DE102017203956B3

DE102017203956B3 - Method for operating a measuring instrument for process measurement both ratiometric and proportional to the process value

Info

Publication number: DE102017203956B3
Application number: DE102017203956.6A
Authority: DE
Inventors: Rolf Müller; Simon Büchele; Peter Kimbel; Heinz Walter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2037-03-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Messgeräts für die Prozessmesstechnik sowohl ratiometrisch als auch proportional zum Prozesswert mit einer Spannungsüberwachungseinheit (ÜS), die eine Komparator-Schaltung, eine Steuereinheit (SE), eine Regeleinheit (RE) und einen Längstransistor (T₃) als einstellbaren Längswiderstand umfasst. Die Komparator-Schaltung überwacht die Versorgungsspannung hinsichtlich eines vorgegebenen Schwellwerts, wobei in dem Fall, dass die Versorgungsspannung unterhalb dieses Schwellwert liegt, das Messgerät ratiometrisch betrieben wird und in dem Fall, dass die Versorgungsspannung oberhalb dieses Schwellwert liegt, das Messgerät proportional zum Prozesswert betrieben wird.

The invention relates to a method for operating a measuring device for process measuring both ratiometric and proportional to the process value with a voltage monitoring unit (ÜS) comprising a comparator circuit, a control unit (SE), a control unit (RE) and a series transistor (T ₃ ) includes as adjustable series resistance. The comparator circuit monitors the supply voltage with respect to a predetermined threshold, wherein in the case that the supply voltage is below this threshold, the meter is operated ratiometrically and in the case that the supply voltage is above this threshold, the meter is operated in proportion to the process value ,

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Messgeräts für die Prozessmesstechnik sowohl ratiometrisch als auch proportional zum Prozesswert. Das Messgerät umfasst dabei einen Messaufnehmer, eine Auswerteelektronik zur Aufbereitung der vom Messaufnehmer generierten Messsignale, eine Ausgangsendstufe mit einem analogen Signalausgang, über den die aufbereiteten Messsignale an eine übergeordnete Steuereinheit übergeben werden, und eine Spannungsüberwachungseinheit, die die Versorgungsspannung für den Messwertaufnehmer, die Auswerteelektronik und die Ausgangsendstufe überwacht.The invention relates to methods for operating a measuring device for process measuring both ratiometric and proportional to the process value. The measuring device comprises a measuring transducer, an evaluation electronics for processing the measurement signals generated by the sensor, an output power amplifier with an analog signal output, via which the processed measurement signals are transferred to a higher-level control unit, and a voltage monitoring unit, the supply voltage for the transducer, the evaluation and monitors the output stage.

Messgeräte der vorgenannten Art werden in der Automatisierungstechnik dazu eingesetzt, die Eigenschaften eines Fluids, bspw. hinsichtlich Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand, zu überwachen. Die Besonderheit von ratiometrisch arbeitenden Messgeräten ist dabei, dass sie ihr analoges Ausgangssignal proportional zur anliegenden Versorgungsspannung einstellen. Weicht diese Proportionalität ab, entsteht ein Ratiometriefehler. Ein typischer Versorgungsspannungs-Bereich für ratiometrische Messgeräte liegt zwischen 4,5 und 5,5 V und darf üblicherweise nur um 1 ...2 Volt überschritten werden. Auch durch Schaltvorgänge im Anwenderfeld verursachte Spannungstransienten können zur Zerstörung des Messgeräts führen.Measuring devices of the aforementioned type are used in automation technology to monitor the properties of a fluid, for example in terms of pressure, temperature, flow, level. The peculiarity of ratiometric measuring instruments is that they set their analog output signal proportional to the applied supply voltage. If this proportionality deviates, a ratiometric error arises. A typical supply voltage range for ratiometric measuring devices is between 4.5 and 5.5 V and may usually only be exceeded by 1 to 2 volts. Even voltage transients caused by switching operations in the user field can lead to the destruction of the measuring device.

