DE102007006027B4 - Electrical measuring device, in particular two-wire measuring device - Google Patents

Electrical measuring device, in particular two-wire measuring device Download PDF

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Abstract

Elektrisches Messgerät, insbesondere Zweileiter-Messgerät (1), mit einer strombegrenzten Energieversorgung, gekennzeichnet durch hierarchisch gestaffelte Versorgungseinheiten (5, 8, 11, 14) zur bedarfsgerechten Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungsleistung zu jeweiligen Gerätekomponenten (6, 9, 12, 15, 16, 17), umfassend
– eine Primärkreis-Versorgungseinheit (5), betrieben mit einem ersten, unteren Grenzstrom,
– mindestens eine von der Primärkreis-Versorgungseinheit (5) zuschaltbare Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8), betrieben mit einem gegenüber dem unteren Grenzstrom höheren unteren Basisstrom,
– eine von der mindestens einen hierachisch höherrangigen Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8) zuschaltbare Mess-Versorgungseinheit (11), die die Mess-Schaltung (12) mit dem unteren Basisstrom betreibt, und
– eine Sonder-Versorgungseinheit (14), die mindestens eine weitere Komponente (15, 16, 17) des Messgerätes (1) mit einer auf einem Versorgungs-Differenzstrom gegenüber dem unteren Basisstrom basierenden Leistung versorgt.Electrical measuring device, in particular two-wire measuring device (1), with a current-limited power supply, characterized by hierarchically staggered supply units (5, 8, 11, 14) for the demand-based allocation of the available supply power to respective device components (6, 9, 12, 15, 16, 17), comprising
A primary circuit supply unit (5) operated with a first, lower limit current,
At least one secondary circuit supply unit (8) which can be connected by the primary circuit supply unit (5) and is operated with a lower lower base current than the lower limit current,
- One of the at least one hierarchically higher-ranking secondary circuit supply unit (8) switchable measuring supply unit (11) which operates the measuring circuit (12) with the lower base current, and
- A special supply unit (14) which supplies at least one further component (15, 16, 17) of the measuring device (1) with a power based on a differential supply current compared to the lower base current.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Messgerät, insbesondere ein Zweileiter-Messgerät mit einer strombegrenzten Energieversorgung.The The invention relates to an electrical measuring device, in particular a two-wire measuring device with a current-limited energy supply.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problematik soll am Beispiel der vorstehend erwähnten Zweileiter-Messgeräte näher erläutert werden. So stellen solche Zweileiter-Messgeräte über ihre zwei Anschlussleitungen einen Schleifenstrom ein, der den zu übertragenden Messwert einer gemessenen Größe repräsentiert. Ferner wird über diesen begrenzten Schleifenstrom die Energieversorgung des Messgerätes sichergestellt, die insoweit also als „strombegrenzt” zu bezeichnen ist. Aufgrund dieser Strombegrenzung müssen solche Zweileiter-Messgeräte sehr leistungsarm arbeiten.The The problem underlying the invention is based on the example of Be mentioned above two-wire gauges. So put such two-wire gauges over their two connecting cables a loop current, which is the measured value to be transmitted represented measured size. Furthermore, over this limited loop current ensures the power supply of the meter, in that sense, the term "current limited" is. Because of this current limitation, such two-wire gauges must be very low-power work.

