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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Druckschalter in Zweileitertechnik sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Druckschalters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.
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In vielen Bereichen der Prozessmesstechnik wird zur messtechnischen Prozessbeobachtung der Druck innerhalb eines üblicherweise gasförmigen, flüssigen, pastösen oder zumindest schüttfähigen Fluids gemessen. Hierfür werden Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren eingesetzt, die mittels einer Messzelle die zu bestimmende physikalische Größe Druck unmittelbar oder mittelbar erfassen und in ein korrespondierendes Messsignal umwandeln. Derartige Messgeräte werden von der Anmelderin bspw. unter den Gerätebezeichnungen PTxx und PKxx hergestellt und in Verkehr gebracht. Die Messbereiche gehen derzeit üblicherweise bis 400 bar.
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Wie bei anderen Messgeräten der Prozess- und Automatisierungstechnik wird auch bei der Druckmessung zwischen analogen und digitalen bzw. binären Messgeräten unterschieden. Binär schaltende Messgeräte werden auch als Druckschalter bezeichnet, da sie vom nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand oder vom leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand übergehen, wenn der Druck in dem Fluid einen vorgegebenen Wert, den Schwellwert, überschreitet oder unterschreitet.
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Kernfunktion eines jeden Druckmessgeräts ist die Auslenkung bzw. reversible Deformation der Messzellenmembran in ein korrespondierendes Messsignal umzuwandeln, beispielsweise von einem Dehnungsmessstreifen, der mit der ausgelenkten Membran verformt wird, in einen entsprechenden Widerstandswert bzw. Spannungs- oder Stromwert.
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Ein analoges Druckmessgerät stellt an seinem Ausgang ein dem gemessenen Druck proportionales Ausgangssignal zur Verfügung, also eine dem gemessenen Druck proportionale Ausgangsspannung oder einen dem gemessenen Druck proportionalen Ausgangsstrom. Ein Beispiel eines solchen Druckmessgeräts mit analogem Messwertausgang offenbart die
DE 691 20 203 T2 . Eine Widerstandsmessbrücke auf der Membran erfasst den anliegenden Druck und ist mit einer ersten Verstärkereinheit verbunden, die als symmetrischer Instrumentenverstärker mit drei Operationsverstärkern ausgeführt ist. Diese erste Verstärkereinheit ist mit einer zweiten Verstärkereinheit mit programmierbarem Verstärkungsfaktor gekoppelt. An deren Ausgang liegt nun ein dem gemessenen Druck proportionales Messsignal an.
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Dem gegenüber liefert ein Druckschalter als digitales Druckmessgerät nur zwei unterschiedliche Ausgangssignale, nämlich "gemessener Druck oberhalb eines vorgegebenen Wertes" oder "gemessener Druck unterhalb eines vorgegebenen Wertes". Einen solchen Druckschalter ist in der
DE 10 2007 007 406 A1 offenbart. Die Verstärkereinheit ist hier als asymmetrischer Instrumentenverstärker mit nur zwei Operationsverstärkern ausgeführt.
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Werden derartige Druckschalter als Zweileitergerät – also mit nur zwei Anschlussleitern – betrieben, soll im leitenden Zustand der maximale Spannungsabfall, aus dem die interne Versorgungsspannung linear abgeleitet wird, 2,5 V nicht überschreiten. Allerdings fallen über diverse Peripherieeinheiten, bspw. zur Regelung und Begrenzung der Versorgungsspannung für die Messschaltung oder zum Verpolschutz, bereits Spannungen ab, so dass für die eigentliche Messschaltung nur noch eine Betriebsspannung von weniger als 2 V, typischerweise 1,8 V, zur Verfügung steht. Bei einer druckabhängigen Spannungsauswertung verläuft die den Prozesswert repräsentierende Messgerade dementsprechend vergleichsweise flach, so dass im Schnittpunkt der Messgerade mit einem voreingestellten, konstanten Schwellwert der Schnittwinkel entsprechend klein ist. Das führt zu einer schlechten Auswertbarkeit, da die exakte Feststellung des Druckpunkts, wann die Messgerade den Schwellwert – auch als Schaltpunkt bezeichnet – erreicht hat, umso schwerer ist, je flacher sich die Messgerade dem Schaltpunkt nähert, d.h. je geringer die Steigung der Messgerade ist.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist somit die
