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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einem umschaltbaren Analogeingang für unterschiedliche Eingangsbeschaltungen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Feldgeräte sind technische Einrichtungen im Bereich der Automatisierungstechnik. Zu den Feldgeräten gehören Aktoren zur Beeinflussung von Prozessgrößen, Sensoren zur Erfassung von Prozessgrößen und weitere prozessnahe Geräte, die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Zu den Aktoren gehören zum Beispiel Stellglieder, Ventile, Motoren und Pumpen. Zu den Sensoren gehören zum Beispiel Durchflussmengenmesser, Druckmesser, Temperaturmesser und pH-Sensoren. Weiterhin zu den Feldgeräten zählen auch prozessnahe Geräte, die der Kommunikation und Steuerung dienen, beispielsweise Gateways, Remote-I/Os, Linking Devices, verbindungsprogrammierte Steuerungen und speicherprogrammierbare Steuerungen.
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Feldgeräte können über Feldbusse, Industrial- bzw. Echtzeit-Ethernet oder andere kabelgebundene oder kabellose Netzwerke kommunizieren.
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Zusätzlich zu oder anstelle der digitalen Schnittstellen können Feldgeräte auch analoge Schnittstellen aufweisen. Weit verbreitet ist dabei die analoge Stromschnittstelle, auch Stromschleife genannt. Eine bekannte und weitverbreitete Variante ist die 0/4-20 mA-Stromschleife. Vorteilhaft ermöglicht Sie eine Signalübertragung in Echtzeit und reagiert vergleichsweise unempfindlich auf elektromagnetische Störungen und Änderungen des Leitungswiderstandes. Bei der 4-20 mA-Stromschleife (offset-zero bzw. live-zero) kann zudem das Feldgerät über die Signalleitung mit Energie versorgt und ein Leitungsbruch zuverlässig detektiert werden.
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Im Folgenden soll die analoge Stromschnittstelle beispielhaft anhand der 4-20 mA-Stromschleife erläutert werden. Geläufig ist hierbei auch die Bezeichnung Stromnormsignal bzw. Stromeinheitssignal. Dieses ist beispielsweise in der DIN IEC 60381-1 spezifiziert. Ein eingeprägter Strom von 4 mA bis 20 mA signalisiert einen Wert von 0 % bis 100%. Ein Strom bis 4 mA kann der Energieversorgung dienen. Ein Strom unter 4 mA signalisiert einen Fehler.
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Die Stromschleife kann mit einem 2-Leiter-Anschluss, einem 3-Leiter-Anschluss oder einem 4-Leiter-Anschluss ausgeführt werden.
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Beim 2-Leiter-Anschluss führen das Signal und die Energieversorgung über ein gemeinsames Leiterpaar. Diese Anschlussart ist besonders verkabelungsarm.
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Beim 3-Leiter-Anschluss werden zwei Leitungen zur Energieversorgung genutzt. Das Signal wird über eine dritte Leitung geführt. Als Bezugspotenzial für das Signal wird eine Leitung der Energieversorgung genutzt.
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Beim 4-Leiter-Anschluss führen Signal und Energieversorgung getrennt über jeweils zwei Leitungen. Der Verdrahtungsaufwand bei dieser Anschlusstechnik ist vergleichsweise hoch. Vorteilhaft können für die Energieversorgung und das Signal unterschiedliche und/oder getrennte Potenziale anliegen.
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BESCHREIBUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Feldgerät mit einem umschaltbaren Analogeingang für unterschiedliche Eingangsbeschaltungen bereitzustellen. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen.
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Gemäß einem Aspekt umfasst das Feldgerät eine Feldgerätesteuerung. Die Feldgerätesteuerung kann eine Steuerung und/oder eine Regelung des Feldgerätes bereitstellen. Anders ausgedrückt handelt es sich bei der Feldgerätesteuerung um eine Steuer- oder Regeleinrichtung.
