DE102014225098A1 - Sensor for process measuring technology - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Prozessmesstechnik, mit einem Messwertaufnehmer (3) zur Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal und einer aus einem Differenzverstärker (10) und einer Endstufe (15) bestehenden Verstärkereinheit, zur Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals für eine externe Auswerteeinheit (4) in ein auswertbares Sensorsignal, wobei die Endstufe (15) am Ausgang das Sensorsignal analog zur Verfügung stellt und als Emitterfolger ausgeführt ist. Um unabhängig von äußeren Einflüssen eine schnelle Prozesswertminderung unverzüglich in dem analogen Sensorsignal am Ausgang abzubilden und einen Ausgangsspannungswert nahe Null zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Ausgangswiderstand (RA) des Emitterfolgers (15) eine Last (20) in Form eines Binärwiderstands parallelgeschaltet ist, dessen Widerstandswert abhängig von der Messsignalhöhe und/oder des zeitlichen Verlaufs des Messsignals ist.The invention relates to a sensor for process measuring technology, comprising a measuring transducer (3) for detecting and converting a physical measured variable of a process value into a measuring signal and an amplifier unit consisting of a differential amplifier (10) and an output stage (15) for amplifying and conditioning the measuring signal for an external evaluation unit (4) into an evaluatable sensor signal, wherein the output stage (15) provides the sensor signal at the output analog and is implemented as an emitter follower. In order to map a rapid process value reduction immediately in the analog sensor signal at the output and to allow an output voltage value close to zero regardless of external influences, the invention provides that a load (20) in the form of a binary resistor is connected in parallel to the output resistance (RA) of the emitter follower (15) whose resistance value is dependent on the measurement signal level and / or the time profile of the measurement signal.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Prozessmesstechnik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a sensor for process measuring technology according to the preamble of claim 1.

Ein Sensor der in Rede stehenden Art umfasst im Wesentlichen einen Messwertaufnehmer und eine Verstärkereinheit. Der Messwertaufnehmer, sozusagen das eigentliche Sensorelement, dient zur Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal. In der Prozessmesstechnik dient der Messwertaufnehmer insbesondere zur Erfassung von Druck, Temperatur, Strömung bzw. Durchfluss oder Füllständen eines Mediums in einem Behälter. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch weitere physikalische Größen denkbar. Wie die jeweiligen Messwertaufnehmer zur Erfassung der entsprechenden physikalischen Größen im Einzelnen ausgestaltet sind, ist hinlänglich bekannt, so dass hierzu im Einzelnen nicht eingegangen werden muss.A sensor of the type in question essentially comprises a transducer and an amplifier unit. The transducer, so to speak the actual sensor element, serves to detect and convert a physical measured variable of a process value into a measuring signal. In process measuring technology, the sensor serves in particular for detecting pressure, temperature, flow or flow or levels of a medium in a container. In addition, of course, other physical sizes are conceivable. As the respective transducers are designed to detect the corresponding physical quantities in detail, is well known, so that it need not be discussed in detail.

Nachdem der Messwertaufnehmer den erfassten Prozesswert in ein Messsignal – typischerweise ein Spannungssignal – umgewandelt hat, muss dieses Signal verstärkt werden, um es weiterverarbeiten zu können. Hierfür wird üblicherweise auf eine aus einem Differenzverstärker und einer Endstufe bestehenden Verstärkereinheit zurückgegriffen. Nach der Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals kann das Sensorsignal bspw. in einer übergeordneten Steuereinheit (SPS) zur weiteren Auswertung und Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. After the sensor has converted the acquired process value into a measuring signal, typically a voltage signal, this signal must be amplified in order to process it further. For this purpose, it is customary to use an amplifier unit consisting of a differential amplifier and an output stage. After the amplification and processing of the measurement signal, the sensor signal can be provided, for example, in a higher-level control unit (PLC) for further evaluation and processing.

Grundsätzlich sind Messgeräte darin zu unterscheiden, ob das Sensorsignal am Ausgang analog in Form eines 4–20 mA- bzw. 0–10 V-Signals anliegt oder als binäres Schaltsignal, um das Über- oder Unterschreiten eines definierten Schwellwertes anzuzeigen. Die Erfindung geht vorliegend davon aus, dass die Endstufe am Ausgang das Sensorsignal analog, insbesondere in Form eines 0–10 V-Signals zur Verfügung stellt.Basically, measuring instruments are to be distinguished in whether the sensor signal at the output is applied analogously in the form of a 4-20 mA or 0-10 V signal or as a binary switching signal to indicate that the threshold value has been exceeded or not reached. The present invention is based on the assumption that the output stage provides the sensor signal analog at the output, in particular in the form of a 0-10 V signal.

