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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltung sowie ein Feldgerät mit einer solchen.
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In der Prozess- ebenso wie in der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, wie beispielsweise Füllstandmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung der Prozessgrößen werden Aktoren verwendet, wie Ventile oder Pumpen, über die z.B. der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geändert wird. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
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Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff Feldgerät sind somit alle Typen von Messgeräten und Aktoren zu subsumieren. Weiterhin umfasst der Begriff Feldgerät aber auch z.B. ein Gateway, einen Funkadapter oder andere in ein Bussystem integrierte/integrierbare Busteilnehmer.
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Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress+Hauser angeboten und vertrieben.
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Gemeinsam haben alle Feldgeräte, dass sie eine elektronische Schaltung zur Funktionserfüllung benötigen. Diese elektronische Schaltung sorgt dann u. A. dafür, dass bspw. eine erfasste Prozessgröße in ein Messsignal umgesetzt wird, welches bspw. über einen Feldbus an eine übergeordnete Einheit weitergeleitet wird.
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Um derartige Feldgeräte auch in sicherheitskritischen Bereichen, bspw. in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Bereich) einsetzen zu können bedarf es oftmals innerhalb der elektrischen Schaltung einer Trennung von Ex-Bereichen und Nicht-Ex-Bereichen. Hierzu bedient man sich einer galvanischen Trennung, welche sich auf das Trennen verschiedener Abschnitte bzw. Bereiche der elektrischen Schaltung bezieht, sodass kein Strom von einem Abschnitt bzw. Bereich zu einem anderen Abschnitt bzw. Bereich fließen kann.
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Beispielhaft sei hier an einen Transformator gedacht, der mittels einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung eine galvanische Trennung bezüglich einer Energieübertragung realisiert.
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Zur galvanischen Trennung eines Datensignals werden dabei typischerweise andere Arten von galvanischen Trennungen verwendet, wie bspw. optisch basierte galvanische Trennungen, z. B. Optokoppler.
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Derartige Optokoppler weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie erstens einen hohen Leistungsbedarf haben und zweitens aufgrund der empfindlichen Datenwideraufbereitung aus kleinen Signalen sehr störempfindlich gegenüber äußeren Störsignalen, bspw. EMV-Einflüsse, sind.
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Ein weiterer nachteiliger Effekt solcher Optokoppler ist, dass diese bzw. die darin integrierten LEDs, einem Alterungsprozess unterliegen, sodass Vorkehrungen getroffen werden müssen, um diesen Alterungsprozess bei Bedarf auszugleichen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine vereinfachte Datenübertragung über eine galvanische Trennung hinweg ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung und ein Feldgerät gelöst.
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Hinsichtlich der elektrischen Schaltung wird die Aufgabe durch eine elektrische Schaltung gelöst, die zumindest einen ersten Schaltungsbereich und einen zweiten Schaltungsbereich aufweist, wobei der erste Schaltungsbereich und der zweite Schaltungsbereich über eine galvanische Trennung voneinander getrennt sind, wobei der erste Schaltungsbereich ein erstes Kopplungselement und der zweite Schaltungsbereich ein zweites Kopplungselement aufweist, wobei über das erste und zweite Kopplungselement mittels Ultraschall eine Datenübertragung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsbereich erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Schaltung vorgeschlagen, bei der eine Datenübertragung bzw. auch Signalübertragung zwischen einem ersten Schaltungsbereich bzw. Schaltungsabschnitt, bspw. einem Ex-Bereich und einem zweiten Schaltungsbereich bzw. Schaltungsabschnitt, bspw. einem Nicht-Ex-Bereich, die durch eine galvanische Trennung voneinander getrennt sind, auf Basis von Ultraschallwellen erfolgt.
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Als Ultraschall werden Schallwellen mit einer Frequenz oberhalb von in etwa 16 kHz bezeichnet. Zur Übertragung von Daten wird den Ultraschallwellen bspw. ein Signal aufmoduliert, welches anschließend mittels des ersten Kopplungselementes über die galvanische Trennung bzw. durch dieses Hindurch übertragen wird.