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Die Feldgerätesteuerung umfasst einen Analogeingang zur Ansteuerung des Feldgerätes. Der Analogeingang kann Teil einer uni- oder bidirektionalen Schnittstelle sein. Der Analogeingang ist ausgebildet ein analoges Signal zu empfangen. Das analoge Signal kann ein digitales Signal enthalten. Mittels des analogen Signals wird das Feldgerät gesteuert.
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Der Analogeingang weist eine Empfängerschaltung auf. Die Empfängerschaltung hat Betriebsarten für unterschiedliche Eingangsbeschaltungen. In anderen Worten kann die Empfängerschaltung zumindest von einer ersten Betriebsart für eine erste Eingangsbeschaltung in eine zweite Betriebsart für eine zweite Eingangsbeschaltung umgeschaltet werden. Die zweite Eingangsbeschaltung kann sich von der ersten Eingangsbeschaltung unterscheiden. Neben der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart kann die Empfängerschaltung weitere Betriebsarten aufweisen. Die Empfängerschaltung umfasst zumindest einen ansteuerbaren Schalter. Die Feldgerätesteuerung ist ausgebildet und eingerichtet, um den zumindest einen ansteuerbaren Schalter anzusteuern und die Betriebsart der Empfängerschaltung zu wählen. Durch die Umschaltbarkeit zwischen den Betriebsarten lässt sich das Feldgerät auf einfache und komfortable Weise in Prozessumgebungen mit unterschiedlichen Steuerungs- bzw. Regelungssystemen integrieren.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann der Analogeingang ausgebildet und eingerichtet sein, um ein analoges Stromsignal zu empfangen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das analoge Stromsignal ein Stromnormsignal bzw. Stromeinheitssignal sein. Dieser Aspekt verbessert die Kompatibilität bzw. Integrierbarkeit des Feldgerätes in verschiedene Steuerungs- bzw. Regelungssysteme.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt umfassen die unterschiedlichen Eingangsbeschaltungen zumindest einen 3-Leiter-Anschluss und/oder einen 4-Leiter-Anschluss. In anderen Worten wird der Analogeingang des Feldgerätes über drei Leiter bzw. vier Leiter angeschlossen. Während drei oder weniger Leiter die Verkabelung erleichtern, können bei vier Leitern beispielsweise auch mehrere Feldgeräte mit Analogeingang in einer Reihenschaltung hintereinandergeschaltet werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt weist der Analogeingang vier elektrische Eingangskontakte auf.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt umfasst die Empfängerschaltung eine Differenzverstärkerschaltung und/oder eine nichtinvertierende Verstärkerschaltung.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kombiniert die Empfängerschaltung zumindest zwei Verstärkerschaltungen.
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Vorteilhaft können sich die zwei Verstärkerschaltungen einen gemeinsamen Operationsverstärker teilen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der zumindest eine ansteuerbare Schalter ein Relais oder einen elektronischen Schalter umfassen.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann das Feldgerät ausgebildet und eingerichtet sein, sodass die Betriebsart über eine Kommunikationsschnittstelle oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wählbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Feldgerät ein Stellungsregler (Positioner) oder ein Massendurchflussregler (MFC, Mass Flow Controller) sein.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden die Merkmale und Aspekte der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Feldgerätes,
- - 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Empfängerschaltung,
- - 3 eine vereinfachte schematische Darstellung der Empfängerschaltung bei einer Eingangsbeschaltung mit einem 3-Leiter-Anschluss, und
- - 4 eine vereinfachte schematische Darstellung der Empfängerschaltung bei einer Eingangsbeschaltung mit einem 4-Leiter-Anschluss.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Feldgerätes. Das Feldgerät 20 umfasst eine Feldgerätesteuerung 50. Die Feldgerätesteuerung kann eine Steuerfunktion und/oder Regelfunktion haben. Die Feldgerätesteuerung 50 weist einen Analogeingang 10 zur Ansteuerung des Feldgerätes 20 auf. Der Analogeingang 10 umfasst Eingangskontakte 30, 30' und eine Empfängerschaltung 40.
