DE102006052291A1

DE102006052291A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums

Info

Publication number: DE102006052291A1
Application number: DE102006052291A
Authority: DE
Inventors: Roland Grozinger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-05-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät mit zumindest einem Sensor zum Erfassen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters und/oder mit zumindest einem Aktor, wobei im Feldgerät eine Geräteelektronik zum Erfassen der Messwerte des Sensors und/oder zum Regeln bzw. Einstellen des Aktors vorgesehen ist, wobei die Versorgung des Feldgeräts und dessen Geräteelektronik mit Energie zumindest teilweise oder ausschließlich über einen Schleifenstrom einer Zweidrahtleitung erfolgt, wobei die Geräteelektronik die Betriebszustände und Mess- oder Regelzustände des Feldgeräts zumindest partiell und/oder zeitweise über die Zweidrahtleitung signalisiert und kommuniziert. Die Erfindung sieht vor, dass ein potentialfreier Schaltausgang als ein Schaltelement im Feldgerät zur Signalisierung von Betriebszuständen und/oder Mess- oder Regelzuständen vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Feldgerät mit zumindest einem Sensor zum Erfassen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters und/oder mit zumindest einem Aktor, wobei im Feldgerät eine Geräteelektronik zum Erfassen der Messwerte des Sensors und/oder zum Regeln bzw. Einstellen des Aktors vorgesehen ist, wobei die Versorgung des Feldgeräts und dessen Geräteelektronik mit Energie zumindest teilweise oder ausschließlich über einen Schleifenstrom einer Zweidrahtleitung erfolgt, wobei die Geräteelektronik die Betriebszustände und Mess- oder Regelzustände des Feldgeräts zumindest partiell und/oder zeitweise über die Zweidrahtleitung signalisiert und kommuniziert.
Die Fortschritte der Mikroelektronik in den letzten Jahren haben zu einer Integration der Funktionalitäten geführt, die in der Automatisierungstechnik eine effektive und kostengünstige Anwendung von integrierten dezentralen Systemen bewirkte. So werden in den Sensoren und Aktoren nicht nur die Messwerte ermittelt, sondern schon die Messwerte vorverarbeitet, linearisiert und sogar eine Selbstdiagnosen des Sensors oder Aktors implementiert. Die Vorraussetzung für das Einbringen dieser dezentralen Funktionalitäten in ein geschlossenes Automatisierungskonzept mit „intelligenten" Sensoren und Aktoren ist ein erhöhter Informations- und Datenaustausch dieser dezentralen Einheiten untereinander und mit einem Leitsystem. In der Automatisierungstechnik sind aus diesem Grund in den letzten Jahren eine Fülle von Feldbussystemen entstanden, die entweder firmenspezifische Anwendungsbereiche (z.B. BITBUS, CAN, MODBUS, RACKBUS) abdecken oder solche, die einer internationalen Normung (z.B. HART, PROFIBUS-PA, Foundation FIELDBUS, Ethernet) unterliegen. Die große Zahl von Feldbussystemen, die derzeit in der industriellen Automatisierungstechnik und Prozessleittechnik eingesetzt sind, werden weiterhin nur noch mit dem allgemeingültigen Begriff „Feldbus bzw. Feldbussystem" bezeichnet.
Die üblichen Feldgeräte sind netzgespeiste Vierleiter-Messgeräte und müssen hierfür mindestens zwei elektrische Zuleitungen bzw. Leiter zur Energieversorgung des Feldgerätes haben. Des Weiteren sind zwei weitere Signalleitungen erforderlich, die das Messwert abbildende Messsignal oder sonstige Kommunikationsdatensignale zwischen den dezentralen Einheiten und der Leitstelle übertragen. Allgemein wird dieses Messsignal oder Kommunikationsdatensignal entsprechend einem hierfür üblichen Standard, z.B. entsprechend dem zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard, einem üblichen Frequenz-Standard oder einem digitalen Standard, erzeugt und übermittelt.
