 7, - with I 1 the current flowing through the measured
value evaluation part 2, - with I 2 the current flowing via the
forward line 3 and via thereturn line 4, - with I 3 the current flowing through the measured
value detecting part 1, - with I 4 of the primary side by the switching regulator 8 flowing current and
- with I 5 of the secondary side through the switching regulator 8 and through the
transducer circuit 7 current flowing.
Mit dieser Festlegung gilt dann folgendes:
- Die Leistung P1, die
die Spannungsquelle 10im 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 15der Rückleitung 4, so gilt für die Verlustleistung PV,2 auf der Verbindung 5zwischen dem Meßwertauswertungsteil 2 und dem Meßwerterfassungsteil 1: - Die Leistung P3, die für
das Meßwerterfassungsteil 1 zur Verfügung steht, ist durch die Spannung U1 derSpannungsquelle 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:
- The power P 1 , which provides the
voltage source 10 in theMeßwertauswertungsteil 2, is given by the following equation: - If one sets R 12 for the value of the resistor 12 and R 13 for the value of the
resistor 13, the following applies for the power loss P V , 1 within the measured value evaluation part 2: - Substituting R 14 for the value of the
resistor 14 of theforward line 3 and R 15 for the value of theresistor 15 of thereturn line 4, then applies to the power loss P V , 2 on the connection 5 between theMeßwertauswertungsteil 2 and the Meßwerterfassungsteil 1: - The power P 3 , which is available for the
Meßwerterfassungsteil 1 is determined by the voltage U 1 of thevoltage source 10, the resistors R 12 , R 13 , R 14 and R 15 and by the current Meßwert- and supply current; for the power P 3 applies: - For the voltage U 3 on the measured
value acquisition part 1, the following applies: - As the
Fig. 1 and 2 show further applies to the currents I 3 , I 2 and I 1 : - Thus applies to the voltage U 3 at the measured value detecting part 1:
- For the power P 3 , which is available for the measured
value acquisition part 1, the following applies:
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:
- For the
current controller 9 applies:
and - For the power loss P V , 3 in the
current controller 9 applies: - Since it is assumed that the switching regulator 8 has no power loss, applies to the switching regulator 8 for the input-side power P 4 and for the output-side power P 5 , the
transducer circuit 7 is available: - Considering the power P 5 available to the
transducer circuit 7, the following applies:
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.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
In den in den
Ist, wie das für die in den
- 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
12, 13, 14den Widerständen 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 diedurch den Kondensator 16 gepufferte Spannung U4 größer ist als die Spannung U3, die sich wegen der relativ großen Spannungsabfälle anden Widerständen 12, 13, 14und 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.
- Starting from a small reading and thus a small Meßwert- and supply current I 3 of z. B. 4 mA, sets a relatively large value for the voltage U 4 , since the voltage U 3 is also relatively large, - because the voltage drops across the
12, 13, 14 and 15 are relatively low. Now results in a sudden relatively large measured value and should therefore be set a relatively large Meßwert- and supply current I 3 , z. B. 20 mA, then that is not possible if the voltage buffered by the capacitor 16 U 4 is greater than the voltage U 3 , which would have to adjust because of the relatively large voltage drops across theresistors 12, 13, 14 and 15. Since theresistors current controller 9 can only work when the voltage U 3 is greater than the voltage U 4 , the large value corresponding Meßwert- and supply current I 3 of 20 mA can not be adjusted.
Zur Lösung des zuvor aufgezeigten Problems ist bei dem in
Bei dem zuvor beschriebenen, in
Im übrigen kann, was in den
Nunmehr soll die Erfindung nochmals anhand der graphischen Darstellungen in den
- Zunächst soll die Spannung U3 am
Eingang des Meßwerterfassungsteils 1, also die Spannung U3 amEingang des Stromreglers 9, betrachtet werden. Diese hängt von der Spannung U1 derSpannungsquelle 10, der 12, 13, 14Summe der Widerstände und 15 sowie demdurch das Meßwerterfassungsteil 1 fließenden Strom I3 ab. In der Praxis können sich hier sehr unterschiedliche Charakteristiken durch unterschiedliche Meßwertauswertungsteile 2 und unterschiedliche Verbindungen 5zwischen dem Meßwerterfassungsteil 1und 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.
- First, the voltage U 3 at the input of the
Meßwerterfassungsteils 1, so the voltage U 3 at the input of thecurrent controller 9, are considered. This depends on the voltage U 1 of thevoltage source 10, the sum of the 12, 13, 14 and 15 and the current flowing through theresistors Meßwerterfassungsteil 1 current I 3 . In practice, very different characteristics can result here through different measuredvalue evaluation parts 2 and different connections 5 between the measuredvalue acquisition part 1 and the measuredvalue evaluation part 2. These are not known when the measuredvalue acquisition part 1 is delivered; the measuredvalue detecting part 1 must therefore adapt automatically to the conditions found.
In der
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.In the
the characteristic a is a voltage U 1 of 24 V and a resistance of the connection 5 of 300 Ω,
the characteristic b is a voltage U 1 of 24 V and a resistance of the compound 5 of 50 Ω and
the characteristic c has a voltage U 1 of 17 V and a resistance of the connection 5 of 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.The characteristic a - for a voltage U 1 of 24 V and a resistance of the connection of 300 Ω - is particularly widespread, since this characteristic complies with the requirements of intrinsic safety in explosion protection.