Zum Schutz eines solchen ratiometrisch arbeitenden Messgeräts vor Überspannungen schlägt die nachveröffentlichte Druckschrift DE102016218074B3 - auf die hiermit Bezug genommen wird - eine Überspannungsschutzeinheit vor, die eine Steuereinheit, eine Regeleinheit und einen Längstransistor als einstellbaren Längswiderstand umfasst, wobei der Längstransistor einen minimalen Längswiderstand < 1 Ω einnehmen kann. Die Regeleinheit ist mit dem Längstransistor verbunden und dafür vorgesehen, die Versorgungsspannung durch Ansteuerung des Längswiderstands auf einen vorgegebenen maximalen Spannungswert zu begrenzen. Die Steuereinheit umfasst dabei zwei jeweils als Differenzierer ausgeführte Transistorschaltungen mit einer ersten und einer zweiten Zeitkonstante. Eine der beiden Transistorschaltungen ist mit dem Längstransistor derart verbunden, dass dieser bei kurzen, schnellen Spannungsänderungen sperrt, der Längswiderstand dadurch hochohmig wird und folglich die Versorgung von Messwertaufnehmer, Auswerteelektronik und Ausgangsendstufe unterbrochen ist. Die andere Transistorschaltung aktiviert die Regeleinheit, so dass nach der Sperrung des Längstransistors die Versorgungsspannung durch Ansteuerung des Längstransistors auf den vorgegebenen maximalen Spannungswert begrenzt wird.To protect such a ratiometric measuring device against overvoltages beats the post-published document DE102016218074B3 - to which reference is made here - an overvoltage protection unit, which comprises a control unit, a control unit and a series transistor as an adjustable series resistance, wherein the series transistor can take a minimum series resistance <1 Ω. The control unit is connected to the series transistor and provided for limiting the supply voltage by controlling the series resistance to a predetermined maximum voltage value. In this case, the control unit comprises two transistor circuits, each designed as a differentiator, with a first and a second time constant. One of the two transistor circuits is connected to the series transistor in such a way that it blocks in the event of short, fast voltage changes, the series resistance thereby becomes highly resistive, and consequently the supply of the sensor, evaluation electronics and output amplifier is interrupted. The other transistor circuit activates the control unit, so that after the blocking of the series transistor, the supply voltage is limited by driving the series transistor to the predetermined maximum voltage value.

Als weiterer Stand der Technik wird die DE10349629A1 genannt, die einen elektronischen Schaltkreis zum Bereitstellen einer geeigneten Lastspannung zur Versorgung einer elektronischen Last selbst in vorbestimmten Störungsfällen betrifft. Bei der ersten elektronischen Last handelt es sich insbesondere um ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug Kfz.As a further prior art, the DE10349629A1 called an electronic circuit for providing a suitable load voltage for supplying an electronic load even in predetermined cases of failure. The first electronic load is in particular a control unit in a motor vehicle motor vehicle.

Des Weiteren wird die US6,335,654B1 genannt, die sich auf Einschaltstromschutzschaltungen und insbesondere auf eine Einschaltstromsteuerschaltung zum Begrenzen des Einschaltstroms von einer Gleichspannungsversorgung zu einem Ladekondensator bezieht.Furthermore, the US6,335,654B1 which refers to inrush current protection circuits, and more particularly to an inrush current control circuit for limiting the inrush current from a DC power supply to a charging capacitor.

Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, diesen Überspannungsschutz in einem Messgerät unabhängig von der Eingangsspannung und damit unabhängig davon anzubieten, ob das Messgerät ratiometrisch betrieben wird oder sein Ausgangssignal proportional zum Prozesswert generiert.Based on this, it is an object of the invention to provide this overvoltage protection in a meter regardless of the input voltage and thus regardless of whether the meter is operated ratiometrically or generates its output signal proportional to the process value.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist neben der Steuereinheit, der Regeleinheit und dem Längstransistor eine Komparator-Schaltung vorgesehen, die die Versorgungsspannung hinsichtlich eines vorgegebenen Schwellwerts überwacht, der abhängig ist von der Betriebsart des Messgeräts. Die Komparator-Schaltung entscheidet also abhängig von der Höhe der Eingangsspannung, ob das Messgerät ratiometrisch betrieben wird oder sein Ausgangssignal proportional zum Prozesswert generiert.According to the invention, a comparator circuit is provided in addition to the control unit, the control unit and the series transistor, which monitors the supply voltage with respect to a predetermined threshold, which is dependent on the operating mode of the measuring device. The comparator circuit thus decides, depending on the magnitude of the input voltage, whether the meter is operated ratiometrically or generates its output signal proportional to the process value.