Der erwähnte Schleifenstrom umfasst standardgemäß einen Bereich von 3,6 mA–22 mA, wobei die Bereiche kleiner einem unteren Grenzstrom von 3,6 mA und oberhalb eines oberen Basisstroms von 21 mA für Fehlermeldungen reserviert sind. Der Bereich zwischen im Wesentlichen 4 mA bis 20 mA – genauer zwischen 3,8 mA als unteren Basisstrom und 20,5 mA – stellt als Live-Zero-Strom den mit dem Messgerät gemessenen Wert dar. Aufgrund dieser Konzeption ist ein Zweileiter-Messgerät so ausgelegt, dass es bereits bei Versorgung mit seinem unteren Basisstrom (von z. B. 3,8 mA) die komplette Funktionalität der Messwerterfassung, -verarbeitung und -aufbereitung abdecken kann. Bei einem Schleifenstrom oberhalb des unteren Basisstroms, also beispielsweise von 20 mA bei Darstellung eines Messwerts an seiner oberen Messbereichsgrenze, bleibt der entsprechende Differenzstrom zwischen diesem Schleifenstrom und dem unteren Basisstrom und die daraus resultierende Leistung ungenutzt.Of the mentioned Loop current by default is in the range of 3.6 mA-22 mA, the ranges being smaller than a lower limit current of 3.6 mA and reserved above an upper base current of 21 mA for error messages are. The range between essentially 4 mA to 20 mA - more accurate between 3.8 mA as the lower base current and 20.5 mA as a live zero current the value measured with the meter This concept is a two-wire gauge designed to be already when powered by its lower base current (of, for example, 3.8 mA) the complete functionality covering measured value acquisition, processing and processing can. With a loop current above the lower base current, So for example, 20 mA when displaying a measured value its upper measuring range limit, the corresponding differential current remains between this loop current and the lower base current and the Resulting power unused.

Aus der DE 103 22 262 B4 ist ein Signal-Speisetrenner für Messsignale bekannt, der einen Speise-Eingang mit einer primärseitigen Eingangsschaltung und einer davon mittels eines Übertragers potentialgetrennten, sekundärseitigen Ausgangsschaltung umfasst. Zu deren Versorgung ist eine Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung vorgesehen, die eine Regeleinrichtung zur Anpassung der Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung an deren jeweils aktuellen Leistungsbedarf aufweist.From the DE 103 22 262 B4 a signal-feed separator for measuring signals is known, which comprises a feed input with a primary-side input circuit and one of them by means of a transformer isolated, secondary-side output circuit. For their supply an auxiliary power supply circuit is provided which has a control device for adjusting the supply voltage of the output circuit to their respective current power requirements.

Die EP 1 553 538 A1 offenbart ein Zweileiter-Messgerät, das zur Realisierung eines Wandlers mit einer höheren Leistung über ein erstes Leitungspaar für einen Signalstrom und mit einem zweiten Leitungspaar für einen zusätzlichen Versorgungsstrom versehen ist.The EP 1 553 538 A1 discloses a two-wire measuring device, which is provided for the realization of a converter with a higher power over a first line pair for a signal stream and with a second line pair for an additional supply current.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Messgerät mit einer strombegrenzten Energieversorgung so weiterzubilden, dass seine Funktionalität an die zur Verfügung stehende Leistung anpassbar und damit die Versorgungsleistung innerhalb der gegebenen Strombegrenzung optimal ausnutzbar ist.Of the The invention is based on the object, an electrical measuring device with a energy-limited energy supply so that its functionality at the disposal standing power adaptable and thus the supply within the given current limit is optimally exploitable.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst und wird dementsprechend durch das Konzept hierarchisch gestaffelter Versorgungseinheiten zur bedarfsgerechten Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungsleistung zu jeweiligen Gerätekomponenten realisiert. Diese hierarchisch gestaffelten Versorgungseinheiten umfassen

  • – eine Primärkreis-Versorgungseinheit, betrieben mit einem ersten, unteren Grenzstrom,
  • – eine von der Primärkreis-Versorgungseinheit zuschaltbare Sekundärkreis-Versorgungseinheit, betrieben mit einem gegenüber dem unteren Grenzstrom höheren unteren Basisstrom,
  • – eine von der Sekundärkreis-Versorgungseinheit zuschaltbare Mess-Versorgungseinheit, die die Mess-Schaltung mit dem unteren Basisstrom betreibt, und
  • – eine Sonder-Versorgungseinheit, die mindestens eine weitere Komponente des Messgerätes mit der auf einem Versorgungs-Differenzstrom gegenüber dem unteren Basisstrom basierenden Leistung versorgt.
This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1 and is accordingly realized by the concept of hierarchically staggered supply units for demand-based allocation of the available supply to respective device components. These hierarchically staggered supply units include
  • A primary circuit supply unit operated with a first, lower limit current,
  • A secondary circuit supply unit which can be switched by the primary circuit supply unit and is operated with a lower lower base current than the lower limit current,
  • - A switchable from the secondary circuit supply unit measuring supply unit, which operates the measuring circuit with the lower base current, and
  • A special supply unit which supplies at least one further component of the measuring device with the power based on a supply differential current relative to the lower base current.