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Die Empfängerschaltung 40 hat Betriebsarten für unterschiedliche Eingangsbeschaltungen. Die Betriebsart der Empfängerschaltung 40 kann passend zur Eingangsbeschaltung gewählt werden. Die Empfängerschaltung 40 weist dafür zumindest einen ansteuerbaren Schalter 70 auf. Die Feldgerätesteuerung 50 ist ausgebildet und eingerichtet, um den zumindest einen ansteuerbaren Schalter 70 anzusteuern und die Betriebsart der Empfängerschaltung 40 zu wählen.
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Zu Auswahl der Betriebsart der Empfängerschaltung 40 kann von unterschiedlichen Verstärkerschaltungen 40a, 40b eine Verstärkerschaltung 40a, 40b mittels der Feldgerätesteuerung 50 per Software ausgewählt werden. Die Auswahl erfolgt insbesondere über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 60 mit einem Menü, das am Feldgerät 20 angezeigt und bedient wird. Das Menü kann auch an einer externen Bedienschnittstelle (entfernt vom Feldgerät 20) angezeigt und bedient werden. Diese externe Bedienschnittstelle kann drahtgebunden oder drahtlos über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem Feldgerät 20 verbunden sein.
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In anderen Worten wird mit dem ansteuerbaren Schalter 70 der Eingangstyp bzw. die Eingangsbeschaltung der Empfängerschaltung 40 eingestellt. Dabei wird eingestellt, welche der Verstärkerschaltungen 40a, 40b aktiv ist. Der ansteuerbare Schalter 70 wird durch die Feldgerätesteuerung 50, bzw. deren Software, betätigt.
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Befindet sich der ansteuerbare Schalter 70 in einer ersten Schaltstellung S1, ist eine Differenzverstärkerschaltung 40a der Empfängerschaltung 40 aktiv. Die aktiven elektrischen Eingangskontakte bzw. Eingangsklemmen 30 umfassen in diesem Fall vier Klemmen, nämlich jeweils zwei Signalklemmen 80, 85 für die Stromschleife (das Eingangsignal) und zwei Versorgungsklemmen 90, 95 für die Versorgungsspannung. Als Eingangsbeschaltung ist ein 4-Leiter-Anschluss vorgesehen.
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Befindet sich der ansteuerbare Schalter 70 in einer zweiten Schaltstellung S2, ist eine nichtinvertierende Verstärkerschaltung 40b der Empfängerschaltung 40 aktiv. Die aktiven elektrischen Eingangskontakte bzw. Eingangsklemmen 30' umfassen in diesem Fall drei Klemmen, nämlich die Klemme 80, eine der Klemmen 85, 95 und die Klemme 90. Als Eingangsbeschaltung ist ein 3-Leiter-Anschluss vorgesehen.
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Damit kombiniert die Empfängerschaltung 40 zumindest zwei Verstärkerschaltungen 40a, 40b. Die zwei Verstärkerschaltungen 40a, 40b teilen sich einen gemeinsamen Operationsverstärker OP.
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Der zumindest eine ansteuerbare Schalter 70 umfasst einen elektronischen Schalter. Ein elektronischer Schalter realisiert die Funktion eines elektromechanischen Schalters mit einer elektronischen Schaltung. Dabei kommen als Schaltelemente beispielsweise Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren und/oder Dioden zum Einsatz. Im weiteren Sinn werden auch Thyristoren und Halbleiterrelais zu den elektronischen Schaltern gezählt. Alternativ kann als ansteuerbarer Schalter 70 ein konventionelles Relais verwendet werden.
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Optional können die Verstärkerschaltungen 40a, 40b der Empfängerschaltung 40 mittels einer Bypassschaltung 40c durch zusätzliche (in den 2 bis 4 nicht gezeigte) ansteuerbare Schalter überbrückt, bzw. umgangen werden, so dass nur die beiden Klemmen 80 und 85 als Analogeingang 10 über den Widerstand R2 (insbesondere ohne Verstärkung) aktiv sind.
