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Die Erfindung betrifft ein Messumformer für die Automatisierungstechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Messumformer werden in der Automatisierungstechnik vielfach eingesetzt, um den Messwert einer Prozessvariablen in analoger Form als Stromsignal von einer Messstelle an eine entfernt liegende übergeordnete Einheit, z. B. Steuerung oder Messwarte, zu übertragen. Im Industriebereich wird üblicherweise der Messwert als 4–20 mA Stromsignal übertragen. Mögliche Prozessvariablen sind z. B. Druck, Temperatur etc. Es sind verschiedene Varianten von Messumformer bekannt, die entsprechend ihrer Anzahl von Anschlüssen als 2, 3 oder 4 Leitergeräte bezeichnet werden. Bei 4 Leitergeräte dienen zwei Anschlüsse zur Energieversorgung und zwei weitere Anschlüsse zur Übertragung eines Stromsignals, das dem Messwert der erfassten Prozessvariablen entspricht. 3 Leitergeräte weisen zwei Versorgungseingänge und einen Signalausgang auf. 2 Leitergeräte weisen dagegen nur zwei Anschlüsse auf. Sie werden über die gleichen Anschlüsse, über die das Stromsignal ausgegeben wird, mit Spannung versorgt. Bei 2 Leitergeräten ist der Verkabelungsaufwand erheblich geringer. Das Stromsignal darf bei 2 Leitergeräten aber einerseits nicht unter den Eigenstrombedarf des Messumformers sinken, da sonst eine ausreichende Energieversorgung nicht mehr gewährleistet ist, andererseits darf der Eigenstrombedarf des Messumformers nicht mehr als 4 mA betragen, da sonst der Wert der Prozessvariablen, welcher durch 4 mA repräsentiert werden soll, nicht eingestellt werden kann. 2 Leitermessumformer werden von der Fa. ifm electronic z. B. unter der Bezeichnung PA3020 hergestellt und vertrieben.
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Es sind auch Messumformer bekannt, die zwei Prozessvariablen erfassen und über zwei separate Stromschleifen ausgeben.
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Um Messumformer in sicherheitskritischen Bereichen einsetzen zu können, müssen sie je nach Gefährdungsgrad der Anlage gewisse Sicherheitsanforderungsstufen, die in nationalen wie internationalen Normen (z. B. IEC 61508/IEC 61511) festgelegt sind erfüllen. Die Anforderungsstufen werden auch nach SIL Sicherheitsintegritätslevel klassifiziert.
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Bei herkömmlichen Messumformern kann eine Steuerung aufgrund des von dem Messumformer übertragenen 4–20 mA Stromsignals, nicht entscheiden, ob der Messwert, der dem Stromsignal zugeordnet ist zuverlässig ist oder nicht. Einflüsse durch defekte Bauteile oder fehlerhafte Signalauswertung können nie völlig ausgeschlossen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen Messumformer für die Automatisierungstechnik anzugeben, der es ermöglicht einer Steuerung im Fehlerfall diesen zu signalisieren und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, bei einem schleifengespeisten Messumformer bei dem eine Prozessvariable redundant mit zwei Messaufnehmer gewonnen wird, einer Prozessvariablen mittels zweier gegenläufigen Stromsignale zu übertragen, wobei in der Stromzufuhrleitung ein konstanter Summenstrom fließt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 herkömmlicher schleifengespeister 2-Leiter Messumformer
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1a Messumformer nach 1 detaillierter Form
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2 erfindungsgemäßer Messumformer als Blockdiagramm
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2a Messumformer nach 2 detaillierter Form
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3 erfindungsgemäßer Messumformer als Blockdiagramm in einer vereinfachten Ausgestaltung
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In 1 ist ein herkömmlicher schleifengespeister 2-Leiter Messumformer MU als Blockdiagramm dargestellt. Der Messumformer MU weist zwei Leitungsanschlüsse L1 und L2 auf über die der Messumformer mit Spannung versorgt wird und über die ein Stromsignal ausgegeben wird, das dem aktuellen Messwert einer Prozessvariablen entspricht, die von einem Messaufnehmer erfasst wird. Der Messaufnehmer MA kann z.B. eine kapazitive keramische Druckmesszelle sein. Nach der Wandlung des Druckes in ein elektrisches Signal wird dieses in einer Auswerteschaltung AS verstärkt und auswertet. Dabei erfolgt typischerweise eine Linearisierung, ein Nullpunkts- und Verstärkungsabgleich bzw. eine Festlegung des Messbereichs. Bei Messumformern mit einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller können Korrekturdaten über eine Serviceschnittstelle eingelesen werden. In einer Stromschleifenausgangsschaltung SAS wird das von der Auswerteschaltung AS gelieferte Signal in ein Stromsignal I0 umgewandelt, dabei wird der Innenwiderstand des Messumformers MU so angepasst, dass der Strom I0 in der Stromschleife dem aktuellen Messwert der Prozessvariablen „Druck“ entspricht. Ein Spannungsregler SR, über den alle Komponenten des Messumformers versorgt werden, liefert eine konstante Spannung Uref. Der Messumformer MU ist über die 2-Drahtleitung mit einer Steuereinheit S verbunden. In der Steuereinheit S wird das vom Messumformer gelieferte Stromsignal I0 ausgewertet und gegebenenfalls Regelmaßnahmen über entsprechende Aktoren eingeleitet. Aus dem Stromsignal I0 kann eine Steuereinheit S nicht auf die einwandfreie Funktion des Messumformers MU, solange das Stromsignal im Bereich zwischen 4 und 20 mA liegt. Zur Versorgung des Messumformers MU dient ein in der Leitung L2 vorgesehenes Messumformerspeisegerät SG. Wenn als Steuereinheit eine SPS eingesetzt wird, so stellt diese üblicherweise entsprechende Versorgungsausgänge bereit, so dass auf separate Messumformerspeisegeräte verzichtet werden kann.