Darüber hinaus ist es in der Automatisierungstechnik auch üblich, die Feldgeräte in einer so genannten Zweileiter-Technik aufzubauen und miteinander zu verbinden, so dass die Energiespeisung und die Kommunikation zwischen den Geräten über ein einziges Paar Leitungen erfolgen kann, wodurch der Verdrahtungsaufwand und somit die Verdrahtungskosten von vernetzten dezentralen Automatisierungssystemen verringert werden kann.
Solche Zweileiter-Feldgeräte sind unter anderem den Schriften EP 0 883 097 B1 , EP 0 895 209 B1 , EP 1 158 274 A1 zu entnehmen. Diese Zweileiter-Feldgeräte erzeugen als Messsignal einen Ausgangsstrom, dessen Momentanwerte ein mittels eines physikalisch-elektrischen Messwandlers erzeugtes Messwandlersignal möglichst proportional abbilden. Die beiden Leiter dienen sowohl für die gesteuerte und geregelte Energiespeisung, wozu an die zwei Leiter von außen eine Gleichspannungsquelle anzulegen ist, als auch für die Übertragung des Messsignals.
Historisch bedingt sind solche Zweileiter-Feldgeräte überwiegend so ausgelegt, dass durch einen zwischen 4 mA bis 20 mA Strom gleichzeitig die Energieversorgung und die Kommunikation des Feldgeräts bewerkstelligt werden. Im schlechtesten Fall müssen diese Zweileiter-Feldgeräte mit einer minimalen, verfügbaren Niedrigenergie von 50 mW die Funktionalität der einzelnen Bauteile, wie z.B. Mikrocontroller, Sensorelektronik und Auswerteelektronik, im Feldgerät aufrechterhalten. Dadurch ist es für die Betriebsicherheit und Verfügbarkeit der Feldgeräte notwendig den Energieverbrauch der einzelnen Bauteile in den Feldgeräten auf ein minimales Maß zu beschränken.
Ein weiterer Aspekt, der in der Automationstechnik und besonders in der Prozess-Automationstechnik beachtet werden muss, ist dass die Betriebsmöglichkeit des Feldgerätes in einem explosionsgefährdeten Umfeld in dem die Eigensicherheit des Feldgerätes und des Feldbusses gewahrt wird. Solche eigensicheren, reflexionsarmen Feldbussysteme ist aus der DE 100 49 233 A1 bekannt. Bei diesen eigensicheren Feldgeräten werden der Strom und/oder die Spannung in soweit begrenzt, dass die Mindestzündenergie eines explosiven Gasgemisches nicht erreicht werden kann. Infolgedessen wird der gesamte Energieverbrauch von einem eigensicheren Feldgerät auf eine Niedrigenergieleistung von maximal 1 W beschränkt.
Aufgrund der dezentralen Funktionalitäten der Feldgeräte in ein geschlossenes Automatisierungssystemkonzept und folglich einer größeren Belastung des Feldbusses durch das Auftreten eines erhöhtes Datenvolumen ist es für sicherheitsrelevante Anforderungen, wie beispielsweise eine Alarmsignalisierung, erforderlich geworden, dass die Feldgeräte die Möglichkeit besitzen direkt und schnell eine einfache Signalisierung oder Steuerung durchführen zu können, ohne dass ein Informations- und Datenaustausch der dezentralen Einheiten untereinander und mit einem Leitsystem über den Feldbus erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine unabhängige, energiesparende Signalisierung von Zustandsgrößen und Messgrößen am Feldgerät bereitzustellen.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass ein potentialfreier Schaltausgang als ein Schaltelement im Feldgerät zur Signalisierung von Betriebszuständen und/oder Mess- oder Regelzuständen vorgesehen ist.
Gemäß einer vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass der Schleifenstrom der Zweidrahtleitung zur Kommunikation der Betriebszustände und Mess- oder Regelzustände des Feldgeräts im Bereich von 4–20 mA einstellbar ausgestaltet ist.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts besteht darin, dass ein Energiespeicher im Feldgerät vorgesehen ist, der das Schaltelement zumindest teilweise und/oder zeitweise mit Energie versorgt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts schlägt vor, dass das Schaltelement im Feldgerät mit zumindest zwei stabilen leistungsfreien Schaltzuständen ausgestaltet ist und dass das Schaltelement nur in der Umschaltphase von einem in den anderen stabilen Schaltzustand Energie verbraucht.
Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts wird angeregt, dass das Schaltelement als ein bistabiles Relais ausgestaltet ist, das über zumindest eine Erregerspule den potentialfreien Schaltausgang in den anderen Schaltzustand umschaltet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement als ein Photo-MOS-Relais ausgestaltet ist, das über eine Leuchtdiode zumindest ein Photo-Halbleiterelement als potentialfreier Schaltausgang ansteuert und schaltet.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass eine in dem Photo-MOS-Relais integrierte Leuchtdiode direkt in die Zweidrahtleitung eingefügt ist und dass ein Überbrückungsschaltelement vorgesehen ist, das die Leuchtdiode kurzschließt um das Photo-Halbleiterelement als potentialfreier Schaltausgang in den hochohmigen Zustand zu schalten.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass zumindest ein MOS-Transistor oder zumindest ein komplementärer MOS-Transistor als Photo-Halbleiterelement vorgesehen ist.
Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldgeräts besteht darin, dass zumindest ein Photo-Triac als Photo-Halbleiterelement vorgesehen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass das Feldgerät in der Prozess und Automatisierungstechnik zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes, des Drucks, des Durchflusses, der Temperatur oder einer analytischen Größe vorgesehen ist.
Die Erfindung und ausgewählte Ausführungsbeispiele werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden, die jedoch nur dann wiederholt wurden, wenn es als sinnvoll erachtet wurde. Es zeigt:
1: ein schematisches Schaltbild der ersten erfindungsgemäßen Variante eines potentialfreien Schaltausgangs in einem Feldgerät,
2: ein schematisches Schaltbild der zweiten erfindungsgemäßen Variante eines potentialfreien Schaltausgangs in einem Feldgerät,
3: ein schematisches Schaltbild der dritten erfindungsgemäßen Variante eines potentialfreien Schaltausgangs in einem Feldgerät, und
4: ein schematisches Schaltbild der vierten erfindungsgemäßen Variante eines potentialfreien Schaltausgangs in einem Feldgerät, und
5: ein schematisches Schaltbild der fünften erfindungsgemäßen Variante eines potentialfreien Schaltausgangs in einem Feldgerät.
Die in den 1 bis 5 dargestellten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele eines Feldgerät 1 beinhalten zumindest eine Geräteelektronik 2 zur Steuerung des Feldgeräts 1 und zum Erfassen der Messwerte eines Sensors 18 und/oder zum Regeln bzw. Einstellen eines Aktors 19. Diese Geräteelektronik 2 wird beispielsweise über eine Zweidrahtleitung 3 mit der benötigten Energie versorgt und kommuniziert über diese Zweidrahtleitung mit einer entfernten Leitstelle oder weiteren Feldgeräten 1 beispielsweise nach einem 4–20 mA Stromschleifen Standard oder nach einem Standard der zuvor angeführten Feldbusse bzw. Feldbussysteme der Busschnittstelle. Mittels einer Zweidrahtanschlussklemme 8 lässt sich das Feldgerät 1 über eine Zweidrahtleitung 3 mit einer Leitstelle oder weiteren Feldgeräten 1 verbinden. Bei Zweileiter-Feldgeräten 1 entsprechend dem erwähnten, zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard, entspricht ein bestimmter Stromwert innerhalb dieses Strombereichs genau einem elektrischen Sensorsignal oder einem elektrischen Stellsignal. Deshalb kann im Extremfall lediglich mit einem Strom von ca. 4 mA zur Gewährleistung der Energieversorgung der Geräteelektronik 2 des Feldgeräts 1 mittels einer Zweidrahtleitung 3 eingeplant werden. Dies bedingt, dass für die Energieversorgung im schlechtesten Fall nur eine Leistung in der Größenordnung von 50 mW zur Verfügung steht, die im Folgenden als Niedrigleistung bezeichnet wird. Zweileiter-Feldgeräte 1 mit dem