DE 10 2007 007 406 A1 , d.h. ein elektronischer Druckschalter in Zweileitertechnik mit einer Widerstandsmessbrücke als Messwertaufnehmer und einer zur Verstärkung des Signals der Messbrücke als asymmetrischer Instrumentenverstärker mit nur zwei Operationsverstärkern ausgeführten Verstärkereinheit, der die Signale S
+ und S
– der Messbrücke zugeführt werden. Dem S
–-Signal ist dabei durch ein Abgleichnetzwerk eine Referenzspannung überlagert ist und die Ausgänge der zwei Operationsverstärker sind mit einer Widerstandskette R
1a und R
2a bzw. R
1b und R
2b verbunden. Dem ersten Operationsverstärker wird das S
–-Signal und dem zweiten Operationsverstärker das S
+-Signal zugeführt. Die beiden invertierenden Eingänge der Operationsverstärker sind über einen Widerstand R
z, der zu den beiden Widerständen R
1a und R
1b parallel geschaltet ist, miteinander verbunden und die Ausgänge der beiden Operationsverstärker sind mit einem Komparator verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Auswertbarkeit eines solchen elektronischen Druckschalters zu verbessern.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektronischen Druckschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Druckschalters mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Da die Steigung der Messgerade selbst aufgrund der Vorgaben zur maximalen Versorgungsspannung nicht veränderbar ist, liegt der Erfindungsgedanke darin, den Schwellwert nun nicht mehr über den gesamten Druckbereich konstant zu halten, sondern ihn über den Druck variabel verlaufen zu lassen, d.h. dass der Schwellwert eine deutliche bzw. signifikante Druckabhängigkeit aufweist. Wenn bspw. der Schwellwert mit zunehmendem Druck abnimmt, kann dadurch der Schnittwinkel zwischen der Messwertgeraden und der Schwellwertgeraden vergrößert werden. Der gleiche Effekt stellt sich ein, wenn der Schwellwert mit zunehmendem Druck zunimmt, während das Messsignal mit zunehmendem Druck abnimmt. Kern der Erfindung ist es, den Schnittwinkel zwischen beiden nahezu geradlinigen Signalverläufen zu vergrößern, so dass sich dadurch die Auswertbarkeit verbessert, weil sich der Druckpunkt, wann sich beiden Geraden schneiden, leichter feststellen lässt, je steiler die Geraden zueinander verlaufen.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter ist die Widerstandsmessbrücke vorzugsweise als DMS-Druckmesszelle mit einer Stahlmembran und auf der Stahlmembran aufgebrachten Dehnungsmessstreifen ausgeführt. Solche DMS-Druckmesszellen sind für sich seit langem bekannt und im Einsatz. Der Vorteil der dabei verwendeten Stahlmembran liegt vor allem in der enormen Berstdruckfestigkeit.
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Bei DMS-Druckmesszellen der zuvor angesprochenen Art werden die zur Widerstandsmessbrücke gehörenden Nutzwiderstände durch einen Dickschichtprozess realisiert. Dieser Dickschichtprozess ist bekanntermaßen stark toleranzbehaftet, so dass der elektrische Nullpunkt bis zu +/–2500%, bezogen auf das generierbare Messsignal, variieren kann. Folglich sind Abgleichmaßnahmen erforderlich. Vorzugsweise ist dazu ein niederohmiges Widerstandsnetzwerk vorgesehen, das in Reihe zu den Nutzwiderständen auf der Stahlmembran aufgebracht ist. Damit das niederohmige Widerstandsnetzwerk den gleichen Temperaturkoeffizienten hat wie die eigentliche Widerstandsmesslücke, empfiehlt es sich, die Abgleichwiderstände des Abgleichnetzwerks aus der gleichen Widerstandspaste wie die Nutzwiderstände der Widerstandsmessbrücke auf der Stahlmembran aufzubringen. Eine weitere Abgleichmaßnahme für einen Feinabgleich mit einer Abgleich-Macht von +/–100% auf 0% wird durch ein hochohmiges Abgleichnetzwerk realisiert.
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Um nun die signifikante Druckabhängigkeit des Schwellwerts, d.h. des Ausgangssignals des ersten Operationsverstärkers zu realisieren, werden der Widerstand Rz so klein und die beiden gleichgroßen Widerstände R1a und R1b so groß gewählt, dass der Verstärkungsfaktor K1 = 1 + R2a/R1a des ersten Operationsverstärkers mindestens 10 beträgt, ohne dabei den Gesamtverstärkungsfaktor K des Instrumentenverstärkers zu verändern.