Wenn das Messgerät ratiometrisch betrieben wird, wird im Überspannungsfall der Längstransistor so angesteuert, dass die Versorgungsspannung auf den für den ratiometrischen Betrieb des Messgeräts vorgegebenen maximalen Spannungswert begrenzt wird. Ansonsten passiert die Versorgungsspannung den Längstransistor unverändert.When the meter is operated ratiometrically, in the event of an overvoltage, the series transistor is triggered in such a way that the supply voltage is limited to the maximum voltage value specified for the ratiometric operation of the meter. Otherwise, the supply voltage passes through the series transistor unchanged.

Wenn das Messgerät proportional zum Prozesswert betrieben wird, wird über eine Referenzverstärkereinheit der Längstransistor dauerhaft so beeinflusst, dass dieser die Versorgungsspannung unabhängig von ihrem Wert am Eingang der Spannungsüberwachungseinheit auf den für das Betreiben des Messgeräts proportional zum Prozesswert vorgegebenen Referenzspannungswert einregelt.If the meter is operated in proportion to the process value, a reference amplifier unit permanently influences the series transistor so that it adjusts the supply voltage to the reference voltage value that is proportional to the process value for operating the meter, regardless of its value at the input of the voltage monitoring unit.

Vorteilhafterweise ist der Längstransistor als PMOS-Transistor mit R_DS(on) < 1 Ω ausgeführt. Neben anderen möglichen Transistortypen ermöglicht der eingesetzte PMOS-Transistor einen sehr geringen Ratiometriefehler aufgrund des sehr niedrigen R_DS(on) und zeichnet sich durch seine kompakte Baugröße aus.Advantageously, the series transistor is designed as a PMOS transistor with R _{DS (on)} <1 Ω. Among other possible transistor types, the PMOS transistor used allows a very Low Ratiometriefehler due to the very low R _{DS (on)} and is characterized by its compact size.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Messgeräts,
2 ein Blockschaltbild der Spannungsüberwachungseinheit des erfindungsgemäßen Messgeräts und
3 ein Schaltbild der Spannungsüberwachungseinheit des erfindungsgemäßen Messgeräts.

They show schematically:

1 a block diagram of a measuring device according to the invention,
2 a block diagram of the voltage monitoring unit of the measuring device according to the invention and
3 a circuit diagram of the voltage monitoring unit of the measuring device according to the invention.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.

1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Messgeräts, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben werden soll, als Blockschaltbild. Vorliegend wird die Erfindung anhand eines Druckmessgeräts erläutert, wobei die Erfindung jedoch auch auf andere in der Prozessmesstechnik gebräuchlichen Messgeräte übertragbar ist. 1 shows the basic structure of the measuring device, which is to be operated by the method according to the invention, as a block diagram. In the present case, the invention will be explained with reference to a pressure measuring device, but the invention can also be applied to other measuring devices commonly used in process measuring technology.

In der Figur ist die Übertragung des Nutzsignals (durchgezogene Linie) von der Spannungsversorgung (gestrichelte Linie) getrennt dargestellt. So ist zunächst der grundsätzliche Aufbau eines in Rede stehenden Druckmessgeräts abgebildet, bei dem der zu messende Druck von einem Messwertaufnehmer MA - vorliegend eine Druckmesszelle - in ein Messsignal gewandelt wird. Dieses Messsignal wird dann in einer Auswerteelektronik AWE aufbereitet und verarbeitet und anschließend über die Ausgangsendstufe als analoges Spannungssignal U_OUT zur weiteren Verarbeitung, bspw. in einer übergeordneten Steuereinheit, zur Verfügung gestellt.In the figure, the transmission of the desired signal (solid line) from the power supply (dashed line) is shown separately. Thus, the basic structure of a pressure measuring device in question is initially shown, in which the pressure to be measured is converted by a measuring transducer MA - in the present case a pressure measuring cell - into a measuring signal. This measurement signal is then processed in an evaluation electronics AWE and processed and then made available via the output power amplifier as an analog voltage signal U _OUT for further processing, for example. In a higher-level control unit.

Die für die Versorgung der Druckmesszelle MA, der Auswerteelektronik AWE sowie der Ausgangsendstufe AE benötigte Spannung Vcc variiert in einem für die Automatisierungstechnik typischen Bereich von 4,5 bis 5,5 V für den ratiometrischen Betrieb des Messgeräts bzw. 8 bis 36 V, wenn das Messgerät proportional zum Prozesswert betrieben wird. Diese Spannung Vcc wird zunächst einer Verpolschutzeinheit zugeführt und daran anschließend einer Spannungsüberwachungseinheit ÜS.The voltage Vcc required for the supply of the pressure measuring cell MA, the evaluation electronics AWE and the output end stage AE varies in a typical for automation technology range of 4.5 to 5.5 V for the ratiometric operation of the meter or 8 to 36 V, if Meter is operated in proportion to the process value. This voltage Vcc is first supplied to a polarity reversal protection unit and subsequently to a voltage monitoring unit US.

