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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ausgabe mindestens eines elektrischen Ausgangssignals (Iout), sowie ein Messgerät damit.
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Messgeräte mit einem sog. 4 bis 20 mA-Signal verfügen über einen Signalausgang, an welchem ein Stromsignal zur Übertragung der Messdaten verwendet wird. Dafür wird für das Ausgangssignal der Bereich der Stromstärke zwischen 4 und 20 mA verwendet. Das Stromsignal kann dabei von einer Stromsenke oder von einer Stromquelle in die Stromschleife eingeprägt werden. Weiterhin gibt es die Möglichkeit eines einpoligen oder eines zweipoligen Signalausgangs. Bei der einpoligen Variante wird der Strom über einen Ausgang auf einen externen Lastwiderstand eingeprägt, und die Rückleitung des Stromes erfolgt außerhalb des Gerätes. Bei der zweipoligen Vanante erfolgt die Rückleitung über einen zweiten Pol in das Gerät.
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Es gelten folgende Anforderungen für eine solche Stromquelle:
- 1. Die Stromquelle soll einen von der externen Last unabhängigen Strom in die Last einprägen.
- 2. Der Ausgangsstrom soll von einem Controller oder Mikroprozessor aus steuerbar sein.
- 3. Der Stromausgang soll hohe Anforderungen an Linearität, Temperaturdrift und Stabilität erfüllen und zudem kostengünstig und in hohen Stückzahlen herstellbar sein.
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Bekannt sind gesteuerte und geregelte Stromquellen.
Für eine gesteuerte Stromquelle sind extrem eng tolerierte und somit teuere Bauteile erforderlich. Alternativ müssen die verwendeten Widerstände getrimmt werden, was sehr aufwändig und nicht fertigungsgerecht ist.
Weiterhin führt ein Driften der Bauteile z.B. durch die Temperatur zu einer unerwünschten Änderung des Ausgangsstromes.
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Bei geregelten Stromquellen wird der Ausgangsstrom an einem Messwiderstand gemessen und mit dem Sollwert verglichen. Die Abweichungen werden dann über ein Stellglied zu Null geregelt. Ein Problem bereitet hierbei insbesondere bei einer einpoligen Stromquelle die Messung des Ausgangssignals am Messwiderstand. Diese Messung macht üblicherweise einen Verstärker erforderlich, über den sich Unsicherheiten und Schwankungen bei der Messung ergeben können.
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In der US 2002 / 0 097 031 A1 ist eine variable Energiesteuerung für Prozesssteuersysteme offenbart. Dabei wird mittels eines Tiefpassfilters eine Referenzspannung erzeugt, welche als Vergleichssignal für einen Verstärker und ein MOSFET dient und damit den Ausgangsstrom des MOSFETs kontrolliert.
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Die
DE 35 39 848 C2 beschreibt einen Serienregler mit einem steuerbaren Widerstand, mittels welchen die Verlustleistung eines Reglers auf Null gebracht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, für eine Vorrichtung und für ein Messgerät einen geregelten einpoligen Stromausgang anzugeben, welcher kostengünstig, genau und driftarm ist.
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Die Aufgabe löst die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Ausgabe mindestens eines elektrischen Ausgangssignals (Iout), wobei die elektrische Sollstromstärke des Ausgangssignal (lout) vorgebbar ist,
mit mindestens einem Messwiderstand, an welchem die Stromstärke des Ausgangssignals (lout) messbar ist,
mit mindestens einem Stellglied, über welches die Stromstärke des Ausgangssignals (lout) einstellbar ist, und
mit mindestens einem Regler, welcher die am Messwiderstand gemessene Stromstärke des Ausgangssignals (lout) mit der Sollstromstärke für das Ausgangssignal (lout) vergleicht, und welcher die Stromstärke des Ausgangssignals (lout) über das Stellglied regelt,
wobei der Regler und der Messwiderstand mit einem elektrischen Basis-Potential (VGND) verbunden sind,
wobei das Basis-Potential (VGND) ein Referenzpotential für den Regler ist, wobei ein Mikroprozessor vorgesehen ist, der dazu dient, die elektrische Sollstromstärke vorzugeben, auf einem anderen Referenzpotential liegt als der Regler,
wobei ein Digital-/Analog-Konverter vorgesehen ist, und wobei der Mikroprozessor auf einem anderen Referenzpotential liegt als der Digital-/Analogkonverter,