Bei einer schnellen Prozesswertminderung, d.h. ein sich schnell verringernder Prozesswert, kann es vorkommen, dass sich diese Minderung erst nach einer gewissen Verzögerung in dem analogen Ausgangssignal abbildet. Grund hierfür sind bspw. Zeitkonstanten, die durch Kapazitäten am Ausgang (z.B. Eingangskondensator einer SPS oder Störschutzkondensatoren am Sensor selbst) gebildet werden. With a rapid process value reduction, i. a rapidly decreasing process value, it may happen that this reduction only takes place after a certain delay in the analogue output signal. The reason for this is, for example, time constants which are formed by capacitances at the output (for example input capacitor of a PLC or interference suppression capacitors on the sensor itself).

Ein weiteres Problem ist, dass analoge Spannungsendstufen ohne negative Versorgung ihren Ausgangswert nicht ideal auf 0 Volt absenken können. Grund hierfür sind bspw. Steuerströme, die über den Ausgang des Transistors abgeleitet werden, oder als Pullup wirkende Widerstände am analogen Eingang der externen Steuer-/Auswerteeinheit als Empfänger des Ausgangssignals. Deshalb ist bisher ein relativ niederohmiger Widerstand im Bereich von etwa 2 kOhm als interne Last vorgesehen, was jedoch bei hohen Ausgangsspannungswerten des Sensorsignals aufgrund des hohen Stromflusses zu einem hohen Leistungsverbrauch führt. Die Dimensionierung der Last war letztendlich ein Kompromiss zwischen drei Anforderungen: Leistungsaufnahme, Dynamik während einer Prozesswertminderung und einem möglichst niedrigen Spannungsausgangswert bei Sollwert 0 Volt.Another problem is that analog voltage output stages without negative supply can not ideally lower their output to 0 volts. Reason for this are, for example, control currents which are derived via the output of the transistor, or acting as a pull-up resistors at the analog input of the external control / evaluation unit as a receiver of the output signal. Therefore, so far, a relatively low resistance in the range of about 2 kohms is provided as an internal load, but at high output voltage values of the sensor signal due to the high current flow leads to high power consumption. The dimensioning of the load was ultimately a compromise between three requirements: power consumption, dynamics during a process value reduction and the lowest possible voltage output value at setpoint 0 volts.

Ausgehend davon stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den eingangs beschriebenen Sensor derart weiterzubilden, dass sich – unabhängig von äußeren Einflüssen – eine schnelle Prozesswertminderung unverzüglich in dem analogen Sensorsignal am Ausgang abbildet und einen Ausgangsspannungswert nahe Null ermöglicht.Based on this, the invention has the object of developing the sensor described above such that - regardless of external influences - a rapid process value reduction imaged immediately in the analog sensor signal at the output and allows an output voltage value near zero.

Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.The indicated object is achieved by a sensor with the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Ausführung der Endstufe als Emitterfolger. Erfindungsgemäß ist nun dem Ausgangswiderstand des Emitterfolgers eine Last in Form eines Binärwiderstands parallelgeschaltet, dessen Widerstandswert abhängig von der Messsignalhöhe und/oder des zeitlichen Verlaufs des Messsignals ist. Der Binärwiderstand nimmt dabei entweder einen relativ niederohmigen Wert im unteren Kiloohm-Bereich, vorzugsweise im Bereich 0,5 bis 1 kOhm an, oder er ist unendlich groß. The starting point of the invention is the execution of the final stage as an emitter follower. According to the invention, the output resistance of the emitter follower is connected in parallel with a load in the form of a binary resistor whose resistance value is dependent on the measurement signal level and / or the time profile of the measurement signal. The binary resistance either assumes a relatively low value in the lower kiloohm range, preferably in the range 0.5 to 1 kOhm, or it is infinitely large.