Auch die Verpolschutzeinheit muss unter der Maßgabe ausgebildet sein, dass diese im Normalbetrieb keinen nennenswerten Spannungsabfall mit sich zu bringt und dadurch - für den ratiometrischen Betrieb wesentlichen - Ratiometriefehler verursacht. Deshalb ist die Verpolschutzeinheit vorteilhafterweise als invers geschalteter PMOS-Transistor ausgeführt, da der geringe R_DS(on) die Ratiometrie nicht beeinflusst.The polarity reversal protection unit must also be designed with the proviso that in normal operation it does not bring about any significant voltage drop, thereby causing ratiometric errors, which are essential for ratiometric operation. Therefore, the polarity reversal protection unit is advantageously designed as a reverse-connected PMOS transistor, since the low R _{DS (on)} does not affect the ratiometry.

Bei der Spannungsüberwachungseinheit ÜS handelt es sich um eine elektronische Schaltung, die eine spannungsempfindliche Last vor Überspannungstransienten auf der Versorgungsleitung schützt. Zusätzlich findet bei statischer Überspannung eine Spannungsregelung statt. Hier erfolgt auch - anhand der am Eingang anliegenden Versorgungsspannung - die Auswahl, ob das Messgerät ratiometrisch betreiben wird oder proportional zum Prozesswert.The voltage monitoring unit ÜS is an electronic circuit that protects a voltage-sensitive load from overvoltage transients on the supply line. In addition, a voltage regulation takes place with static overvoltage. Here, too, the selection is made based on the supply voltage applied to the input, whether the meter is operated ratiometrically or proportional to the process value.

Mit der am Ausgang OUT der Spannungsüberwachungseinheit ÜS anliegenden Spannung werden dann die Druckmesszelle MA, die Auswerteelektronik AWE sowie die Ausgangsendstufe AE versorgt. Dabei berücksichtigt die Auswerteelektronik AWE bei der Aufbereitung des von der Druckmesszelle MA kommenden Messsignals sowohl das druckabhängig veränderliche Spannungs-Nutzsignal als auch die Höhe der Versorgungsspannung und gibt einen Spannungswert weiter, der proportional zum zu messenden Druck ist und im ratiometrischen Betrieb zusätzlich auch zur Höhe der anliegenden Versorgungsspannung.The voltage applied to the output OUT of the voltage monitoring unit ÜS voltage then the pressure measuring cell MA, the transmitter AWE and the output end stage AE are supplied. In the processing of the measurement signal coming from the pressure measuring cell MA, the evaluation electronics AWE take into account both the voltage-dependent variable voltage useful signal and the magnitude of the supply voltage and pass on a voltage value which is proportional to the pressure to be measured and in ratiometric operation additionally to the level of the applied supply voltage.

2 zeigt ein Blockschaltbild der Spannungsüberwachungseinheit ÜS des erfindungsgemäßen Messgeräts. Zentrales Bauteil ist der Längstransistor T₃, der von der Steuereinheit SE und der Regeleinheit RE beeinflusst wird und eine geregelte und vor Überspannung geschützte Spannung an eine Last, d.h. vorliegend an die Druckmesszelle MA, die Auswerteelektronik AWE sowie die Ausgangsendstufe AE weitergibt. Häufig darf bei keiner Eingangsspannung die an der Auswerteelektronik AWE anliegende Spannung einen bestimmten Betrag - typischerweise nicht mehr als 7 V - übersteigen, da sonst das Bauteil zerstört wird. 2 shows a block diagram of the voltage monitoring unit ÜS of the measuring device according to the invention. Central component is the series transistor T ₃ , which is influenced by the control unit SE and the control unit RE and a regulated and protected against overvoltage voltage to a load, ie in the present case to the pressure measuring cell MA, the transmitter AWE and the output amplifier AE passes. Frequently, with no input voltage, the voltage applied to the evaluation electronics AWE may exceed a certain amount, typically not more than 7 V, since otherwise the component will be destroyed.