erwähnten, zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Stromschleifen-Standard sind aufgrund dieser Sachverhalte – geringer Strom, geringes Zündverhalten – besonders gut geeignet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen. Gleichwohl dem Feldgerät nur eine Niedrigleistung zur Versorgung zur Verfügung steht, ist es mittels der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele aus den 1 bis 5 möglich einen potentialfreien Schaltausgang 4 an dem Feldgerät 1 durch ein Schaltelement 5 zu verwirklichen, das nur in der Umschaltphase in die entsprechenden Schaltzustände einen minimalen Energieverbrauch bewirkt. Der potentialfreie Schaltausgang 4 ist beispielsweise als Wechselschalter mit drei Anschlüssen ausgebildet, es sind jedoch auch andere Formen von Schaltern, wie beispielsweise Schließer oder Öffner, möglich. Über eine Schaltausgangsanschlussklemme 7 lassen sich Leitungen anschließen, die den Schaltzustand des potentialfreien Schaltausgangs 4 zur Signalisierung von Betriebszuständen und/oder Mess- oder Regelzuständen an weitere entfernte Feldgräte 1, Motoren, Ventile oder Leitwarten übermitteln. Durch diesen potentialfreien Schaltausgang 4 ist es möglich, dass das Feldgerät 1 abhängig von den ermittelten Betriebszuständen und/oder Messzuständen direkt eine Pumpe oder ein Ventil in einer Prozessanlage ansteuert. Beispielsweise ist es möglich, dass bei einem maximalen Grenzstand des Mediums in einem Behälter über den potentialfreien Schaltausgang 4 des Feldgeräts als Füllstands-/Grenzstandsmessgerät ein Pumpe eingeschaltet wird oder ein Ventil geöffnet wird und somit der Stand des Mediums im Behälter verringert wird. Dies hat den Vorteil, dass das Feldgerät 1 nicht zuerst den kritischen Grenzstand über die Zweidrahtleitung 3 oder über einen Feldbus an eine Leitstelle weiterleiten muss und die Leitstelle dann zeitverzögert das Ventil oder die Pumpe veranlasst den Stand des Mediums im Behälter zu verringern, sondern die Regelung und Ansteuerung der Pumpe oder des Ventils direkt vom Feldgerät 1 aus ohne Zeitverzögerung und mit einer sehr hohen Sicherheit erfolgt. Diese erweiterte Funktionalität des Feldgeräts 1, zu welchem Zeitpunkt und in welcher Situation der potentialfreie Schaltausgang 4 schalten soll, ist in der Geräteelektronik 2 abgelegt und kann durch Parameter vom Bediener eingestellt werden. Zusätzlich zu dieser Signalisierung des Betriebszustands oder des Messzustands über das Schaltelement 5 im Feldgerät 1 werden die Betriebszustände und/oder Messzustände, die zur Änderung des Schaltzustands am potentialfreien Schaltausgang 4 des Feldgeräts 1 führten, über den Feldbus oder die Stromschleife an ein Leitsystem übermittelt und signalisiert.
1 und 2 zeigen ein erstes und zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines potentialfreien Schaltausgangs 4 in einem Feldgerät 1 mittels eines Schaltelements 5, das als ein bistabiles Relais 10 mit zumindest einer Erregerspule 15, 16 ausgestaltet ist. Bistabile Relais 10 sind elektromagnetisch betätigte Schalter, die bei jedem elektrischen Stromimpuls an einer Erregerspule 15, 16 eine Schaltzustandsänderung am potentialfreien Schaltausgang 4 bewirken, welche bis zum folgenden Stromimpuls mechanisch gehalten wird. Man unterscheidet ungepolte bistabile Relais 10 bzw. ungepolte Stromstoßschalter, die aufgrund beispielsweise einer ausgeklügelten Mechanik bei jedem Stromimpuls in den jeweilig anderen Zustand wechseln, wie in 1 dargestellt, und gepolte bistabile Relais 10 bzw. gepolte Stromstoßschalter, die mittels polaritätsabhängiger Stromimpulse an der Erregerspule 15, 16 in den entsprechenden Schaltzustand des potentialfreien Schaltausgangs 4 wechseln, wie in 2 dargestellt. Es ist auch möglich dass ein bistabiles Relais 10 mehrere potentialfreie Schaltausgänge 4 ausweist.