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In 1a ist der Messumformer nach 1 etwas detaillierter dargestellt. Über den Widerstand RS wird der Strom I0 gemessen und mit Hilfe des Rückkoppelsignals FB geregelt. Der gesamte Leitungswiderstand ist mit RB bezeichnet.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer Messumformer MU als Blockdiagramm dargestellt. Der Messumformer MU weist drei Leitungsanschlüsse L1, L2 und L3 auf. Der Leitungsanschluss L1 ist mit zwei Spannungsreglern SR1 und SR2 verbunden. Diese liefern die Versorgungsspannung für jeweils eine Auswerteschaltung AS1 bzw. AS2 mit nachgeschalteten Stromschleifenausgangsschaltungen. Außerdem sind beide Spannungsregler SR1 bzw. SR2 mit zwei Messaufnehmer MA1/2 verbunden. Über den Leitungsanschluss L1 fließt der Strom I0 = 24 mA in den Messumformer MU. Über die Leitungsanschlüsse L1 bzw. L2 fließen die Ströme I1 bzw. I2 ab, deren Summe I0 entspricht. Der Messumformer MU besitzt ein einziges Bezugspotential GND.
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In 2a ist eine etwas detailliertere Darstellung des Messumformers nach 2 gezeigt. Die Stromschleifenausgangsschaltungen SAS1 bzw. SAS2 sind als Stromregler dargestellt. Die beiden Auswerteschaltungen AS1, AS2 bestehen aus einem PGA, einer CPU und einem Digital/Analog Wandler DAC.
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Das Bezugspotential GND wird durch zunächst eine in Sperrrichtung gepolte Zenerdiode ZD1 relativ zur Versorgungsspannung UB+ definiert. Die Sperrspannung dieser Zenerdiode D1 liegt bei ca. 6,8 V. Parallel zu ZD1 ist eine Reihenschaltung angeordnet bestehend aus der Emitter-Basis-Strecke von einem PNP-Transistor T1 in Durchlassrichtung und einer zweiten Zenerdiode ZD2 in Sperrrichtung, wobei die Anode von ZD2 mit GND verbunden ist und deren Sperrspannung bei ca. 8,2 V liegt. Der Kollektor des Transistors T1 ist über eine Strombegrenzungsvorichtung – im einfachsten Fall einem Widerstand R1 – mit dem Stromausgang OUT2 verbunden.
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Diese Konstellation aus ZD2 und T1 stellt quasi ein „Fangnetz mit Lastmeldung“ dar. Falls die Zenerdiode ZD1 unterbricht, hält die Reihenschaltung das Bezugspotential GND immer noch in definiertem Abstand zu UB+, wenn auch jetzt nochmal bspw. (0,7V + 1,4V) = 2,1V niedriger, und der Transistor T1 sendet infolge seiner Basisbestromung einen zusätzlichen Strom über den Kollektor an den Stromausgang OUT2, wodurch zwei unterschiedliche Werte der Prozessvariablen repräsentiert werden und damit auf Fehler erkannt werden kann, wie auch durch das dadurch resultierende Ansteigen des Summenstroms auf über 24 mA.
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Die beiden Stromschleifenausgangsschaltungen SAS1 und SAS2 sind jeweils mit dem Bezugspotential GND verbunden, das gegenüber dem Eingangspotential UB+ am Stromeingang IN abgesenkt ist.
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Die beiden Spannungsregler SR1 und SR2, die mit dem Eingangspotential UB+ und dem Bezugspotential GND verbunden sind, liegen somit „oberhalb“ von dem Bezugspotential GND. Die beiden Stromschleifenausgangsschaltungen SAS1 und SAS2 „unterhalb“ des Bezugspotentials GND. Das Bezugspotential ist quasi abgehängt.
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Die beiden Stromschleifenausgangsschaltungen SAS1 und SAS2, die von den Auswerteschaltungen AS1 bzw. AS2 angesteuert werden, können so unabhängig voneinander die Ströme I1 bzw. I2 regeln, ohne dass die unterschiedlichen Spannungen, die über den Bürden abfallen sich gegenseitig behindern.