Im Falle einer schnellen Prozesswertminderung und/oder bei einem Messsignal von 0 V nimmt die Last den niederohmigen Wert an und unterstützt somit den Ausgangswiderstand des Emitterfolgers, den Spannungsüberschuss schnell abzuleiten, damit das Sensorsignal der Prozesswertminderung schnell folgen kann bzw. eine Ausgabe eines Ausgangsspannungswertes nahe 0 Volt, d.h. typischerweise im Bereich < 15 mV, überhaupt erst möglich ist.In the case of a rapid reduction of the process value and / or with a measuring signal of 0 V, the load assumes the low-impedance value and thus supports the output resistance of the emitter-follower to quickly divert the excess voltage so that the sensor signal can quickly follow the process value reduction or an output voltage value close to 0 Volts, ie typically in the range <15 mV, is possible in the first place.

Anderenfalls, d.h. wenn keine schnelle Prozesswertminderung vorliegt und/oder das Messsignal nicht im Bereich von 0 V liegt, nimmt die Last den unendlich großen Widerstandswert ein, so dass durch sie kein Strom fließt und damit nicht als Verbraucher wirkt.Otherwise, i. if there is no rapid reduction in process value and / or the measuring signal is not in the range of 0 V, the load assumes the infinitely high resistance value so that no current flows through it and thus does not act as a consumer.

Der Kern der Erfindung besteht somit darin, die Last nur dann wirken zu lassen, wenn sie gebraucht wird. Auf diese Weise kann die Last so dimensioniert werden, dass sie im Falle ihrer Nutzung optimal wirkt. Denn wenn sie nicht gebraucht wird, stellt sie aufgrund ihres unendlich hohen Widerstands keinen Verbraucher dar.The essence of the invention is thus to make the load act only when needed. In this way, the load can be dimensioned so that it acts optimally in the event of their use. Because if it is not needed, it is not a consumer due to its infinitely high resistance.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail in connection with figures with reference to embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors und 1 a first embodiment of the sensor according to the invention and

2 ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors. 2 a second, alternative embodiment of the sensor according to the invention.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.In the following figures, unless otherwise stated, like reference numerals designate like parts with the same meaning.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors 1. Der Sensor 1 besteht im Wesentlichen aus der eigentlichen Sensorschaltung 2, an deren Ausgang eine externe Auswerteinheit 4 anschließbar ist, und der erfindungsgemäßen Last 20. 1 shows a first embodiment of the sensor according to the invention 1 , The sensor 1 consists essentially of the actual sensor circuit 2 , at whose output an external evaluation unit 4 is connectable, and the load according to the invention 20 ,

Die Sensorschaltung 2 besteht dabei aus einem Messwertaufnehmer 3, zur Erfassung und Umwandlung eines Prozesswerts in ein Messsignal, und einer nachgeschalteten Verstärkereinheit, bestehend aus einem Differenzverstärker 10 und einer Endstufe 15, zur Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals. Darüber hinaus ist das Messsignal wahlweise mit einem Offset 5 beaufschlagbar.The sensor circuit 2 consists of a transducer 3 for detecting and converting a process value into a measuring signal, and a downstream amplifier unit, consisting of a differential amplifier 10 and an amplifier 15 , for amplification and processing of the measuring signal. In addition, the measuring signal is optionally with an offset 5 acted upon.

Bislang war allein der Ausgangswiderstand RA des Emitterfolgers 15 als interne Last dafür vorgesehen, überschüssige Spannungen zu reduzieren. Dieser Widerstand wurde im relativ niederohmigen Bereich von etwa 2 kOhm dimensioniert, wodurch aber bei einer maximalen Ausgangsspannung UANA ein vergleichsweise hoher Strom floss. Die Dimensionierung der Last war letztlich ein Kompromiss zwischen Verbrauch und Dynamik während einer Prozesswertminderung bzw. statischem Mindestwert bei Sollwert 0 Volt. Durch die nun vorliegende Möglichkeit, zur Unterstützung von RA nach Bedarf eine zusätzliche Last zuzuschalten, kann RA höherohmiger dimensioniert werden, bspw. im Bereich von 10 kOhm, so dass sich der Verbrauch über diesem Widerstand und damit der Verbrauch des gesamten Sensors 1 erheblich reduzieren lässt.So far, only the output resistance R A of the emitter follower was 15 as an internal load designed to reduce excess voltages. This resistor was dimensioned in the relatively low-resistance range of approximately 2 kOhm, whereby, however, a comparatively high current flowed at a maximum output voltage U ANA . The dimensioning of the load was ultimately a compromise between consumption and dynamics during a process value reduction or static minimum value at setpoint 0 volts. Due to the possibility now present of adding an additional load as needed to support R A , R A can be dimensioned to have a higher impedance, for example in the range of 10 k ohms, so that the consumption exceeds this resistance and thus the consumption of the entire sensor 1 can be reduced considerably.