Eine Komparator-Schaltung KS überwacht die am Eingang anliegende Versorgungsspannung. Unter 8 V wird das Messgerät ratiometrisch betrieben, über 8 V proportional zum Prozesswert. Im letzteren Fall wird die Regeleinheit RE mit Hilfe einer Referenzverstärkereinheit RVE derart beeinflusst, dass der Längstransistor T₃, die Versorgungsspannung unabhängig von ihrem Wert am Eingang der Spannungsüberwachungseinheit ÜS auf einen für das Betreiben des Messgeräts proportional zum Prozesswert vorgegebenen Referenzspannungswert einregelt.A comparator circuit KS monitors the supply voltage applied to the input. Under 8th V the meter is operated ratiometrically, over 8 V proportional to the process value. In the latter case, the control unit RE is influenced by means of a reference amplifier unit RVE in such a way that the series transistor T ₃ regulates the supply voltage independently of its value at the input of the voltage monitoring unit ÜS to a reference voltage value which is proportional to the process value for the operation of the measuring instrument.

Die Regeleinheit RE regelt im Überspannungsfall die Ausgangsspannung auf die maximal nicht-zerstörende Betriebsspannung der angeschlossenen Last. Dabei ist die Regeleinheit RE vergleichsweise träge, so dass schnelle Transienten nicht in die Regelung einfließen. Diese Trägheit wird durch die Steuereinheit SE ausgeglichen. Treten am Eingang der Schaltung transiente Überspannungseffekte auf, wird die Steuereinheit SE aktiv und erhöht den einstellbaren Längswiderstand des Längstransistors T₃. Treten keine Transienten auf, so besitzt die Steuereinheit SE keinen Einfluss. In the case of overvoltage, the control unit RE regulates the output voltage to the maximum non-destructive operating voltage of the connected load. The control unit RE is comparatively sluggish, so that fast transients are not included in the control. This inertia is compensated by the control unit SE. If transient overvoltage effects occur at the input of the circuit, the control unit SE becomes active and increases the adjustable series resistance of the series transistor T ₃ . If no transients occur, the control unit SE has no influence.

Wie der Spannungsüberwachung konkret realisiert ist, wird anhand von 3 näher erläutert.How voltage monitoring is actually realized is based on 3 explained in more detail.

In 3 ist ein beispielhafter Schaltaufbau der Spannungsüberwachungseinheit ÜS des erfindungsgemäßen Messgeräts abgebildet. Die Spannungsüberwachungseinheit ÜS besteht aus einem regelbaren Längswiderstand in Form des Längstransistors T₃, der von der Steuereinheit SE und der Regeleinheit RE angesteuert wird, sowie aus einer Komparator-Schaltung KS und einer dieser nachgeschalteten Referenzverstärkereinheit RVE. Die als Schmitt-Trigger ausgeführte Komparator-Schaltung KS überwacht die am Eingang anliegende Versorgungsspannung. Nur für den Fall, dass die Eingangsspannung über 8 V liegt, wird die Referenzverstärkereinheit RVE aktiviert und das Messgerät proportional zum Prozesswert betrieben. Liegt die Eingangsspannung unter 8 V wird die Referenzverstärkereinheit RVE nicht aktiv und das Messgerät wird ratiometrisch betriebenIn 3 an exemplary switching structure of the voltage monitoring unit US of the measuring device according to the invention is shown. The voltage monitoring unit ÜS consists of a controllable series resistance in the form of the series transistor T ₃ , which is controlled by the control unit SE and the control unit RE, as well as a comparator circuit KS and one of these downstream reference amplifier unit RVE. The comparator circuit KS designed as a Schmitt trigger monitors the supply voltage present at the input. Just in case the input voltage is above 8 V, the reference amplifier unit RVE is activated and the meter is operated in proportion to the process value. If the input voltage is below 8 V, the reference amplifier unit RVE will not be active and the meter will operate ratiometrically

Nachfolgend zunächst die Beschreibung für den ratiometrischen Betrieb des Messgeräts.Below is a description of the ratiometric operation of the meter.