In 1 ist ein bistabiles Relais 10 als Schaltelement 5 dargestellt, das nur eine gepolte, erste Erregerspule 15 aufweist, die einen potentialfreien Schaltausgang 4 ansteuert. Diese gepolte, erste Erregerspule 15 schaltet polaritätsabhängig den potentialfreien Schaltausgang 4 in den jeweiligen anderen Schaltzustand, d.h. je nach Polarität der angelegten Spannung an der gepolten, ersten Erregerspule 15 schaltet diese den potentialfreien Schaltausgang 4 in einen vorgegebenen Schaltzustand. Den Wechsel der Polarität der an der gepolten, ersten Erregerspule 15 angelegten Spannung wird im ersten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die die gepolte, erste Erregerspule 15 durch die in einer Brückenschaltung angeordneten Ansteuerelementen 11, 12, 13, 14 von der Geräteelektronik 2 entsprechend angesteuert werden. Um das bistabile Relais 10 des Schaltelements 5 in den ersten Schaltzustand zu bringen, steuert die Geräteelektronik 2 kurzzeitig und gleichzeitig das erste Ansteuerelement 11 und das vierte Ansteuerelement 14 an, so dass ein kurzzeitiger Stromfluss über den ersten Strompfad des ersten und vierten Ansteuerelements 11, 14 und der ersten Erregerspule 15 erfolgt. Um das bistabile Relais 10 des Schaltelements 5 in den anderen, zweiten Schaltzustand zu bringen, steuert die Geräteelektronik 2 entsprechend das zweite Ansteuerelement 12 und das dritte Ansteuerelement 13 kurzzeitig und gleichzeitig an, und bildet somit einen durch die erste Erregerspule 15 konträr verlaufenden zweiten Strompfad aus. Die Ansteuerung der Ansteuerelemente 11, 12, 13, 14 erfolgt hierbei, beispielsweise mittels zumindest einer Ansteuerleitung 17 von der Geräteelektronik zum jeweiligen Ansteuerelement 11, 12, 13, 14. Als Ansteuerelemente 11, 12, 13, 14 können beispielsweise MOS-Feldeffekttransistoren eingesetzt werden. Die Ansteuerelemente 11, 12, 13, 14 werden von der Geräteelektronik 2 so angesteuert, dass kurzzeitig, möglichst wenig Strom durch den geschalteten ersten oder zweiten Strompfad fließt. Des Weiteren werden unerlaubte Stellungen der Ansteuerungselemente 11, 12, 13, 14, die einen Kurzschluss-Strompfad verursachen würden, von der Geräteelektronik 2 nicht angesteuert und sogar überwacht. Zur Pufferung der Energie zum Umschalten des bistabilen Relais 10 in den jeweils andern Schaltzustand ist ein Energiespeicher 6, beispielsweise in Form eines Speicherkondensators oder Akkumulators, vorgesehen. Dieser Energiespeicher 6 wird zu Zeiten, in denen dem Feldgerät 1 überschüssige Energie zur Verfügung steht, aufgeladen. Üblicherweise darf bei eigensicheren Feldgeräten 1 die elektrische Gesamtleistung 1 Watt nicht übersteigen, so dass der Energiespeicher 6 bei einer Verwendung der Feldgeräte 1 in den eigensicheren Bereichen auf eine maximale Energie beschränkt werden kann.