Aufgrund dieses hierarchischen Konzeptes wird für die nachfolgenden Einheiten nur die zur Verfügung stehende Leistung bereitgestellt, ohne dass die in der Hierarchie vorhergehende Versorgungseinheit beeinträchtigt wird. Damit bleibt für die erwähnte Sonder-Versorgungseinheit eine aus dem Versorgungs-Differenzstrom resultierende Restleistung zur Verfügung, die beispielsweise für eine Beleuchtungseinheit für eine Anzeigekomponente des Messgerätes oder eine visuelle Warneinheit, wie beispielsweise eine auffällig rote Anzeigebeleuchtung herangezogen werden kann.by virtue of This hierarchical concept is used for the following units only the available standing power provided without those in the hierarchy previous supply unit is impaired. This leaves for the mentioned special supply unit a residual power resulting from the supply differential current to disposal, for example for a lighting unit for a display component of the meter or a visual warning unit, such as a conspicuous one red display lighting can be used.

Das hierarchische Konzept hat auch im Falle von Störungen im Gerät erhebliche Vorteile. Sollte nämlich eine Versorgungseinheit fehlerhaft sein und beispielsweise ihrerseits einen Kurzschluss aufweisen, bleiben die vorhergehenden Versorgungseinheiten betriebsbereit und können mit der Umgebung kommunizieren, also beispielsweise eine Fehlermeldung ausgeben.The Hierarchical concept also has considerable in case of disturbances in the device Advantages. Should namely a supply unit will be faulty and, for example, in turn have a short circuit, remain the previous supply units ready and able Communicate with the environment, so for example an error message output.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert wird.Further Features, details and advantages of the invention will become apparent the following description, in which an embodiment with reference to the accompanying drawings is explained in more detail.

DieseThese

1 zeigt ein Messgerät in schematisch-konzeptioneller Darstellung. 1 shows a measuring device in schema table-conceptual representation.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, steht das in Zweileiter-Technik ausgeführte Messgerät 1, beispielsweise ein pH-Messgerät, über zwei Anschlussleitungen 2, 3 mit einer nicht näher dargestellten Messwarte in Verbindung. Der in den Anschlussleitungen 2, 3 fließende Schleifenstrom I wird vom Messgerät 1 so eingestellt, dass sein Wert eine zu erfassende Messgröße, wie beispielsweise den pH-Wert einer zu überwachenden Prozessflüssigkeit, repräsentiert. Dazu setzt das Messgerät 1 das eigentliche, von einem angeschlossenen Messsensor 4 – beispielsweise einem pH-Sensor – gelieferte Messsignal in den entsprechenden Schleifenstrom I um.As can be seen from the drawing, is the running in two-wire technology measuring device 1 For example, a pH meter, via two connecting cables 2 . 3 with a not shown control room in connection. The in the connection lines 2 . 3 flowing loop current I is from the meter 1 adjusted so that its value represents a measured variable to be detected, such as the pH value of a process fluid to be monitored. The measuring device uses this 1 the actual, from a connected measuring sensor 4 - For example, a pH sensor - delivered measurement signal in the corresponding loop current I order.