wobei der Messwiderstand, der Regler, der Digital-/Analog-Konverter und das Stellglied auf dem gleichen Referenzpotential liegen,
wobei der Mikroprozessor dazu dient, einen digitalen Sollwert (Dsoll) für die Sollstromstärke des Ausgangssignals (lout) vorzugeben,
wobei der Digital-/Analogkonverter dazu dient, den digitalen Sollwert (Dsoll) des Mikroprozessors oder ein davon abhängiges Signal (Dsoll*) in einen analogen Wert (Vsoll) umzuwandeln,
wobei ein Pegelwandler vorgesehen ist, der dazu dient, einen vom Mikroprozessor erzeugten digitalen Sollwert an das Referenzpotential gegenüber dem der Regler und/oder der Digital-/Analogwandler arbeitet, anzupassen. Die Erfindung besteht somit darin, dass das Referenzpotential des Reglers und das Potential, mit welchem der Messwiderstand verbunden ist, identisch sind. Sowohl der Regler als auch der Messwiderstand sind mit dem gleichen Potential verbunden. Der Regler regelt somit das Ausgangssignal bezogen auf das Potential, an welchem der Messwiderstand anliegt. Dieses Potential VGND ändert sich mit der Stromstärke des Ausgangsstromes und dem Widerstandswert der Last. Üblicherweise liegt bei einpoligen Stromquellen der Regler an einem festen Bezugspotential Ground (GND) oder V- und der Messwiderstand zwischen dem oberen Potential V+ und dem Stromausgang. Dabei ergibt sich aus dem unteren V- und dem oberen Potential V+ die Spannung, mit welcher das Messgerät versorgt wird. Durch die Erfindung ist kein Verstärker mehr erforderlich, welcher die unterschiedlichen Potentiale, die üblicherweise gegeben sind, aneinander angleicht.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich das Referenzpotential aus dem Widerstandswert eines Lastwiderstands, dem Widerstandswert des Messwiderstands und der Stromstärke des Ausgangssignals (Iout) ergibt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich das Referenzpotential (VGND) mit dem Lastwiderstand und dem Ausgangsstrom ändert.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass ein von dem Mikroprozessor an den Digital-/Analogkonverter ausgegebene Sollwert (Dsoll) nur durch zwei Pegel definiert ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Pegelwandler dazu dient, die zwei Pegel des Sollwertsignals zu versetzen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass sich das Referenzpotential für den Regler aus dem Potential am Punkt zwischen dem Stellglied und dem Messwiderstand ergibt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Stellglied um ein elektrisches Bauteil mit einem einstellbaren elektrischen Widerstand handelt. Das Stellglied ist meist direkt oder indirekt zwischen dem oberen Potential V+ und dem Stromausgang angeordnet. Der über den einstellbaren Widerstandswert regelbare Spannungsabfall an diesem Stellglied führt zu einer entsprechenden Stromstärke des Ausgangssignals lout.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Signalausgang zum Ausgeben des Ausgangssignals lout vorgesehen ist. Bei einer einkanaligen oder einpoligen Stromquelle handelt es sich um genau einen Signalausgang.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung und ein das Ausgangssignal lout empfangender Lastwiderstand mit einem unteren elektrischen Potential V- verbunden sind. Über dieses untere Potential V- wird quasi die Erdung und die Rückführung des Stromes des Ausgangssignals lout ermöglicht. Der Lastwiderstand ist üblicherweise außerhalb der Vorrichtung, also extern angeordnet.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Messwiderstand und das Stellglied in Reihe geschaltet sind, dass der Messwiderstand mit dem Signalausgang verbunden ist, und dass das Stellglied mit einem oberen elektrischen Potential V+ verbunden ist. Somit findet ein Spannungsabfall am Stellglied und am Messwiderstand statt. Weiterhin lasst sich am Messwiderstand somit die Stromstärke des Ausgangssignals lout bestimmen.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine in Reihe zum Stellglied angeordnete Spannungsreserve vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass sie das Unterschreiten eines minimalen Spannungsabfalls zwischen dem oberen Potential (V+) und dem Signalausgang in dem Fall verhindert, dass der elektrische Widerstandswert des Stellgliedes niederohmig ist. Durch diese Ausgestaltung ist die minimale Versorgungsspannung für den Digital-/Analogkonverter und den Regler sichergestellt. Diese Spannungsreserve lässt sich beispielsweise durch eine Zener-Diode realisieren.