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Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert. Der Messaufnehmer MA gibt zwei Signale Sign1, Sign2 aus, die in den beiden Auswerteschaltungen AS1 bzw. AS2 ausgewertet werden. Die beiden Signale können dabei z. B. von redundanten kapazitiven Druckaufnehmern stammen. Die beiden Auswerteschaltungen AS1, AS2 sind dabei so parametriert, dass sie, wenn die einwandfreie Funktion des Messumformers MU gewährleistet ist, gegenläufige Ausgangssignale ausgeben, die in den beiden Stromschleifenausgangsschaltungen SAS1 bzw. SAS2 in gegenläufige Stromsignale I1 und I2 umgewandelt werden. Die Einstellungen sind so gewählt, dass das Summensignal I1 + I2 einen konstanten Wert annimmt. Dieser Wert entspricht dem in der Zuleitung L1 fließenden Strom I0. Wenn die beiden Stromsignale jeweils 4–20 mA betragen, ergibt sich für den Strom I0 automatisch 24 mA. Wird der Strom I0 in der Steuereinheit S überwacht, so kann auf die Funktionsfähigkeit des Messumformers MU geschlossen werden. Weicht der Strom I0 vom Sollwert 24 mA ab, so liegt ein Fehler im Messumformer vor. Dabei wirkt sich jeder Fehler in irgendeiner der Komponenten SR1, SR2, MA, AS1, AS2, SAS1, SAS2 negativ auf das Summensignal I0 aus. Infolge des direkten Kontakts mit dem zu messenden Medium sind Messaufnehmer Belastungen wie z. B. Temperaturschock, Druckspitzen, dynamische Lastwechsel etc. ausgesetzt. Liegen diese Belastung außerhalb der Spezifikationen, was bei bestimmten Anwendungen nicht ausgeschlossen werden kann, können Defekte am Messaufnehmer auftreten.
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Andere Belastungen die außerhalb der Spezifikationen liegen, können ebenfalls zu Fehlfunktionen führen. Bei einer überhöhten mechanischen (Schock/Vibration) oder thermischen Belastung können sich z. B. elektrische Verbindungen lösen. Eventuell kann auch eine vorzeitige Bauteilealterung, die sich langsam auf die Genauigkeit bzw. deren Funktion auswirkt, auftreten.
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Für die Energieversorgung des Messumformers MU steht immer eine relativ hohe Leistung von 24 mA × (UB+ – Bürdenspannung) zur Verfügung..
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Typischerweise liegt die Spannung über dem Messwertaufnehmer zwischen 12 und 36 V. Damit können auch aufwendigere Auswerteschaltungen insbesondere mit zwei Mikroprozessoren sicher betrieben werden. Indem die beiden Referenzspannungen, die die beiden Spannungsregler SR1 und SR2 liefern, im vorliegenden Fall 5.0 bzw. 3.3 Volt, unterschiedlich gewählt werden, kann auf eine zusätzliche Spannungsüberwachung verzichtet werden. Bei einer zu niedrigen Versorgungsspannung oder einem Defekt an der Zenerdiode ZD1, welcher den Spannungsbereich zwischen UB+ und GND soweit absinken lässt, dass einer der Spannungsregler oder auch beide Spannungsregler nicht mehr genügend Eingangsspannung erfahren, wird die Ausgangsspannung des 5V Spannungsreglers SR1 zuerst bzw. prozentual mehr „einbrechen“ als die des 3,3V-Spannungsreglers SR2. Aufgrund des ratiometrischen Messprinzips, das auf diesen Ausgangsspannungen basiert, passen die Ausgangsstromwerte nicht mehr zueinander und es kann dadurch auf Fehler erkannt werden.
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Der Messaufnehmer MU weist typischerweise einen 4-poligen Steckeranschluss M12 auf, an den die Anschlussleitungen L1, L2 und L3 über einen entsprechenden Steckverbinder angeschlossen werden. Der verbleibende freie Pin OW1 des Steckverbinders kann zu digitalen Kommunikation mit den beiden Auswerteschaltungen genutzt werden. Dabei können z. B. am Ende der Produktion verschiedene Kalibrierdaten in den Messaufnehmer MU übertragen werden (End of Line Abgleich) oder im Feld bei geeigneter Architektur des Messumformers (z.B.
DE 10102791 ) auch Skalierungen durch den Anwender vorgenommen werden.
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Eine einfachere Ausgestaltung der Erfindung ist in 3 dargestellt. Hier weist der Messumformer MU zwei unterschiedliche Bezugspotentiale GND1 und GND2 auf. Voraussetzung hierfür ist, dass die beiden Messaufnehmer MA1 bzw. MA2 galvanisch getrennt sind, so dass die beiden Messsysteme relativ autark arbeiten. Die Stromaufnahme jedes Messsystems ist unabhängig vom anderen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 bzw. 2a können sich die beiden Messsysteme die Stromaufnahme je nach Bedarf auch teilen.
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Mit der Erfindung ist wird ein Messumformer für die Automatisierungstechnik angegeben, der es ermöglicht einer Steuereinheit im Fehlerfall diesen zu signalisieren und der einfach und kostengünstig herstellbar ist. Sobald der Gesamtstrom I0 von 24 mA abweicht, wird der Steuereinheit signalisiert, dass ein Fehlerfall vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 61508/IEC 61511 [0004]