Konkret wird der regelbare Längswiderstand durch den Kanalwiderstand eines PMOS-Transistors T₃ realisiert, der u.a. wegen des sehr niedrigen minimalen R_DS(on) von unter 1 Ω und dem damit verbundenen sehr geringen Ratiometriefehler geeignet ist. Der durch den Spannungsabfall über dem Längswiderstand der Schaltung hervorgerufene Ratiometriefehler ist bei ohmschen Lasten größer als 1 kΩ kleiner als 0,1 %.Specifically, the controllable series resistance is realized by the channel resistance of a PMOS transistor T ₃ , which is suitable, inter alia, because of the very low minimum R _{DS (on)} of less than 1 Ω and the associated very low ratiometric error. The ratiometric error caused by the voltage drop across the series resistance of the circuit is greater than 1 kΩ less than 0.1% for ohmic loads.

Die Steuereinheit SE wird aus zwei Transistorschaltungen TS₁, TS₂ gebildet. Beide Transistorschaltungen TS₁, TS₂ sind als Differenzierer ausgeführt und überwachen den Eingang der Schaltung auf transiente Überspannungseffekte, d.h. es erfolgt keine betragsmäßige Überwachung der Spannung, sondern hinsichtlich der Geschwindigkeit der Spannungsänderungen. Der grundsätzliche Aufbau beider Transistorschaltungen TS₁, TS₂ ist im Wesentlichen gleich. Allerdings ist die erste Transistorschaltung TS₁ mit ihrem Kollektor mit der Regeleinheit RE verbunden, während die zweite Transistorschaltung TS₂ mit ihrem Kollektor den Längstransistor T₃ ansteuert.The control unit SE is formed from two transistor circuits TS ₁ , TS ₂ . Both transistor circuits TS ₁ , TS ₂ are designed as differentiators and monitor the input of the circuit to transient overvoltage effects, ie there is no amount of monitoring of the voltage, but with respect to the speed of the voltage changes. The basic structure of both transistor circuits TS ₁ , TS ₂ is essentially the same. However, the first transistor circuit TS _{1 is} connected with its collector to the control unit RE, while the second transistor circuit TS ₂ with its collector drives the series transistor T ₃ .

Im Falle von transienten Überspannungseffekten am Eingang der Schaltung steuert zunächst die zweite Transistorschaltung TS₂ den Längstransistor T₃ so an, dass sein Kanalwiderstand hochohmig wird. Damit ist die Versorgung von Messwertaufnehmer MA, Auswerteelektronik AWE und Ausgangsendstufe AE unterbrochen. Gleichzeitig werden durch die erste Transistorschaltung TS₁ die beiden Transistoren T₄, T₅ der Regeleinheit RE angesteuert, die im Falle von längeren Transienten den hochohmigen Zustand des Längstransistors verlängern, bis dann bei stationärer Überspannung die Z-Diode D₁ die analoge Regelung des Längswiderstands durch Ansteuerung des Längstransistors T₃ übernimmt und die Spannung am Ausgang OUT der Spannungsüberwachungseinheit ÜS auf die maximal nicht-zerstörende Betriebsspannung einregelt, deren Höhe durch eine entsprechende Dimensionierung der Z-Diode D₁ variiert werden kann. Im ratiometrischen Betrieb liegt die maximale Spannung bspw. bei 7 V.In the case of transient overvoltage effects at the input of the circuit, first the second transistor circuit TS ₂ controls the series transistor T _{3 in} such a way that its channel resistance becomes high-impedance. Thus, the supply of transducer MA, transmitter AWE and output stage AE is interrupted. At the same time, the two transistors T ₄ , T _{5 of} the control unit RE are driven by the first transistor circuit TS _1, which extend the high-resistance state of the series transistor in the case of longer transient, until then at steady-state overvoltage the Zener diode D _1, the analog control of the series resistance by controlling the series transistor T ₃ takes over and regulates the voltage at the output OUT of the voltage monitoring unit ÜS to the maximum non-destructive operating voltage whose height can be varied by a corresponding dimensioning of the Zener diode D ₁ . In ratiometric operation, the maximum voltage is, for example, at 7 V.