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Unter der Voraussetzung, dass R
1a und R
1b sowie R
2a und R
2b jeweils gleiche Widerstandswerte aufweisen und somit verkürzt als R
1 bzw. R
2 bezeichnet werden können, berechnet sich der Gesamtverstärkungsfaktor nach der Formel:
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Da sich bereits kleinste Abweichungen der Widerstandswerte negativ auf die Gleichtaktunterdrückung auswirken, wurden im Stand der Technik häufig alle vier Widerstände R
1a, R
1b, R
2a und R
2b mit dem gleichen Widerstandswert und vorzugsweise auch aus derselben Art (aus der gleichen Charge) ausgeführt. Das führte dazu, dass der Verstärkungsfaktor des ersten Operationsverstärkers gleich 2 beträgt, während der Verstärkungsfaktor des zweiten Operationsverstärkers entsprechend höher war. Das hatte in der
DE 10 2007 007 406 A1 auch den Vorteil, dass somit das Schwellwertsignal – bestehend aus dem durch eine Referenzspannung des Abgleichnetzwerks überlagerte S
–-Signal der Messbrücke – am Komparator quasi unverstärkt anlag. Damit hat sich das Schwellwertsignal durch einen Druckeinfluss im Verhältnis zum Messwertsignal am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers nur minimal geändert, so dass der eingangs erwähnte, über dem Druck nahezu konstante Schwellwertverlauf realisiert werden konnte.
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Indem nun der Verstärkungsfaktor des ersten Operationsverstärkers mindestens 10 beträgt, wird die signifikante Druckabhängigkeit realisiert. Dabei darf sich allerdings gegenüber der Ausführung gemäß Stand der Technik der Gesamtverstärkungsfaktor K des Instrumentenverstärkers – gemäß obiger Formel – nicht verändern, um das eigentliche (Druck-)Messergebnis des Druckschalters selbst nicht zu beeinflussen. Hierfür ist es notwendig, dass die Widerstände R1a und R1b sowie R2a und R2b jeweils gleiche, aber insgesamt unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, d.h. R1a und R1b haben die gleichen Widerstandswerte und R2a und R2b haben die gleichen Widerstandswerte, aber R1a und R1b unterscheiden sich im Widerstandswert von R2a und R2b. Das bedeutet dann auch, dass sich wegen der nun größeren Verstärkung des ersten Operationsverstärkers die Dimensionierung des Abgleichnetzwerkes ändern muss.
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Mit Hilfe des Widerstands Rz lässt sich die Schwellwertgerade hinsichtlich ihres Anstiegs verändern und so an den Messbereich anpassen. Auf diese Weise kann der Schnittwinkel α zwischen der Messwertgeraden und der Schwellwertgeraden so verändert werden, dass α möglichst groß ist.
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Zum Einstellen des Schaltpunkts, also des Schnittpunkts zwischen der Messwert- und der Schwellwertgeraden, wird in einer bevorzugten Ausführung das hochohmige Abgleichnetzwerk verwendet, das wenigstens einen, vorzugsweise zwei veränderliche Widerstände aufweist. Hierdurch lässt sich der Offset-Betrag des Messwertsignals verändern, so dass es zu einer Parallelverschiebung der Messwertgeraden und damit zu einem anderen Schnittpunkt mit der Schwellwertgeraden kommt.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Druckschalters,
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2 ein Schaltbild eines bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Druckschalters, und
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3 ein Diagramm mit typischen Signalverläufen.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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Dargestellt ist in der 1 schematisch, in Form eines Blockschaltbildes, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Druckschalters für nur zwei Anschlussleitungen, der also nur zwei Anschlüsse 1 und 2 aufweist. Zu dem dargestellten elektronischen Druckschalter gehören zunächst eine Widerstandsmessbrücke 3 als Messwertaufnehmer, eine der Widerstandsmessbrücke 3 nachgeschaltete Verstärkereinheit 4, ein der Verstärkereinheit 4 nachgeschalteter Komparator 5 und eine dem Komparator 5 nachgeschaltete Schaltstufe 6.