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Das Feldgerät kann insbesondere ein Stellungsregler (Positioner) oder ein Massendurchflussregler (MFC, Mass Flow Controller) sein.
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Empfängerschaltung 40.
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Die Empfängerschaltung 40 hat vier Eingangskontakte 80, 85, 90, 95.
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Die Empfängerschaltung 40 umfasst einen Operationsverstärker OP und einen ansteuerbaren Schalter 70 mit den Schalterstellungen S1, S2.
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Über eine erste Klemme 90 und zweite Klemme 95 kann eine Versorgungsspannung angelegt werden.
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An der ersten Klemme 90 liegt erstes Potential V+ an. Über eine erste Leitung 190, die mit der ersten Klemme 90 verbunden ist, wird dem Operationsverstärker OP eine positive Versorgungsspannung zugeführt.
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Über die zweite Klemme 95 ist der Operationsverstärker OP mittels einer zweiten Leitung 195 mit einer negativen Versorgungsspannung gekoppelt. An der zweiten Klemme 95 liegt ein zweites Potential V- an.
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Die Versorgungsspannung für den Operationsverstärker OP kann optional über zusätzliche Spannungsreglerbeschaltungen, die zwischen der ersten Klemme 90 und dem Operationsverstärker OP und/oder die zwischen der zweiten Klemme 95 und dem Operationsverstärker OP angeordnet sein können, auf einen für den Operationsverstärker OP erforderlichen Spannungsbereich gebracht werden.
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Optional kann die Empfängerschaltung 40 weitere (in den Figuren nicht dargestellte) elektrische/elektronische Bauelemente umfassen, z.B. zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), zum Verpolschutz und/oder zur Verbesserung der Signalqualität, etwa durch Filter- und Entstörglieder.
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Im Rahmen dieser Beschreibung wird deshalb der Begriff der „Kopplung“ verwendet. Gekoppelte Element sind direkt oder indirekt elektrisch leitend miteinander verbunden. Im Strompfad zwischen zwei gekoppelten Elementen können weitere Elemente liegen. Zwei gekoppelte Elemente können aber auch direkt miteinander elektrisch verbunden sein.
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Ein erster Widerstand R1 koppelt eine dritte Klemme 80 mit dem nichtinvertierten Eingang des Operationsverstärkers OP.
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Ein zweiter Widerstand R2 koppelt die dritte Klemme 80 mit einer vierten Klemme 85. Der zweite Widerstand R2 dient als Messwiderstand bzw. als Shunt.
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In einer ersten Schalterstellung S1 ist die zweite Klemme 95 über einen dritten Widerstand R3 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP gekoppelt. Ein Spannungsteiler umfassend einen vierten Widerstand R4 und einen fünften Widerstand R5, welche in Reihe geschaltet sind, koppelt den Ausgang des Operationsverstärkers OP mit der vierten Klemme 85.
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In einer zweiten Schalterstellung S2 werden die vierte Klemme 85 und die zweite Klemme 95 über den ansteuerbaren Schalter 70 gekoppelt. In anderen Worten koppelt der Spannungsteiler umfassend den vierten Widerstand R4 und den fünften Widerstand R5 in der zweiten Schalterstellung auch die zweite Klemme 95 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP. Das Potential zwischen dem vierten Widerstand und dem fünften Widerstand des Spannungsteilers wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP zurückgeführt.
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Über eine erste Leitung 190 und eine zweite Leitung 195 wird die Versorgungsspannung für die weitere Verwendung, zum Beispiel in der Feldgerätesteuerung 50, bereitgestellt. An einer dritten Leitung 100, welche mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP verbunden ist, wird das analoge Stromsignal als Potential U_out bereitgestellt.
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Beispielhaft können die Widerstände R1 bis R5 wie folgt dimensioniert werden:
- - R1 = 250 kOhm
- - R2 = 50 Ohm
- - R3 = 500 kOhm
- - R4 = 500 kOhm
- - R5 = 250 kOhm
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3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Empfängerschaltung 40 bei einer Eingangsbeschaltung mit einem 3-Leiter-Anschluss.