Durch die Dimensionierung der Bauteile R₁ und C₁ sowie R₂ und C₂ lassen sich die Zeitkonstanten für die beiden Transistorschaltungen TS₁, TS₂ einstellen, wobei die einzelnen Zeitkonstanten vorteilhafterweise so gewählt sind, dass der Längstransistor so lange hochohmig bleibt, bis die Regelung der Schaltung durch die Regeleinheit RE beginnt über die Bestromung der Z-Diode D₁ zu wirken. So kann das Filtern transienter Effekte an die Empfindlichkeit der zu schützenden Last angepasst werden. Beispielhaft beträgt die Zeitkonstante der ersten Transistorschaltungen TS₁ 182 µs und die der zweiten Transistorschaltung TS₂ 511 ns.By dimensioning the components R ₁ and C ₁ and R ₂ and C ₂ , the time constants for the two transistor circuits TS ₁ , TS _{2 can be} set, wherein the individual time constants are advantageously chosen so that the series transistor remains high impedance until the Control of the circuit by the control unit RE begins to act on the energization of the Zener diode D ₁ . Thus, the filtering of transient effects can be adapted to the sensitivity of the load to be protected. By way of example, the time constant of the first transistor circuits TS _{1 is} 182 μs and that of the second transistor circuit TS _{2 is} 511 ns.

Während eines Überspannungsereignisses wird die Ausgangsspannung der Schaltung, d.h. die Versorgungsspannung für den Messwertaufnehmer MA, die Auswerteelektronik AWE und die Ausgangsendstufe AE auf dem Wert der maximal nicht-zerstörenden Betriebsspannung gehalten. Am Eingang IN der Schaltung kann eine beliebig lang anhaltende Überspannung auftreten, ohne die Schaltung oder die Last zu zerstören. Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz der Schaltung wird die Spannungsquelle auch bei Überspannung kaum belastet.During an overvoltage event, the output voltage of the circuit, i. the supply voltage for the transducer MA, the transmitter AWE and the output end stage AE held at the value of the maximum non-destructive operating voltage. At the input IN of the circuit an arbitrarily long-lasting overvoltage can occur without destroying the circuit or the load. Due to the high input impedance of the circuit, the voltage source is hardly loaded even with overvoltage.

Die dargestellte Schaltung für eine Spannungsüberwachung kann je nach Anforderung angepasst werden. Ist bspw. die zu schützende Last empfindlich für sehr kurze Überspannungspulse im Bereich von 10 ns, wäre am Ausgang OUT der Überspannungsschutzeinheit ÜS ein niederohmiger RC-Tiefpassfilter (z.B. 1 Ω, 1 µF) vorzusehen, der die hochfrequenten Pulse herausfiltert. Eine weitere Möglichkeit stellt eine parallel zur Last geschaltete Z-Diode bzw. TVS-Diode in Kombination mit der hier beschriebenen Schaltung dar. Auf diese Weise wird die Last vor kurzen Überspannungspulsen geschützt, ohne einen zusätzlichen Ratiometriefehler zu verursachen.The circuit shown for voltage monitoring can be adjusted as required. If, for example, the load to be protected is sensitive to very short overvoltage pulses in the region of 10 ns, a low-resistance RC low-pass filter (for example 1 Ω, 1 μF) should be provided at the output OUT of the overvoltage protection unit ÜS, which filters out the high-frequency pulses. Another possibility is a parallel to the load connected Zener diode or TVS diode in combination with the circuit described here. In this way, the load is protected from short overvoltage pulses without causing an additional Ratiometriefehler.

Nachfolgend nun die Beschreibung, wenn das Messgerät proportional zum Prozesswert betrieben wird.Below is the description when the meter is operated in proportion to the process value.

Wenn die Eingangsspannung über 8 V liegt, beeinflusst die Referenzverstärkereinheit RVE über den Punkt U_reg den Transistor T₄ dauerhaft derart, dass der Längstransistor T₃ eine konstante Spannung am Ausgang OUT bereitstellt. Die Referenzverstärkereinheit RVE ist zum einen über einen Spannungsteiler mit dem Ausgang OUT der Spannungsüberwachungseinheit ÜS verbunden, um das dort anliegende Spannungssignal zurückzulesen. Zum anderen ist sie am nicht-invertierenden Eingang mit einer Referenzspannung U_ref verbunden. Diese Referenzspannung kann bspw. über eine nicht dargestellte Spannungsreferenzdiode realisiert werden, aber vorteilhafterweise über den in der Auswerteelektronik enthaltenen Mikrocontroller, denn in vielen Mikrocontrollern ist eine solche Referenzspannungsquelle bereits verbaut. Abhängig von der Referenzspannung U_ref und der Dimensionierung des Spannungsteilers lässt sich der Längstransistor T₃ so einstellen, dass die gewünschte Spannung konstant am Ausgang OUT anliegt. Beispielsweise beträgt die Spannung 5 V.If the input voltage is above 8 V, the reference amplifier unit RVE permanently influences the transistor T ₄ via the point U _{reg in} such a way that the series transistor T ₃ provides a constant voltage at the output OUT. The reference amplifier unit RVE is connected on the one hand via a voltage divider to the output OUT of the voltage monitoring unit ÜS in order to read back the voltage signal present there. On the other hand, it is connected at the non-inverting input to a reference voltage U _ref . This reference voltage can be realized, for example, via a voltage reference diode (not shown), but advantageously via the microcontroller contained in the evaluation electronics, since in many microcontrollers such a reference voltage source is already installed. Depending on the reference voltage U _ref and the dimensioning of the voltage divider, the series transistor T _{3 can} be adjusted so that the desired voltage is applied constantly at the output OUT. For example, the voltage is 5 V.