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Ein derartiges Übertragungssystem bietet im Vergleich zu einem Optokoppler den Vorteil, dass die durch das zweite Kopplungselement empfangenen Signale deutlich höher sind und somit die zur Signalaufbereitung benötigten Mittel einfacher, billiger und insbesondere auch weniger störempfindlich sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass sich ein derartiges Kopplungselement auch problemlos vergießen lässt und dass ein auf Ultraschall basierendes Kopplungselement bezüglich seiner Datenübertragung bidirektional, d.h. sowohl zum Senden als auch Empfangen, verwendet werden kann. Die eingangs erwähnten Optokoppler benötigen hierzu zumindest zwei Elemente, wobei ein Element zum Senden der Daten und das andere Element zum Empfangen ausgebildet sind. Dies führt zu einem geringeren Platzbedarf des Ultraschallwandlers sowie niedrigeren Kosten.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich daraus, dass im Vergleich zu den bekannten Optokopplern ein geringerer Energiebedarf benötigt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung sieht vor, dass das erste und zweite Kopplungselement jeweils ein Ultraschallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschall umfasst.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung sieht vor, dass der erste und der zweite Schaltungsbereich sowie die galvanische Trennung auf einer gemeinsamen Leiterplatte ausgebildet sind. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass der erste Schaltungsbereich auf einer ersten Leiterplattenseite und der zweite Schaltungsbereich auf einer zweiten Leiterplattenseite der gemeinsamen Leiterplatte ausgebildet sind und die gemeinsame Leiterplatte als galvanische Trennung oder Ex-Barriere mit fester Isolation nach IEC DIN EN 60079 dient.
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Da Ultraschallwellen sich auch durch Festkörper ausbreiten, ist es im Vergleich zu Optokopplern möglich, jeweils ein Ultraschallwandler auf einer Seite der Leiterplatte zu platzieren, sodass bspw. ein erster Ultraschallwandler sich auf der Vorderseite und ein zweiter Ultraschallwandler auf der Unterseite der (gleichen) Leiterplatte befindet, umso die Leiterplatte selbst als galvanische Trennung oder Ex-Barriere zu verwenden.
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Allgemeine Anforderungen an die Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung von elektrischen Geräten und Ex-Bauteilen, die für die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Bereichen) bestimmt sind, legt die Norm IEC DIN EN 60079 mit Ausgabedatum vom Juni 2014 fest. Auf diese wird an dieser Stelle bezüglich der Ausgestaltung der Ex-Barriere bezuggenommen.
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Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung sieht vor, dass der erste Schaltungsbereich auf einer ersten Leiterplatte und der zweite Schaltungsbereich auf einer zweiten Leiterplatte ausgebildet sind. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Optokopplern, die immer räumlich „auf“ der galvanischen Trennung liegen müssen, lassen sich somit Ultraschallwandler als Kopplungselemente auf unterschiedlichen Leiterplatten anordnen. Durch diese räumlich verteilte Anordnung lässt sich bspw. neben Luft auch eine Vergussmasse, in die die Leiterplatten eingebettet sind, als galvanische Trennung verwenden. Beispiele für derartige Vergussmassen sind Silgel, Lord oder auch Nafturan.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung sieht vor, dass die elektrische Schaltung zumindest einen weiteren Schaltungsbereich umfasst, der ebenfalls von dem ersten und/oder zweiten Schaltungsbereich galvanisch getrennt ist, wobei der zumindest einen weiteren Schaltungsbereich einen weiteren Ultraschallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschall aufweist. Gemäß dieser Ausgestaltung weist die elektrische Schaltung einen weiteren Schaltungsbereich auf, der entweder auf der gleichen Leiterplatte wie der erste und/oder zweite Schaltungsbereich angeordnet sein kann, oder der auf einer weiteren Leiterplatte, bspw. der zweiten oder auch einer dritten Leiterplatte, angeordnet sein kann.
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Hinsichtlich des Feldgerätes wird die Aufgabe durch ein Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Bestimmen oder Stellen einer Prozessgröße mit einer elektrischen Schaltung, die gemäß zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist, gelöst.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät,
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2: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät,
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3: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät,
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4: ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät 1. Exemplarisch dargestellt ist eine Leiterplatte 2 auf der eine elektrische Schaltung realisiert ist. Die Leiterplatte dient, in dem in 1 dargestellten Fall, als gemeinsame Leiterplatte für einen ersten Schaltungsbereich 3 und einen zweiten Schaltungsbereich 4. Denkbar ist aber auch eine Ausführung, bei der die Schaltungsbereiche auf jeweils unterschiedlichen Leiterplatten oder Leiterplattenseiten ausgebildet sind.
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Die Leiterplatte bzw. Leiterplatten ist bzw. sind in einem Gehäuse des Feldgerätes 1 angeordnet und dienen bspw. dazu, ein Messwert eines Sensorelementes, welches einem Medium zur Erfassung einer Prozessgröße ausgesetzt ist, weiterzuverarbeiten und den Messwert in geeigneter Weise auszugeben, bspw. über einen Feldbus an ein Leitsystem bzw. übergeordnete Einheit.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen den Schaltungsbereichen eine Trennbarriere 5 in Form einer Festisolationsbarriere vorhanden, umso eine galvanische Trennung zwischen einem explosionsgefährdeten Bereich („Ex-Bereich“) 8 und einem nicht explosionsgefährdeten Bereich („Nicht-Ex-Bereich“) 9 zu realisieren. Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der galvanischen Trennung, in 2 dargestellt, ist die Schaltungsbereich auf unterschiedliche Seiten der gemeinsamen Leiterplatte 1 auszubilden und die Leiterplatte an sich als Trennbarriere zu verwenden.