Die verschiedenen Komponenten des Messgerätes 1 werden nun in einer hierarchischen Staffelung aus dem Schleifenstrom mit Energie versorgt und betrieben. So ist eine Primärkreis-Versorgungseinheit 5 zur Versorgung eines Primärkreises 6 mit einem Primärprozessor 7 vorgesehen. Diese Primärkreis-Versorgungseinheit 5 ist an die Anschlussleitungen 2, 3 gekoppelt und baut beim Einschalten des Gerätes, also bei Ansteuerung von der Messwarte aus, die notwendigen Primärspannungen im Primärkreis 6 auf. Der Primärprozessor 7 startet und stellt einen Schleifenstrom I von maximal 3,6 mA ein. Durch die damit sichergestellte Basis-Versorgungsleistung kann das Zuschalten der Sekundärkreis-Versorgungseinheit 8 für den Sekundärkreis 9 mit seinem Hauptprozessor 10 erfolgen. Dieses Zuschalten ist in der Figur durch die Relais ähnlichen Schaltzeichen RS zwischen den jeweiligen Versorgungseinheiten versinnbildlicht. Durch das Zuschalten der Sekundärkreis-Versorgungseinheit 8 startet der Hauptprozessor 10 und stellt nun einen Schleifenstrom I von z. B. 3,8 mA ein. Damit ist das Messgerät in der Lage, seinen Status anzuzeigen und über nicht näher dargestellte Kommunikationskomponenten, beispielsweise über HART oder über eine IrDA-Schnittstelle, mit externen Geräten zu kommunizieren. Ferner wird bei Einstellen des unteren Basisstromes für den Schleifenstrom in Höhe von 3,8 mA die Mess-Versorgungseinheit 11 für die Mess-Schaltung 12 zugeschaltet. Da der untere Basisstrom von 3,8 mA ausreicht, die Mess-Schaltung 12 und ggf. über die Messleitung 13 den als intelligenter Sensor mit eigener Messwertaufbereitung und mit kontaktloser Energie- und Mess-Signalübertragung ausgestalteten Messsensor 4 zu betreiben, ist das Gerät bezüglich seiner Kernfunktionalitäten nun voll betriebsbereit. Der Schleifenstrom I stellt sich damit auf einen für den jeweiligen Messwert repräsentativen Wert zwischen 3,8 und 20,5 mA, also beispielsweise 18,8 mA ein. Die von den vorhergehenden Versorgungseinheiten überschüssige Leistung und die Leistung, die aus dem nun gegenüber dem unteren Basisstrom von 3,8 mA verfügbaren Versorgungs-Differenzstrom von 15 mA resultiert, kann der Sonder-Versorgungseinheit 14 zur Verfügung gestellt werden, die eine weitere Komponente des Messgerätes 1, wie beispielsweise eine Beleuchtungseinheit 15 für eine Messwertanzeige 16 des Messgerätes oder eine visuelle Warneinheit in Form einer zusätzlichen, beispielsweise auffällig roten und hellen Zusatz-Beleuchtungseinheit 17 ansteuert.The different components of the meter 1 are now powered in a hierarchical staggering from the loop current with energy and operated. So is a primary circuit supply unit 5 to supply a primary circuit 6 with a primary processor 7 intended. This primary circuit supply unit 5 is to the connection lines 2 . 3 coupled and builds when switching on the device, ie when controlled from the control room, the necessary primary voltages in the primary circuit 6 on. The primary processor 7 starts and sets a loop current I of a maximum of 3.6 mA. By thus ensuring basic supply power can be connected to the secondary circuit supply unit 8th for the secondary circuit 9 with his main processor 10 respectively. This connection is symbolized in the figure by the relay-like circuit symbol RS between the respective supply units. By connecting the secondary circuit supply unit 8th the main processor starts 10 and now sets a loop current I of z. B. 3.8 mA. Thus, the meter is able to display its status and to communicate with external devices via non-illustrated communication components, such as via HART or via an IrDA interface. Further, when the lower base current for the loop current of 3.8 mA is set, the measurement supply unit becomes 11 for the measuring circuit 12 switched on. Since the lower base current of 3.8 mA is sufficient, the measuring circuit 12 and possibly via the measuring line 13 the measuring sensor designed as an intelligent sensor with its own measured value processing and contactless energy and measuring signal transmission 4 To operate, the device is now fully operational in terms of its core functionality. The loop current I thus adjusts itself to a value representative of the respective measured value between 3.8 and 20.5 mA, thus for example 18.8 mA. The excess power from the previous supply units and the power resulting from the 15 mA supply differential current now available to the lower base current of 3.8 mA can be supplied to the special supply unit 14 be made available, which is another component of the meter 1 such as a lighting unit 15 for a measured value display 16 the measuring device or a visual warning unit in the form of an additional, for example conspicuous red and bright additional lighting unit 17 controls.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Leistungskonzeptes wird nur der notwendige Anteil der zur Verfügung stehenden Leistung für die eigentliche Mess-Schaltung 12 und die Steuerkomponenten, wie beispielsweise Primärprozessor 7 und Hauptprozessor 10 aufgenommen, wogegen der zumeist überwiegende Rest der Eingangsleistung beispielsweise für die Beleuchtungseinheit 15 genutzt wird. Diese effektive Ausnutzung der Eingangsleistung ermöglicht es auch bei Zweileitertechnik und ungünstigen Lichtverhältnissen eine gut ablesbare Messwertanzeige 16 beim Messgerät 1 zu gewährleisten.Due to the power concept according to the invention only the necessary proportion of the available power for the actual measuring circuit 12 and the control components, such as primary processor 7 and main processor 10 recorded, whereas the overwhelming majority of the input power, for example, for the lighting unit 15 is being used. This effective utilization of the input power makes it possible to provide an easily readable measured value display even in the case of two-wire technology and unfavorable lighting conditions 16 at the meter 1 to ensure.