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Anschluss des Reglers für das Referenzpotential VGND mit einem Punkt zwischen dem Messwiderstand und dem Stellglied verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein Mikroprozessor vorgesehen, welcher einen digitalen Sollwert (Dsoll) für die Sollstromstärke des Ausgangssignals (lout) vorgibt. Über den Mikroprozessor lässt sich eine einfache und zuverlässige Vorgabe des Ausgangssignals realisieren. Der Mikroprozessor als Controller kann somit, in dem Fall, dass die Vorrichtung zur Signalausgabe Teil eines Messgerätes ist, die gewonnenen Messwerte auf das Ausgangssignal übertragen.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein Digital-/Analogkonverter vorgesehen, welcher den digitalen Sollwert (Dsoll) des Mikroprozessors oder ein davon abhängiges Signal (Dsoll*) in einen analogen Wert (Vsoll) umwandelt. Die Analogbauteile erfordern ein analoges Signal bzw. analoge Vergleichswerte. Daher ist zwischen dem Mikroprozessor und den übrigen, analogen Einheiten des Stromausgangs ein entsprechender Wandler erforderlich.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der mindestens eine Pegelwandler dazu dient, den Pegel des Digital-/Analogkonverters anzupassen. Eine Schwierigkeit besteht, wenn der Mikroprozessor auf einem anderen Referenzpotential als der Regler und der Digital-/Analogkonverter liegt. Damit der Digital-/Analogkonverter richtig arbeiten kann, muss ein Pegelwandler diesen Potentialunterschied ausgleichen.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Messgerät, welches die Vorrichtung zur Ausgabe mindestens eines elektrischen Ausgangssignals (Iout) nach mindestens einem der obigen Ausgestaltung beinhaltet. Dabei handelt es sich um ein Messgerät, welches mindestens eine Prozessgröße eines Mediums bestimmt und/oder überwacht. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um die Temperatur, den Füllstand, den pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit, die Dichte oder die Viskosität eines Mediums in einem Rohr oder in einem beliebigen Behälter, z.B. einem Tank handeln. Das Messgerät weist daher in einer Ausgestaltung einen entsprechenden Stromausgang auf, dessen Ausgangssignal innerhalb eines Bereiches, vorzugsweise zwischen 4 und 20 mA liegt. Das Messgerät lässt sich jedoch in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Stromausgang auch für eine beliebige andere Busanbindung ausgestalten.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines Messgerätes mit einem einpoligen Stromausgang gemäß dem Stand der Technik,
- 2: eine schematische Darstellung eines geregelten einpoligen Stromausgangs gemäß dem Stand der Technik,
- 3: eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Stromausganges, 4: eine Ausgestaltung wie in 3, bei welcher für das Stellglied ein konkretes Beispiel gegeben wird,
- 5: eine Ausgestaltung entsprechend 3 mit einem Beispiel für eine Ausgestaltung der Regelung,
- 6: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 mit einer beispielhaften Ausgestaltung des Analog-/Digitalkonverters, und
- 7: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 mit einer beispielhaften Ausgestaltung des Pegelwandlers.
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In der 1 ist ein Messgerät 1 dargestellt, welches über einen einpoligen Signalausgang 2 verfügt. Anstelle des Messgerätes 1 kann es sich auch um ein beliebiges elektrisches Gerät mit einem solchen Stromausgang handeln. 4 bis 20mA-Stromausgänge sind als Signalausgang für Messgrößen weit verbreitet. Der Strom kann von einer Stromsenke oder einer Stromquelle in die Stromschleife eingeprägt werden. Ein aktiver Stromausgang kann als einpolige Variante oder als zweipolige Variante ausgeführt werden. Bei der einpoligen Variante wird ein Strom lout durch einen einpoligen Signalausgang 2 in einen externen Lastwiderstand 3 eingeprägt und die Rückleitung des Stromes erfolgt außerhalb. Bei der zweipoligen Variante erfolgt die Rückleitung über den zweiten Pol in das Gerät.
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Das Messgerät 1 der 1 ist mit den beiden elektrischen Potentialen V+ und V- verbunden. Durch das Stellglied 4, bei welchem es sich beispielsweise um einen Widerstand mit einem einstellbaren Widerstandswert handelt, wird die Stromstärke des Ausgangssignals lout eingestellt.