Die grundsätzliche Funktionalität der übrigen Schaltung entspricht der zuvor beschrieben Weise. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass im ratiometrischen Betrieb des Messgeräts am Ausgang OUT eine variable Spannung anliegt und deshalb über die Diode D₁ diese variable Spannung zurückgelesen wird. Wenn das Messgerät hingegen proportional zum Prozesswert betrieben wird, erfolgt dieses Rücklesen der Ausgangsspannung über die Referenzverstärkereinheit RVE.The basic functionality of the rest of the circuit corresponds to the previously described manner. The main difference is that in the ratiometric operation of the meter at the output OUT is applied a variable voltage and therefore read back this variable voltage through the diode D ₁ . On the other hand, if the measuring device is operated proportionally to the process value, this read back of the output voltage takes place via the reference amplifier unit RVE.

Claims

Method for operating a measuring instrument for process measuring both ratiometric and proportional to the process value, wherein the measuring device comprises: - a sensor (MA), - an evaluation (AWE) for processing the measured signals generated by the sensor (MA), - an output stage (AE ) with an analogue signal output, via which the conditioned measuring signals are transmitted to a higher-level control unit, - and a voltage monitoring unit (ÜS), which monitors the supply voltage for the measuring transducer (MA), the evaluation electronics (AWE) and the output amplifier (AE), wherein the voltage monitoring unit (ÜS) comprises a comparator circuit, a control unit (SE), a control unit (RE) and a series transistor (T ₃ ) as an adjustable series resistor, wherein the series transistor (T ₃ ) can assume a minimum series resistance of less than 1 Ω, wherein the comparator circuit, the supply voltage with respect to a monitored, the control unit (RE) with the series transistor (T ₃ ) is connected and is intended to limit the supply voltage by driving the series transistor (T ₃ ) to a respective dependent on the operating mode of the meter predetermined maximum voltage value, in the case that the supply voltage is below this threshold value, the measuring device is operated ratiometrically by the control unit (SE) comprising two transistor circuits (TS ₁ , TS ₂ ) designed as differentiators each with a first and a second time constant and the time constant of the first transistor circuit (TS ₁ ) is greater than that of the second transistor circuit (TS ₂ ), - the second transistor circuit (TS ₂ ) with the series transistor (T ₃ ) is connected such that this blocks for short, rapid voltage changes, so that the series resistance high impedance and thus the supply of transducers ( MA), evaluation electronics (AWE) and output output stage (AE) is interrupted, - the first transistor circuit (TS ₁ ) activates the control unit (RE), so that after the blocking of the series transistor (T ₃ ) the supply voltage is controlled by driving the series transistor (T ₃ ) is limited to the maximum voltage value specified for the ratiometric operation of the measuring device, - the supply voltage otherwise passes unchanged through the series transistor (T ₃ ), in which case the supply voltage is above this threshold, the measuring device is operated proportionally to the process value by - Over a reference amplifier unit (RVE) of the series transistor (T ₃ ) via the control unit (RE) is permanently influenced so that it limits the supply voltage regardless of their value at the input of the voltage monitoring unit to the maximum value prescribed for the operation of the meter proportional to the process value ,

Method according to Claim 1 , wherein the series transistor (T ₃ ) is designed as a PMOS transistor.

Method according to Claim 1 or 2 , wherein the series transistor (T ₃ ) can assume a maximum series resistance of 10 MΩ.

Method according to one of the preceding claims, wherein the overvoltage protection unit (ÜS) is preceded by a Verpolschutzeinheit, which is designed with an inversely operated field effect transistor.

Method according to Claim 4 , wherein the inversely operated field effect transistor is designed as a PMOS transistor.