Ferner wird durch das hierarchische Konzept gewährleistet, dass das Gerät voll betriebsbereit bleibt, auch wenn beispielsweise die Beleuchtungseinheit 15 für die Messwertanzeige 16 einen Kurzschluss aufweist.Furthermore, the hierarchical concept ensures that the device remains fully operational, even if, for example, the lighting unit 15 for the measured value display 16 has a short circuit.

Sollte die Mess-Schaltung 12 oder die Messleitung 13 fehlerhaft sein und beispielsweise ihrerseits einen Kurzschluss aufweisen, bleibt der Hauptprozessor 10 betriebsbereit und kann mit der Umgebung kommunizieren, also beispielsweise eine Fehlermeldung ausgeben.Should the measuring circuit 12 or the measuring line 13 be faulty and, for example, in turn have a short circuit, remains the main processor 10 ready for use and can communicate with the environment, so for example, issue an error message.

Sollte schließlich der Sekundärkreis 9 gestört sein, so bleibt der Primärprozessor in der Lage einen Fehlerstrom von 3,6 mA bzw. 22 mA einzustellen.Should finally the secondary circuit 9 be disturbed, the primary processor is able to set a fault current of 3.6 mA or 22 mA.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die gegliederte Darstellung in 1 lediglich schematischer Natur ist und nur zur Darlegung der Funktionalität eines erfindungsgemäßen Messgerätes dient. Bei der gerätetechnischen Umsetzung müssen diese Komponenten nicht unbedingt getrennt und in Hardware-Komponenten ausgeführt sein, sondern können auch auf entsprechender Software-Basis und/oder unter Integration ineinander realisiert werden.Finally, it should be noted that the articulated representation in 1 is merely schematic in nature and serves only to illustrate the functionality of a measuring device according to the invention. In the case of device implementation, these components do not necessarily have to be separated and executed in hardware components, but can also be implemented on an appropriate software basis and / or with integration into one another.