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In der Ausgestaltung der 2 wird der Stromausgang gemäß dem Stand der Technik geregelt. Bei der Stromregelung wird der tatsächliche Ausgangsstrom lout gemessen und mit dem gewünschten Sollwert verglichen. Ein Regler 8 stellt dann den Ausgangstrom lout solange nach, bis dieser dem Sollwert entspricht. Der Mikroprozessor 6 erzeugt einen digitalen Sollwert Dsoll, welcher von einem Digital-/Analogkonverter 7 in die analoge Sollspannung Vsoll gewandelt wird. Der durch den Ausgangsstrom lout verursachte Spannungsabfall am Messwiderstand 5 wird gemessen und mit der Sollspannung Vsoll verglichen. Der Regler 8 regelt eine auftretende Abweichung - bestimmt wird am Knotenpunkt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 9 und dem Ausgang des Digital-/Analogkonverters 7 die Differenz aus der Sollspannung Vsoll und der am Messwiderstand 5 durch den Ausgangsstrom Iout abfallende Spannung - mittels des Stellglieds 4 zu Null. Dabei arbeitet das ganze System bestehend aus dem Mikroprozessor 6, dem Digital-/Analogkonverter 7 und dem Regler 8 mit dem gemeinsamen Bezugpotential GND bzw. Masse bzw. V-. Der Nachteil dieser Lösung liegt in der Messung des Ausgangstromes lout. Der Spannungsabfall über dem Messwiderstand 5 ist nicht auf die gemeinsame Bezugpotential GND bezogen und muss deshalb auf dieses Potential umgesetzt werden. Weil sich die Gleichtaktspannung am Messwiderstand 5 mit der Last und dem Ausgangstrom lout ändert, kann es dabei zu einem Gleichtaktfehler kommen, welcher wieder zu einer Abhängigkeit von der Last und dem Ausgangsstrom lout führt. Hinzu kommen Offsetgrößen und Nichtlinearitäten des Verstärkers 9, die zu Fehlern im Ausgangsstrom lout führen. Es muss also für die Strommessung ein sehr hochwertiger und entsprechend teurer Instrumentenverstärker 9 eingesetzt werden, der zudem für hohe Betriebspannungen geeignet ist. Will man die Anforderungen erfüllen, ist diese Lösungen sehr teuer und deshalb ungeeignet.
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In der 3 ist die erfindungsgemäße Lösung mit der „schwimmenden Stromquelle“ dargestellt. Bei der schwimmenden Stromquelle arbeitet die Regelung nicht mit Bezug auf Masse/GND, sondern mit Bezug auf den einwärts gerichteten Anschluss des Messwiderstandes 5. Dieses „virtuelle Masse“ VGND ist kein festes Potential, sondern ergibt sich über den Widerstandswert RL des Lastwiderstands 3, den Widerstandswert RM des Messwiderstands 5 und die Stromstärke des Ausgangssignals lout zu: VGND = (RL + RM) * lout. Das bedeutet, dass sich die „virtuelle Masse“ VGND mit der Last 3 und dem Ausgangsstrom lout ändert. Die gesamte Stromquelle „schwimmt“ auf dem Potential VGND.
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Der Mikroprozessor 6 erzeugt das Sollsignal Dsoll, welches hier von einem Pegelwandler 10 gewandelt wird. Der durch den Pegelwandler 10 erzeugte Sollwert Dsoll* wird dann von dem Digital-/Analogkonverter 7 in die Sollspannung Vsoll gewandelt. Der Regler 8 und der Messwiderstand 5 sind hier direkt verbunden. Beide liegen somit auf dem gleichen Potential VGND. Der Regler 8 regelt wie im Stand der Technik (2) die Differenz zwischen der Sollspannung Vsoll und der Spannung, die am Messwiderstand 5 abfällt über das Stellglied 4 gegen Null. Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind: Weil der Messwiderstand 5 und die restliche Regelung 8,7,4 hier den gleichen Bezug in der „virtuellen Masse“ VGND haben, kann die Spannung am Messwiderstand 5 dem Regler 8 direkt, ohne Verstärker 9, zugeführt werden. Damit bestehen auch nicht mehr die oben genannten Nachteile der geregelten Stromquelle. Statt der Spannung am Messwiderstand 5 muss in der Schaltung der Erfindung lediglich der vom Mikroprozessor 6 erzeugte digitale Sollwert Dsoll pegelversetzt werden, da der Mikroprozessor 6 weiterhin mit Bezug auf GND und nicht mit Bezug auf VGND wie der Digital-/Analogkonverter 7 arbeitet. Diese Pegelumsetzung gestaltet sich jedoch wesentlich einfacher, denn der Mikroprozessor 6 gibt den Sollwert Dsoll als digitalen Wert an den Digital-/Analogkonverter 7 weiter und ein digitaler Wert ist nur durch zwei Zustände, zwei Pegel definiert. Also genügt es, diese Zustände des Signals im Pegel durch den Pegelwandler 10 zu versetzen. Analoge Fehler wie Gleichtaktstörungen, Offsetgrößen und Nichtlinearitäten haben hier keinen Einfluss.