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Nicht dargestellt ist, dass die Widerstandsmessbrücke 3 als DMS-Druckmesszelle mit einer Stahlmembran und auf der Stahlmembran aufgebrachten Dehnungsmessstreifen als Nutzwiderstände 7 ausgeführt ist. Wie eingangs erläutert, kann mittels eines niederohmigen Widerstandsnetzwerks (nicht gezeigt), das in Reihe zu den Nutzwiderständen 7 auf der Stahlmembran aufgebracht ist, ein Grobabgleich mit einer Abgleich-Macht von +/–2500% auf maximal +/–100% realisiert werden. Damit dieses niederohmige Widerstandsnetzwerk den gleichen Temperaturkoeffizienten hat wie die eigentliche Widerstandsmessbrücke 3, sind dessen Widerstände aus der gleichen Widerstandspaste wie die Nutzwiderstände 7 der Widerstandsmessbrücke auf der nicht dargestellten Stahlmembran aufgebracht. Eine weitere Abgleichmaßnahme für einen Feinabgleich mit einer Abgleich-Macht von +/–100% auf 0% wird durch ein hochohmiges Abgleichnetzwerk 8 mit Abgleichwiderständen 9 und 10 realisiert. Dieses hochohmige Abgleichnetzwerk 8 benötigt nicht mehr zwingend den gleichen Temperaturgang wie die Nutzwiderstände 7 der Widerstandsmessbrücke 3, weil infolge der Spannungsteilerschaltung und der niedrigeren Abgleichwirkung der Temperatureinfluss erträglich bleibt. Die Abgleichmaßnahmen selbst erfolgen üblicherweise werkseitig mittels Lasertrimmen.
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Dieses hochohmige Abgleichnetzwerk ist des Weiteren zur Einstellung des Schaltpunkts SP vorgesehen. Hierfür sind die variablen Widerstände 9 und 10 vorgesehen. Der Querwiderstand dieses Abgleichnetzwerkes 8 kann im dreistelligen Kiloohmbereich liegen.
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Schließlich zeigt die 1 noch insoweit ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Druckschalters, als die Schaltstufe 6 als ein vom Ausgang des Komparators 5 angesteuerter Shuntregler 14 ausgeführt ist. Der Shuntregler 14 sorgt dafür, dass der Spannungsabfall im leitenden Zustand auf 2,5 Volt geregelt wird
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Wie die 2 zeigt, ist bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines elektronischen Druckschalters die Verstärkereinheit 4 als asymmetrischer Instrumentenverstärker ausgeführt. Auf die detaillierte Darstellung der Schaltstufe 6 und des Längsreglers 13 wurde aus Einfachheitsgründen verzichtet, da sie für den Erfindungsgedanken auch nicht wesentlich sind. Die Verstärkereinheit 4 weist zwei Operationsverstärker 11, 12 auf, die monolithisch aus einem Chip gefertigt sind. Die Ausgänge der Widerstandsmessbrücke 3 mit den Nutzwiderständen 7 sind an gleichnamige Eingänge der Operationsverstärker 11, 12, nämlich an die nicht-invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 11, 12 angeschlossen. Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker 11, 12 sind direkt an die Eingänge des Komparators 5 angeschlossen.
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Zum Einstellen des Schaltpunkts SP, also des Schnittpunkts zwischen der Messwert- und der Schwellwertgerade, ist das Abgleichnetzwerk 8 vorgesehen, das als Spannungsteiler aufgebaut ist und wenigstens einen, vorzugsweise zwei veränderliche Widerstände 9, 10 aufweist. Hierdurch lässt sich der Offset-Betrag des Messwertsignals verändern, so dass es zu einer Parallelverschiebung der Messwertgerade MG und damit zu einem anderen Schnittpunkt mit der Schwellwertgerade SG kommt.
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Mit Hilfe des Widerstands Rz lässt sich die Schwellwertgerade SG hinsichtlich ihres Anstiegs verändern. Auf diese Weise lässt sich der Schnittwinkel α zwischen den beiden Geraden verändern. Wie eingangs beschrieben, besteht der Erfindungsgedanke darin, den Winkel α möglichst groß werden zu lassen, trotz des niedrigen Analogspannungsbereiches von nur 1,8 Volt.
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Konkret lässt sich ohne weiteres erreichen, dass bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter im gesperrten Zustand der Reststrom maximal 0,5 Milliampere ist und der Spannungsabfall im leitenden Zustand maximal 2,5 Volt beträgt. Im Einzelnen können realisiert werden: für die Widerstandsmessbrücke 3 ein Versorgungsstrom von 90 Mikroampere, für die Verstärkereinheit 4 ein Versorgungsstrom von 110 Mikroampere, für den Komparator 5 ein Versorgungsstrom von 50 Mikroampere, für das Abgleichnetzwerk 8 ein Versorgungsstrom von 25 Mikroampere und für den Längsregler 13 ein Versorgungsstrom von 50 Mikroampere sowie am Shuntregler 14 – und damit am erfindungsgemäßen Druckschalter insgesamt – im leitenden Zustand ein Spannungsabfall von 2,5 Volt. Im Ergebnis ist der erfindungsgemäße elektronische Druckschalter mit einer Leistungsaufnahme von ca. 1,25 mW sehr leistungsarm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69120203 T2 [0005]
- DE 102007007406 A1 [0006, 0008, 0016]