Es ist natürlich auch möglich, was jedoch nicht explizit in den einzelnen Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 gezeigt ist, dass die Geräteelektronik 2 die gepolte, erste Erregerspule 15 über separate Leitungen direkt ansteuert und somit die Ansteuerungselemente 11, 12, 13, 14 entweder in der Geräteelektronik 2 integriert sind oder sogar entfallen. In diesem Fall ist der Energiespeicher 6 direkt mit der Geräteelektronik 2 verbunden und puffert die Gesamtenergie des Feldgeräts 1. Auf dem Display 9 werden die Schaltzustände des potentialfreien Schaltausgangs 4 des Schaltelements 5 durch beispielsweise ein Symbol dargestellt oder in einer Textform ausgegeben. Ferner werden die Schaltzustände des potentialfreien Schaltausgangs 4 des Schaltelements 5 über den Feldbus an ein Leitsystem übermittelt. Hierzu und zur Kontrolle des Schaltelements 5 ist es notwendig, dass die einzelnen Schaltzustände des potentialfreien Schaltausgang 4 und der einzelnen Ansteuerelemente 11, 12, 13, 14 von der Geräteelektronik 2, beispielsweise über separate Messleitungen, erfasst und überwacht werden.
In 2 ist ein bistabiles Relais 10 als Schaltelement 5 dargestellt, das nur eine ungepolte, erste Erregerspule 15 aufweist, die einen potentialfreien Schaltausgang 4 ansteuert. Dieses ungepolte, bistabilen Relais 10 bzw. dieser ungepolten Stromstossschalter schalten bei jedem Stromimpuls an der ungepolten, ersten Erregerspule 15 in den jeweilig anderen Schaltzustand. Diese ungepolten, bistabilen Relais 10 bzw. diese ungepolten Stromstossschalter weisen meist eine besondere mechanische Ausgestaltung auf, dass der Anker des potentialfreien Schaltausgangs 4 über eine Wechselmechanik so gelagert ist, dass dieser bei jedem Stromstoß an der ersten Erregerspule 15 den potentialfreien Schaltausgang 4 in den jeweils anderen Schaltzustand schaltet.
3 zeigt das Schaltelement 5 als ein Doppelspulenrelais mit einer ersten Erregerspule 15 zum Setzen des potentialfreien Schaltausgangs 4 in den ersten Schaltzustand und einer zweiten Erregerspule 16 zum Rücksetzen des potentialfreien Schaltausgangs 4 in den konträren zweiten Schaltzustand. Zum Setzen des potentialfreien Schaltausgangs 4 steuert hierbei die Geräteelektronik 2 ein erstes Ansteuerelement 11 über eine entsprechende Ansteuerleitung 17 an, das einen ersten Strompfad über die erste Erregerspule 15 schaltet. Demgegenüber steuert die Geräteelektronik 2 zum Rücksetzen des potentialfreien Schaltausgangs 4 ein zweites Ansteuerelement 12 über eine entsprechende Ansteuerleitung 17 an, das einen zweiten Strompfad über die zweite Erregerspule 16 schaltet. Die Geräteelektronik 2 steuert in diesem erfindungsgemäßen dritten Ausführungsbeispiel die Ansteuerelement 11, 12 nie gemeinsam an, womit gewährleistet ist, dass die der potentialfreie Schaltausgang 4 sicher in den entsprechenden Schaltzustand wechselt.
In 4 und 5 sind ein viertes und fünftes Ausführungsbeispiel für ein Photo-MOS-Relais 20, die auch als Photovoltaikrelais bezeichnet werden, aufgezeigt. Vorteilhaft an dieser Art von Relais ist, dass diese Photo-MOS-Relais 20 schon ab einem Bereich von 5 mW Verbrauchsleistung betrieben werden können und eine recht kompakte und kleine Bauweise aufweisen. In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen Photo-MOS-Relais 20 aufgezeigt. Die Geräteelektronik 2 steuert in diesem Ausführungsbeispiel über eine Ansteuerleitung 17 ein erstes Ansteuerelement 11 im Eingangsschaltkreis des Photo-MOS-Relais 20 so an, dass der Strompfad über den Vorwiderstand 22 und die Leuchtdiode 21 geschlossen wird und somit die Leuchtdiode 21 leuchtet. Wird das erste Ansteuerelement 11, z.B. ein MOS-Feldeffekttransistor, von der Geräteelektronik 2 nicht entsprechend angesteuert, so ist der Strompfad über den Vorwiderstand 22 und die Leuchtdiode 21 nicht geschlossen bzw. hochohmig und die Leuchtdiode 21 leuchtet nicht. Eine weitere, nicht explizit gezeigte Ausführungsmöglichkeit ist, dass die Geräteelektronik 2 die Leuchtdiode 21 im Eingangsschaltkreis des Photo-MOS-Relais 20 direkt ansteuert, indem ein Strom am Ausgang der Geräteelektronik 2 aus die separate Leitung zur Ansteuerung der Leuchtdiode 21 ausgegeben wird und die Leuchtdiode 21 somit zum Leuchten bringt. In diesem Fall ist das erste Ansteuerelement 11 direkt in der Geräteelektronik 2 integriert oder entfällt ganz.