Claims (6)

Elektrisches Messgerät, insbesondere Zweileiter-Messgerät (1), mit einer strombegrenzten Energieversorgung, gekennzeichnet durch hierarchisch gestaffelte Versorgungseinheiten (5, 8, 11, 14) zur bedarfsgerechten Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungsleistung zu jeweiligen Gerätekomponenten (6, 9, 12, 15, 16, 17), umfassend – eine Primärkreis-Versorgungseinheit (5), betrieben mit einem ersten, unteren Grenzstrom, – mindestens eine von der Primärkreis-Versorgungseinheit (5) zuschaltbare Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8), betrieben mit einem gegenüber dem unteren Grenzstrom höheren unteren Basisstrom, – eine von der mindestens einen hierachisch höherrangigen Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8) zuschaltbare Mess-Versorgungseinheit (11), die die Mess-Schaltung (12) mit dem unteren Basisstrom betreibt, und – eine Sonder-Versorgungseinheit (14), die mindestens eine weitere Komponente (15, 16, 17) des Messgerätes (1) mit einer auf einem Versorgungs-Differenzstrom gegenüber dem unteren Basisstrom basierenden Leistung versorgt.Electrical measuring device, in particular two-wire measuring device ( 1 ), with a current-limited power supply, characterized by hierarchically staggered supply units ( 5 . 8th . 11 . 14 ) for demand-based allocation of the available supply power to respective device components ( 6 . 9 . 12 . 15 . 16 . 17 ), full A primary circuit supply unit ( 5 ), operated with a first, lower limit current, - at least one of the primary circuit supply unit ( 5 ) switchable secondary circuit supply unit ( 8th ), operated with a lower base current than the lower limit current, one of the at least one higher-order secondary circuit supply unit ( 8th ) switchable measuring supply unit ( 11 ), the measuring circuit ( 12 ) operates with the lower base current, and - a special supply unit ( 14 ) containing at least one further component ( 15 . 16 . 17 ) of the measuring device ( 1 ) is supplied with a power based on a supply differential current versus the lower base current. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Primärkreis-Versorgungseinheit (5) versorgte Primärkreis (6) einen Primärprozessor (7) zur Einstellung des unteren Grenzstromes aufweist.Measuring device according to claim 1, characterized in that that of the primary circuit supply unit ( 5 ) supplied primary circuit ( 6 ) a primary processor ( 7 ) for adjusting the lower limit current. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8) versorgte Sekundär kreis (9) einen zur Steuerung des Messgerätes einschließlich der Einstellung des unteren Basisstromes dienenden Hauptprozessor (10) aufweist.Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the of the secondary circuit supply unit ( 8th ) supplied secondary circle ( 9 ) a main processor serving to control the meter including the lower base current setting ( 10 ) having. Messgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonder-Versorgungseinheit (14) als weitere Komponente eine Beleuchtungseinheit (15) für eine Anzeige (16) des Messgerätes (1) versorgt.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the special supply unit ( 14 ) as a further component, a lighting unit ( 15 ) for an advertisement ( 16 ) of the measuring device ( 1 ) provided. Messgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonder-Versorgungseinheit (14) als weitere Komponente eine visuelle Warneinheit (17) zur Anzeige eines Fehlerfalles des Messgerätes (1) versorgt.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the special supply unit ( 14 ) as a further component a visual warning unit ( 17 ) to indicate a fault of the measuring device ( 1 ) provided. Messgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät ein Zweileiter-Messgerät (1) mit einem Schleifenstrom (I) im Bereich von 3,6 mA bis 22 mA und einem Signalstrom im Bereich von 4 mA bis 20 mA ist, wobei der untere Grenzstrom etwa 3,6 mA und der untere Basistrom etwa 3,8 mA betragen sowie der Versorgungs-Differenzstrom aus der Differenz zwischen dem Schleifenstrom (I) und dem unteren Basisstrom abgeleitet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device is a two-wire measuring device ( 1 ) having a loop current (I) in the range of 3.6 mA to 22 mA and a signal current in the range of 4 mA to 20 mA, wherein the lower limit current is about 3.6 mA and the lower base current is about 3.8 mA, and the supply differential current is derived from the difference between the loop current (I) and the lower base current.
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