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Sowohl der Schaltungsbereich innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs 9 als auch der Schaltungsbereich innerhalb des nicht-explosionsgefährdeten Bereichs 8 bzw. außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs weisen jeweils einen Ultraschallwandler auf, der einen Ultraschall in ein elektrisches Signal oder umgekehrt wandelt. Auf diese Weise lassen sich bspw. durch Aufmodulation der zu übertragenden Daten auf den Ultraschall eine Datenübertragung über die galvanische Trennung hinweg realisieren.
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Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem für ein einziges Kopplungselement mittels Optokopplern zwei Kopplungspfade (separater Hin- und Rückpfad) benötigt werden, muss bei Verwendung von Ultraschallwandlern aufgrund der Bidirektionalität nur ein Kopplungspfad verwendet werden.
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Somit bietet die Verwendung eines einzigen Kopplungselementes in Form eines Ultraschallwandlers sowohl zum Senden als auch Empfangen, den Vorteil, dass ein geringerer Platzbedarf auf der Leiterplatte benötigt wird.
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Neben den Ultraschallwandlern 6, 7 weist jeder Schaltungsbereich 3, 4 Signalaufbereitungselemente 10 auf, die mit dem Ultraschallwandler verbunden sind. Die Signalaufbereitungselemente 10 dienen dazu, ein elektrisches Signal in ein Ultraschallsignal zu wandeln, umso Daten, die über die galvanische Trennung 5 hinweg übertragen werden sollen, auf das Ultraschallsignal aufzumodulieren. Es versteht sich von selbst, dass in dem Fall, in welchem der Ultraschallwandler als Empfänger dient, die Signalaufbereitungselemente 10 dazu dienen, das empfangene Ultraschallsignal in ein elektrisches Signal zu wandeln, umso die über die galvanische Trennung hinweg übertragenen Daten wieder in ein elektrisches Signal zu wandeln.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät 1, bei dem ein erster Ultraschallwandler 6 auf einer Oberseite 11 und ein zweiter Ultraschallwandler 7 auf einer Unterseite 12 einer gemeinsamen Leiterplatte 2 angeordnet sind. Somit befindet sich ein erster Schaltungsbereich 3 auf der Oberseite 11 und ein zweiter Schaltungsbereich 4 auf der Unterseite 12 der Leiterplatte 2.
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Der erste Schaltungsbereich 3 umfasst neben dem ersten Ultraschallwandler 6 zumindest noch ein Signalaufbereitungselement 10 zum Wandeln eines elektrischen Signals in ein Ultraschallsignal und umgekehrt. Das gleiche gilt für den zweiten Schaltungsbereich 4.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät 1, bei dem neben dem ersten und zweiten Schaltungsbereich 3, 4, die auf unterschiedlichen Leiterplattenseiten 11, 12 angeordnet sind, sich zwei weitere Schaltungsbereiche 14 auf der Leiterplatte 2 befinden. Denkbar ist natürlich auch, dass sich nur ein weiterer, in dem Fall ein dritter oder mehrere weitere Schaltungsbereiche auf der Leiterplatte befinden.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Leiterplatte selbst als galvanische Trennung 5 zwischen den einzelnen Schaltungsbereichen.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem Feldgerät 1, bei dem die Schaltungsbereiche auf unterschiedlichen Leiterplatten 2, 13 ausgebildet sind, sodass sich bspw. ein erster Schaltungsbereich 3 mit zumindest einem ersten Ultraschallwandler 6 und einem entsprechenden Signalaufbereitungselement 10 auf einer ersten Leiterplatte 2 und ein zweiter Schaltungsbereich 4 mit zumindest einem zweiten Ultraschallwandler 7 und einem entsprechenden zweiten Signalaufbereitungselement 10 auf einer zweiten Leiterplatte 13 befindet. Eine galvanische Trennung 5 wird in diesem Ausführungsbeispiel dann bspw. durch Luft oder durch eine Vergussmasse, in der die Leiterplatten 2, 13 vorzugsweise eingebettet sind, realisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feldgerät
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Erster Schaltungsbereich bzw. Stromkreis
- 4
- Zweiter Schaltungsbereich bzw. Stromkreis
- 5
- Galvanische Trennung bzw. Trennbarriere
- 6
- Erster Ultraschallwandler
- 7
- Zweiter Ultraschallwandler
- 8
- Ex-Bereich
- 9
- Nicht-Ex-Bereich
- 10
- Signalaufbereitungselement(e)
- 11
- Erste Leiterplattenseite
- 12
- Zweite Leiterplattenseite
- 13
- Weitere, insbesondere zweite Leiterplatte
- 14
- Weiterer, insbesondere dritter Schaltungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC DIN EN 60079 [0020]
- Norm IEC DIN EN 60079 [0022]