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
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.The
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.As already stated, the
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
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.If the current I 5 flowing through the
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.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. Reference is made to the 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
Für den ersten Extremfall, bei dem sich der Meßwert schlagartig von 100 % auf 0 % ändert, wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung in
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.Starting from the
Geht man von einem idealen Schaltregler 8 aus, also einem solchen, der keine Verlustleistung hat, dann ergibt sich für die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung stehende Leistung (siehe die Gleichung 12):
Erwünscht ist jedoch der Arbeitspunkt 3. Dort würde die folgende Leistung zur Verfügung stehen:
Nimmt man für die Spannung U5, also die Spannung am Ausgang des Schaltreglers 8, die gleich der Spannung am Eingang der Meßwandlerschaltung 7 ist, einen konstanten Wert von z. B. 5 V an, so ergibt sich bei den beiden zuvor errechneten Leistungen für den Strom I5 folgendes:
bzw.
respectively.
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.It now reaches from the
Für den zweiten Extremfall, bei dem sich der Meßwert schlagartig von 0 % auf 100 % ändert, wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung in
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.As in the first extreme case, even in the second extreme case, a sudden change in the voltage U 4 , that is, a sudden change in the voltage at the input of the switching regulator 8 is not possible. The
Um nun den zweiten Extremfall beherrschen zu können, ist der in
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 0bis 1 ändert.
- Priority regulation:
where M changes as a factor for the measured value from 0 to 1.
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.When the voltage U 4 becomes equal to the voltage U 3 , the control automatically transitions from the
Nachrangige Regelung:
Ist die Spannung Ureserve zu groß, wird der Strom I5 reduziert, ist die Spannung Ureserve zu klein, wird der Strom I5 erhöht.If the voltage U reserve too large, the current I 5 is reduced, the voltage Ureserve is too small, the current I 5 is increased.
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.It should be noted that the circuit arrangement according to the invention has been described in connection with a
Schließlich wird noch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das, was zuvor in Verbindung mit den
Claims (8)
- A circuit arrangement for measured value detection, transfer and analysis, with a measured value detection section (1), a measured value analyzing section (2) and a connection (5) consisting only of an outgoing conductor (3) and a return conductor (4) between the measured value detection section (1) and the measured value analyzing section (2), wherein the measured value detection section (1) has a measured value recorder (6), a measuring transformer circuit (7), a switch controller (8) connected upstream from the measuring transformer circuit (7) and a current regulator (9) connected upstream from the switch controller (8), wherein the measured value analyzing section (2) has a voltage source (10) and an analyzing circuit (11), and the switch controller (8) delivers a constant operating voltage for the measuring transformer circuit (7), and the first current regulator (9) - controlled by the measuring transformer circuit (7) - sets a measured value and power supply current flowing through the outgoing conductor (3) and the return conductor (4) and representing the measured value, wherein the current consumption of the measuring transformer circuit (7) is controllable and is controlled in such a way that the voltage drop via the current regulator (9) is as to small as possible and wherein a capacitor (16) is connected parallel to the input of the switch controller (8)
characterized in
a second current regulator (17) controlled by the measuring transformer circuit (7) and activated only when necessary is provided, and the second current regulator (17) is connected with its input to the input of the first current regulator (9) and with its output to return conductor (4). - The circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring transformer circuit (7) is programmable to control its current consumption and/or to control the second current regulator (17), e.g. via the voltage of the voltage source (10) and/or resistances (12, 13) in the measured value analyzing section (2) and/or via the resistances (14, 15) of the outgoing conductor (3) and/or of the return conductor (4) and/or the capacitance of the capacitor (16) connected parallel to the input of the switch controller (8).
- The circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the voltage drop is introduced into the measuring transformer circuit via the first current regulator (9), e.g. via an AD converter, to control current consumption of the measuring transformer circuit and/or to control the second current regulator.
- The circuit arrangement according to one of claims 1 through 3, characterized in that the measuring transformer circuit (7) has a micro-controller (18) controlling the current regulator (9) and, where applicable, the second current regulator (17).
- The circuit arrangement according to one of claims 1 through 4, characterized in that when the measured value drops "suddenly", e.g. decreases from 100% to 0%, the current (I5) flowing through the measuring transformer circuit (7) is reduced in the short term.
- The circuit arrangement according to one of claims I through 5, characterized in that when the measured value increases "suddenly", e.g. rises from 0% to 100%, the second current regulator (17) 'becomes connected'.
- The circuit arrangement according to one of claims 1 through 6. characterized in that when the voltage (U4) at the output of the first current regulator (9) attains the voltage (U3) at the input of the first current regulator (9), the current control coming from the measuring transformer circuit (7) or from the micro-controller (18) in the measuring transformer circuit (7) is transferred from the current regulator (9) to the second current regulator (17).
- The circuit arrangement according to one of claims 4 through 7, characterized in that by means of the micro-controller (18) provided in the measuring transformer circuit (7), the current (I3) flowing through the measured value detection section (1) is controlled with priority and the voltage (U4) at the output of the current regulator (9) is controlled with secondary importance.
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