Die Erfindung besteht folglich im Anhängen der Last 20, die je nach Situation entweder einen relativ niederohmigen oder einen unendlich großen Widerstandswert aufweist. Die Last 20 besteht dabei funktional aus drei Einheiten: einer ersten Transistorstufe 21a, einem Tiefpass und einer zweiten Transistorstufe 23. Die zweite Transistorstufe 23 umfasst dabei den eigentlichen Lastwiderstand RL, welcher einen Widerstandswert im Bereich 0,5 bis 1 kOhm aufweist.The invention thus consists in attaching the load 20 which, depending on the situation, has either a relatively low resistance value or an infinitely high resistance value. Weight 20 consists of three functional units: a first transistor stage 21a , a low pass and a second transistor stage 23 , The second transistor stage 23 in this case comprises the actual load resistance R L , which has a resistance value in the range 0.5 to 1 kOhm.

Nachfolgend wird nun die wesentliche Funktionalität dieser Schaltung erläutert.The essential functionality of this circuit will now be explained.

Der Differenzverstärker 10 verstärkt die Eingangsspannung UE, welche dem Messsignal entspricht, in die Ausgangsspannung UANA um den Verstärkungsfaktor V, welcher durch die Dimensionierung der Widerstände R1–R4 definiert wird. Nachdem das verstärkte Sensorsignal die Endstufe 15 passiert hat, wird es an den Differenzverstärker 10 rückgekoppelt, so dass ein permanenter Soll-Ist-Vergleich stattfindet. Wenn das Verhältnis UANA = V·UE stimmt, ist die erste Transistorstufe 21a so geschaltet, dass VCC gegen Masse abfließt, so dass die Last 20 insgesamt einen unendlichen großen Widerstand darstellt. Wenn nun aber bei einer insbesondere schnellen Prozesswertminderung oder bei einem Messsignal von 0 Volt der Istwert höher ist als der Sollwert und damit das Verhältnis UANA = V·UE aus den eingangs genannten Gründen nicht mehr stimmt, übersteuert der Ausgang des Operationsverstärkers nach 0 Volt und aktiviert damit die Last 20, d.h. schaltet zunächst die erste Transistorstufe 21a ab. Diese wiederrum gibt dadurch die Basisbestromung für die zweite Transistorstufe 23 aus VCC frei, welche zur Dämpfung des Schaltmoments zunächst das RC-Glied 22 passiert und dann in der zweiten Transistorstufe 23 den Lastwiderstand RL zuschaltet.The differential amplifier 10 amplifies the input voltage U E , which corresponds to the measurement signal, into the output voltage U ANA by the gain factor V, which is defined by the dimensioning of the resistors R 1 -R 4 . After the amplified sensor signal the power amplifier 15 has happened, it gets to the differential amplifier 10 fed back, so that a permanent target-actual comparison takes place. When the ratio U ANA = V * U E is true, the first transistor stage is 21a switched so that V CC drains to ground, leaving the load 20 overall represents an infinite great resistance. If, however, the actual value is higher than the desired value and therefore the ratio U ANA = V * U E is no longer correct for a particularly fast process value reduction or for a measurement signal of 0 volts, the output of the operational amplifier overrides to 0 volts and thus activates the load 20 , ie first switches the first transistor stage 21a from. This, in turn, gives the base current for the second transistor stage 23 from V CC free, which for damping the switching torque first, the RC element 22 happens and then in the second transistor stage 23 switches on the load resistor R L.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors 1. der grundsätzliche Aufbau ist insoweit gleich, als dass der Sensor 1 im Wesentlichen aus der Sensorschaltung 2, an deren Ausgang eine externe Auswerteinheit 4 anschließbar ist, und der erfindungsgemäßen Last 20 besteht. Unterschiede gibt es im Aufbau der ersten Transistorstufe 21b und dem Anschluss der Last 20 an die Sensorschaltung 2. 2 shows a second embodiment of the sensor according to the invention 1 , the basic structure is the same in so far as that the sensor 1 essentially from the sensor circuit 2 , at whose output an external evaluation unit 4 is connectable, and the load according to the invention 20 consists. There are differences in the structure of the first transistor stage 21b and the connection of the load 20 to the sensor circuit 2 ,