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Bei dem Stellglied 4 in 4 handelt es sich beispielhaft um einen bipolaren Transistor. Alternativ kann ein Feldeffekttransistor als einstellbarer Widerstand verwendet werden. Die restliche Schaltung der 4 ist identisch mit der in 3.
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In der 5 ist ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Reglers 8 gegeben. Für die Übersichtlichkeit sind die Bauteile, welche für den Sollwert Vsoll sorgen, auf den Digital-/Analogkonverter 7 reduziert. Die Regelung wird in diesem Beispiel durch den Operationsverstärker 12 und die beiden Widerstände 11: R1 und R2 vorgenommen, d.h. die Regelung 8 ist hier durch den Operationsverstärker 12 und die beiden Widerstände 11 R1 und R2 gegeben. Über die Widerstände R1 und R2 fließen jeweils die Ströme I1 und I2. Dabei gilt I1 -I2 = 0. Das Ausgangssignal hat die Stromstärke lout = (Vsoll * R2)/(RM * R1). Das Regelverhalten kann durch Einbringen von entsprechenden Zeitkonstanten angepasst werden. Diese Anordnung hat sich als sehr stabil erwiesen.
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In der 6 ist beispielhaft eine Ausgestaltung des Digital-/Analogkonverters 7 der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt. Der Digital-/Analogkonverter oder Digital-/Analog-Wandler (DAC) hat die Aufgabe aus dem pegelgewandelten Digitalwert Dsoll* das analoge Referenzsignal Vsoll für die Regelung zu generieren. Es kann hierfür prinzipiell jede Art von DAC verwendet werden. Eine Möglichkeit für die Digital-Analogwandlung ist ein tiefpassgefiltertes PWM-Signal wie in 6 dargestellt. Der Mikroprozessor 6 erzeugt ein digitales Signal PWM, welches dem Digitalwert Dsoll der vorhergehenden Abbildungen entspricht; durch die Bezeichnung wird jedoch hier die Besonderheit dieses Sollwerts betont. Ein mit der Referenzspannung Vref versorgter Treiberbaustein 13 setzt das pegelgewandelte Signal PWM*, welches dem Wert Dsoll* der vorhergehenden Abbildungen entspricht, in ein Signal PWM** mit definierten Pegeln um. Die Referenzspannung kann z.B. mit einer Stromquelle 14 und einer zweipoligen Spannungsreferenz 15 erzeugt werden. In einem nachfolgenden Tiefpass 17 (gebildet aus einem Widerstand und dem Kondensator) wird der Gleichanteil des Signals herausgefiltert - es handelt sich also um eine Mittelwertbildung - und als Sollwert Vsoll verwendet. Für die Funktion der Referenzspannungsquelle 15, des Treibers 13 und des Reglers 8 ist eine minimale Betriebspannung notwendig. Um diese Spannung zu garantieren, um also zu verhindern dass der Spannungsabfall über dem Stellglied 4 zu klein wird, ist eine Spannungsreserve 16 nötig. Eine solche Spannungsreserve 16 kann z.B. wie hier dargestellt durch eine Zenerdiode realisiert werden.
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In 7 ist ein Beispiel für einen Pegelwandler 10 dargestellt. Der Pegelwandler hat die Aufgabe die digitalen Ausgangssignale des Mikrocontrollers an die Pegel des DAC anzupassen. Dabei kann es sich je nach Ansteuerung des DAC um einen seriellen oder einen parallelen Pegelwandler handeln. Für die Übertragung eines PWM-Signals - siehe die vorhergehende 6 - reicht ein einkanaliger Pegelwandler aus. Eine mögliche Ausführung des einkanaligen Pegelwandlers mit einem als Subtrahierer arbeitenden Operationsverstärker zeigt 7. Für einen parallel angesteuerten Digital-/Analogkonverter müssen mehrere dieser Pegelwandler parallel betrieben werden. Als Pegelwandler kann auch ein Optokoppler oder ein Transformator eingesetzt werden. In dieser 7 ist auch dargestellt, dass das untere Potential V- Ground für das Messgerät bzw. für den Signalausgang ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Signalausgang
- 3
- Lastwiderstand
- 4
- Stellglied
- 5
- Messwiderstand
- 6
- Mikrocontroller
- 7
- Digital-/Analogkonverter
- 8
- Regler
- 9
- Verstärker
- 10
- Pegelwandler
- 11
- Widerstand
- 12
- Operationsverstärker
- 13
- Treiber
- 14
- Stromquelle
- 15
- Spannungsreferenz
- 16
- Spannungsreserve
- 17
- Tiefpass