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Die Verstärkerschaltung 40 arbeitet in dieser Betriebsart als nichtinvertierender Verstärker.
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Die Versorgungsspannung wird von einer Spannungsquelle 120 über die erste Klemme 90 und die zweite Klemme 95 bereitgestellt. Das Stromsignal liefert eine Stromquelle 110 über die dritte Klemme 80 und die zweite Klemme 95. Die zweite Klemme 95 wird damit sowohl für die Spannungsversorgung als auch das Stromsignal genutzt.
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Der ansteuerbare Schalter 70 befindet sich in der zweiten Schalterstellung S2. Die Empfängerschaltung 40 arbeitet in dieser Betriebsart als nichtinvertierender Verstärker.
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Der erste Widerstand R1 und der dritte Widerstand R3 können in der weiteren Betrachtung unberücksichtigt bleiben. Der dritte Widerstand R3 ist nur einseitig angeschlossen. Aufgrund des hochohmigen Eingangs des Operationsverstärkers OP liegt auf beiden Seiten des ersten Widerstandes R1 dasselbe Potential an. Der erste Widerstand R1 wirkt damit als Leiter.
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An der zweiten Klemme 95 und der vierten Klemme 85 liegt das gleiche Potential an. Sie werden durch den ansteuerbaren Schalter 70 in der zweiten Schalterstellung S2 kurzgeschlossen.
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In Abhängigkeit von dem durch die Stromquelle 110 eingeprägten Strom fällt über dem Messwiderstand R2 die Spannung U_R2 ab. Die Spannung U_R2 bildet damit die Eingangsspannung für den nichtinvertierenden Verstärker.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers OP wird über den Spannungsteiler umfassend den vierten und fünften Widerstand R4, R5 auf den invertierenden Eingang in Gegenkopplung rückgekoppelt. Das Potential zwischen dem vierten und fünften Widerstand R4, R5 liegt am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP an.
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Bei I = 20 mA an der Stromschleife ergibt sich eine Spannung U_R2 am Messwiderstand
R2 von
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Damit liegt die Ausgangspannung U_out der Empfangsschaltung
40 in der Betriebsart als nichtinvertierende Verstärkerschaltung bei einem Stromnormsignal mit einem korrespondierenden Wert von 100 % bei
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Das Signal ist im Rahmen der Auswertung von der Feldgerätesteuerung 50 entsprechend zu skalieren.
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4 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Empfängerschaltung 40 bei einer Eingangsbeschaltung mit einem 4-Leiter-Anschluss.
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Die Empfängerschaltung 40 arbeitet in dieser Betriebsart als Differenzverstärker.
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Das Stromsignal wird durch die Stromquelle 110 an der dritten und vierten Klemme 80, 85 eingeprägt. Durch den eingeprägten Strom fällt am Messwiderstand R2 die Spannung U_R2 ab.
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Als Spannungsversorgung ist eine Spannungsquelle 120 an der ersten Klemme 90 und der zweiten Klemme 95 angeschlossen.
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Der erste Widerstand R1 und der dritte Widerstand R3 sind in Reihe als Spannungsteiler zwischen der dritten Klemme 80 und der zweiten Klemme 95 angeordnet. Das Potential zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem dritten Widerstand R3 wird auf den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geführt.
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Der vierte Widertand R4 und der fünfte Widerstand R5 sind in Reihenschaltung als Spannungsteiler zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OP und der vierten Klemme 85 angeordnet. Das Potential zwischen dem vierten Widerstand R4 und dem fünften Widerstand R5 wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP rückgekoppelt.
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Bei I = 20 mA an der Stromschleife ergibt sich eine Spannung U_R2 am Messwiderstand
R2 von
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Damit liegt die Ausgangspannung U_out der Empfangsschaltung
40 in der Betriebsart als Differenzverstärker bei einem Stromnormsignal mit einem korrespondierenden Wert von 100 % bei
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Das Signal ist im Rahmen der Auswertung von der Feldgerätesteuerung 50 entsprechend zu skalieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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