Im Unterschied zur Ausführung gem. 1, in der der Operationsverstärker die Last 20 aktiviert, solange das Verhältnis UANA = V·UE nicht stimmt, erfasst die Schaltung gemäß 2 die Signalhöhe am Ausgang der Endstufe 15. Die Überwachungsfunktion übernimmt hierbei die Z-Diode in Form ihrer Zener-Spannung UZ. Solange UANA > UZ zieht die erste Transistorstufe 21b die Basisbestromung aus VCC auf Masse, so dass wie im ersten Ausführungsbeispiel die Last 20 insgesamt einen unendlichen großen Widerstand einnimmt. Wenn UANA < UZ, gibt die erste Transistorstufe 21b die Basisbestromung aus VCC frei, welche zur Dämpfung des Schaltmoments wieder zunächst das RC-Glied 22 passiert und dann in der zweiten Transistorstufe 23 den Lastwiderstand RL zuschaltet.In contrast to the execution acc. 1 in which the operational amplifier is the load 20 activated, as long as the ratio U ANA = V · U E is not correct, detects the circuit according to 2 the signal level at the output of the power amplifier 15 , The monitoring function takes over the Zener diode in the form of its Zener voltage U Z. As long as U ANA > U Z pulls the first transistor stage 21b the base current from V CC to ground, so that as in the first embodiment, the load 20 Overall, it takes an infinite resistance. If U ANA <U Z, indicates the first transistor stage 21b the Basisbestromung from V CC free, which again for damping the switching torque, the RC element 22 happens and then in the second transistor stage 23 switches on the load resistor R L.

Claims (4)

Sensor für die Prozessmesstechnik, mit einem Messwertaufnehmer (3) zur Erfassung und Umwandlung einer physikalischen Messgröße eines Prozesswerts in ein Messsignal und einer aus einem Differenzverstärker (10) und einer Endstufe (15) bestehenden Verstärkereinheit, zur Verstärkung und Aufbereitung des Messsignals für eine externe Auswerteeinheit (4) in ein auswertbares Sensorsignal, wobei die Endstufe (15) am Ausgang das Sensorsignal analog zur Verfügung stellt und als Emitterfolger ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangswiderstand (RA) des Emitterfolgers (15) eine Last (20) in Form eines Binärwiderstands parallelgeschaltet ist, dessen Widerstandswert abhängig von der Messsignalhöhe und/oder des zeitlichen Verlaufs des Messsignals ist.Sensor for process measuring technology, with a sensor ( 3 ) for detecting and converting a physical measured quantity of a process value into a measuring signal and one from a differential amplifier ( 10 ) and an amplifier ( 15 ) existing amplifier unit, for amplification and processing of the measurement signal for an external evaluation unit ( 4 ) into an evaluable sensor signal, wherein the output stage ( 15 ) provides the sensor signal analog at the output and is designed as an emitter follower, characterized in that the output resistance (R A ) of the emitter follower ( 15 ) a burden ( 20 ) is connected in parallel in the form of a binary resistor whose resistance value is dependent on the measurement signal level and / or the time profile of the measurement signal. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (20) aus einer ersten Transistorstufe (21a, 21b), einem Tiefpass (22) und einer zweiten Transistorstufe (23) besteht.Sensor according to claim 1, characterized in that the load ( 20 ) from a first transistor stage ( 21a . 21b ), a low pass ( 22 ) and a second transistor stage ( 23 ) consists. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Transistorstufe (21a) mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (10) verbunden ist und damit die Last (20) aktivierbar ist, wenn an diesem Ausgang eine Spannung von 0 Volt anliegt.Sensor according to claim 2, characterized in that the first transistor stage ( 21a ) with the output of the differential amplifier ( 10 ) and thus the load ( 20 ) is activated, if at this output a voltage of 0 volts is applied. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Transistorstufe (21a) mit dem Ausgang der Endstufe (15) verbunden ist und eine Zener-Diode aufweist, durch die die Last (20) aktivierbar ist, wenn die Spannung am Ausgang der Endstufe (15) die Zener-Spannung unterschreitet.Sensor according to claim 2, characterized in that the first transistor stage ( 21a ) with the output of the amplifier ( 15 ) and has a Zener diode through which the load ( 20 ) can be activated if the voltage at the output of the output stage ( 15 ) falls below the Zener voltage.
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