Beim Photo-MOS-Relais 20 erzeugt das Licht der Leuchtdiode 21 des Eingangskreises in einer Solarzelle bzw. einem lichtempfindlichen Bereich eines Photo-Halbleiterelement 24 im Lastkreis, das beispielsweise als MOS-Transistor 26, als komplementärer MOS-Transistor 27 und/oder als Photo-Triac 25 ausgebildet ist, eine Spannung, die in der Drain-Source-Strecke frei Ladungsträger erzeugt und somit diese niederohmig macht. Die von der Solarzelle bzw. von dem lichtempfindlichen Bereich erzeugte Spannung am Gate ist völlig unabhängig von der Schaltspannung an der Drain-Source-Strecke und somit unabhängig von der Spannung am potentialfreien Schaltausgang 4.
Die Photo-Halbleiterelement 24 als Schaltelement 5 zu verwenden bringt einige Vorteile mit sich, so können – wie beim mechanischen bistabilen Relais 10 auch – sowohl Gleichströme als auch Wechselströme in Abhängigkeit von der angelegten Spannung von bis zu 6 Ampere am potentialfreien Schaltausgang 4 geschalten werden, es verfügt über einen stabilen, konstanten Durchgangswiderstand während der gesamten Lebensdauer, der Leckstrom beträgt weniger als 1 μA und es neigt nicht zum selbständigen Schalten bei einer schwankenden Last am potentialfreien Schaltausgang 4 und mechanischen Erschütterungen. Somit sind Eigenschaften der Photo-MOS-Relais 20 den mechanischen bistabilen Relais 10 annähernd gleich zu bewerten. Ferner lassen sich bei den Photo-MOS-Relais 20 zwischen dem Eingangskreis und dem Lastkreis Isolationswerte von 5000 VAC erreichen, die eine gute galvanische Trennung zwischen Eingangskreis und Lastkreis belegen.
Wie in dem Ausführungsbeispiel in 4 dargestellt, können mehrere Photo-Halbleiterelemente 24 im Lastkreis des Schaltelements 5 integriert sein, die alle über das Licht einer gemeinsamen Leuchtdiode 21 angesteuert werden. Folglich sind in einem Schaltelement 5 mehrere Variationen von Kontaktanordnungen mit einem oder mehreren Schließern bzw. Arbeitskontakten und/oder Öffnern bzw. Ruhekontakten möglich. Durch eine Schutzbeschaltung mit beispielsweise Schutzdioden 28 werden die Photo-Halbleiterelemente 24 vor Überspannungen im Lastkreis geschützt.
In 5 ist eine fünfte erfindungsgemäße Variante eines potentialfreien Schaltausgangs 4 in einem Feldgerät 1 dargestellt, bei der zumindest eine Leuchtdiode 21 als Eingangskreis des Photo-MOS-Relais 20 direkt in die Zweidrahtleitung 3 integriert ist. Die Leuchtdiode 21 wird somit direkt vom Schleifenstrom, der zur Versorgung und Kommunikation der Geräteelektronik 2 des Feldgeräts 1 über die Zweidrahtleitung 3 bereitgestellt wird, versorgt und zum Leuchten gebracht. Über einen zur Leuchtdiode 21 parallel geschalteten Überbrückungskontakt 23, der von der Geräteelektronik 2 über eine Ansteuerungsleitung 17 angesteuerte wird, ist es möglich die Leuchtdiode 21 niederohmig zu überbrücken und somit auszuschalten. Dieses erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel eines Photo-MOS-Relais ist so ausgelegt, dass es ungeachtet einem variierenden Strom von 4 mA bis 20 mA auf der Zweidrahtleitung 3 sicher schaltet und dass eine möglichst geringe Spannung an der stromdurchflossenen, leuchtenden Leuchtdiode 21 abfällt.

1: Feldgerät
2: Geräteelektronik
3: Zweidrahtleitung
4: Potentialfreier Schaltausgang
5: Schaltelement
6: Energiespeicher
7: Schaltausganganschlussklemme
8: Zweidrahtanschlussklemme
9: Display
10: bistabiles Relais
11: Erstes Ansteuerelement
12: Zweites Ansteuerelement
13: Drittes Ansteuerelement
14: Viertes Ansteuerelement
15: Erste Erregerspule
16: Zweite Erregerspule
17: Ansteuerleitung
18: Sensor
19: Aktor
20: Photo-Mos-Relais
21: Leuchtdiode
22: Vorwiderstand
23: Überbrückungsschaltelement
24: Photo-Halbleiterelement
25: Photo-Triac
26: MOS-Transistor
27: komplementärer MOS-Transistor
28: Schutzdioden

Claims

Feldgerät (1) mit zumindest einem Sensor (18) zum Erfassen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters und/oder mit zumindest einem Aktor (19) zum Beeinflussen wenigstens eines chemischen und/oder physikalischen Prozessparameters, wobei im Feldgerät (1) eine Geräteelektronik (2) zum Erfassen der Messwerte des Sensors (18) und/oder zum Regeln bzw. Einstellen des Aktors (19) vorgesehen ist, wobei die Versorgung des Feldgeräts (1) und dessen Geräteelektronik (2) mit Energie zumindest teilweise oder ausschließlich über einen Schleifenstrom einer Zweidrahtleitung (3) erfolgt, wobei die Geräteelektronik (2) die Betriebszustände und Mess- oder Regelzustände des Feldgeräts (1) zumindest partiell und/oder zeitweise über die Zweidrahtleitung (3) signalisiert und kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass ein potentialfreier Schaltausgang (4) als ein Schaltelement (5) im Feldgerät (1) zur Signalisierung von Betriebszuständen und/oder Mess- oder Regelzuständen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifenstrom der Zweidrahtleitung (3) zur Kommunikation der Betriebszustände und Mess- oder Regelzustände des Feldgeräts (1) im Bereich von 4–20 mA einstellbar ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher (6) im Feldgerät (1) vorgesehen ist, der das Schaltelement (5) zumindest teilweise und/oder zeitweise mit Energie versorgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (5) im Feldgerät (1) mit zumindest zwei stabilen leistungsfreien Schaltzuständen ausgestaltet ist und dass das Schaltelement (5) nur in der Umschaltphase von einem in den anderen stabilen Schaltzustand Energie verbraucht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (5) als ein bistabiles Relais (10) ausgestaltet ist, das über zumindest eine Erregerspule (15, 16) den potentialfreien Schaltausgang (4) in den anderen Schaltzustand umschaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (5) als ein Photo-MOS-Relais (20) ausgestaltet ist, das über eine Leuchtdiode (21) zumindest ein Photo-Halbleiterelement (24) als potentialfreier Schaltausgang (4) ansteuert und schaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem Photo-MOS-Relais (20) integrierte Leuchtdiode (21) direkt in die Zweidrahtleitung (3) eingefügt ist und dass ein Oberbrückungsschaltelement (23) vorgesehen ist, das die Leuchtdiode (21) kurzschließt um das Photo-Halbleiterelement (24) als potentialfreier Schaltausgang (4) in den hochohmigen Zustand zu schalten.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein MOS-Transistor (26) oder zumindest ein komplementärer MOS-Transistor (27) als Photo-Halbleiterelement (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Photo-Triac (25) als Photo-Halbleiterelement (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) in der Prozess und Automatisierungstechnik zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes, des Drucks, des Durchflusses, der Temperatur oder einer analytischen Größe vorgesehen ist.