-
Die Erfindung betrifft eine Schnittstelle zur Erzeugung eines analogen Stromsignals zur Übertragung einer Prozessgröße an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) nach DIN IEC 60381-1. Darüber hinaus ist die Erfindung geeignet, jedwede Bürde oder angeschlossene Gegenstelle zu vermessen und zu klassifizieren.
-
Ein Stromsignal hat gegenüber einem Spannungssignal den wesentlichen Vorteil, dass der Spannungsfall in der Übertragungsleitung den Messwert nicht verfälscht. Darüber hinaus ist ein (Gleichstrom-) Signal stabiler gegenüber Störeinflüssen. Außerdem ermöglicht das Stromsignal von 4 bis 20 mA (mit versetztem Nullpunkt) eine Überwachung auf Drahtbruch.
-
Das Stromsignal wird von der Signalquelle, meist einem Messumformer, eingeprägt. Dabei unterscheidet man zwischen aktivem und passivem Stromsignal. Beim aktiven Stromsignal ist der Messumformer auch die Stromquelle. Der Messumformer treibt in diesem Fall den Strom. Bei einem passiven Stromsignal ist ein Trennverstärker oder die SPS selbst die treibende Stromquelle. Der Messumformer regelt in diesem Falle seine eigene Stromaufnahme entsprechend dem aktuellen Messwert.
-
Die
DE 10 2015 109 095 A1 beschreibt eine Stromausgangsstufe zum Bereitstellen eines geregelten Ausgangsstroms. Sie weist eine erste Regeleinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, am Ausgang einen geregelten Ausgangsstrom bereitzustellen, der proportional dem Eingangssignal ist. Ferner ist eine Erkennungseinrichtung dazu ausgebildet, zu erkennen, ob am Ausgang ein passiver Empfänger oder ein aktiver Empfänger angeschlossen ist. Eine mit einer Spannungsquelle und der Erkennungseinrichtung verbundene zweite Regeleinrichtung stellt, wenn ein passiver Empfänger (Bürde) angeschlossen ist, eine Ausgangsspannung am Ausgang derart bereit, dass ein dem Eingangssignal proportionaler Ausgangsstrom durch den passiven Empfänger fließen kann. Ferner stellt sie, wenn ein aktiver Empfänger angeschlossen ist, eine Ausgangsspannung, welche größer oder gleich Null ist, derart bereit, dass ein dem Eingangssignal proportionaler Ausgangsstrom durch die Bürde und einen Rückflusspfad fließen kann, wobei der Rückflusspfad den Ausgangsstrom nur durchlässt, wenn ein aktiver Empfänger angeschlossen ist, dessen externe Energieversorgungsquelle eine ausreichend hohe Spannung zur Verfügung stellt, um den Ausgangsstrom durch die Bürde zu treiben.
-
Die
EP 2 219 013 B1 beschreibt eine Stromerzeugungseinrichtung zur Erzeugung und gleichzeitigen Überwachung eines Messstroms, der mit einem von einem Füllstands- Druck- oder Durchflussmessgerät ermittelten Messwert korrespondiert, wobei die Stromerzeugungseinrichtung eine erste Stromquelle zum Erzeugen eines Messstroms eine zweite Stromquelle zum Erzeugen eines Kompensationsstromes zum Kompensieren zumindest eines Teils des Messstroms aufweist.
-
Weiterhin werden eine Detektionsschaltung zur Detektion von Abweichungen des Messstroms von einem Sollwert und eine Stromfühlwiderstandseinheit zur Messung des Kompensationsstromes vorgeschlagen, wobei der Kompensationsstrom und der Messstrom durch die Stromfühlwiderstandseinheit fließen.
-
Dabei versorgt die erste Stromquelle einen ersten Stromkreis, während die zweite Stromquelle einen Prüfstrom in den ersten Stromkreis einspeist; und wobei die Stromerzeugungseinrichtung derart ausgeführt ist, dass das Einspeisen des Prüfstroms den Kompensationsstrom erzeugt; wobei der Sollwert als Betrag des Prüfstroms bereitgestellt wird.
-
Was die beiden genannten Druckschriften nicht zeigen, ist eine Möglichkeit zur in manchen Fällen wichtigen permanenten Messung des Lastwiderstandes (Bürde).
-
Eine permanente Überwachung durch ein hochohmiges Messgerät ist teuer und außerdem, wie sich herausgestellt hat, nicht ausreichend störsicher.
-
Die eigentlich naheliegende hochohmige Messung mit einem Operationsverstärker zur Pegelanpassung erfordert einen hochpreisigen Operationsverstärker mit einem weiten Eingangsspannungsbereich und diverse elektronische Bauteile, die ebenfalls Kosten verursachen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Lastwiderstand (Bürde) in einer analogen Stromschnittstelle (Stromausgangsstufe) von 4 bis 20 mA permanent (d. h. in bestimmten Zeitabständen) zu messen, ohne das analoge Ausgangssignal durch den für eine niederohmige und damit störsichere Messung benötigten Leckstrom zu verfälschen. Die Anordnung soll platzsparend, kostengünstig und einfach aufgebaut sein.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Patentanspruch 5 betrifft ein erfindungsgemäßes Verfahren.
-
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, nicht den Strom, sondern die Spannung über der Bürde zu überwachen. Der Bürdenstrom ist ja ohnehin bekannt, was die vorgeschlagene Anordnung vom oben genannten Stand der Technik unterscheidet.
-
Als Zusatznutzen ist zu nennen, dass sowohl die Korrektheit einer angeschlossenen Bürde überprüft als auch das Fehlen einer der Bürde erkannt werden kann. Außerdem wird kein Stromfühlwiderstand im Ausgangskreis benötigt.
-
Falls der in Rede stehende 4 - 20 mA Analogausgang Teil eines inzwischen üblichen kombinierten Ausgangs mit mindestens einer weiteren Kommunikationsschnittstelle ist, können normale Bürden von hochohmigen Digitaleingängen unterschieden werden.
-
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Detektionsschaltung (Messschaltung) reduziert ein Spannungsteiler die zu messende Spannung auf den von in modernen µC (Mikrocontrollern) vorhandenen ADC (Analog-Digital-Wandler) erfassbare Werte. Andernfalls wäre auch hier ein Operationsverstärker (OPV) erforderlich.
-
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die stark schematisierte Zeichnung näher erläutert.
-
Die 1 zeigt einen Temperatur-Messwertaufnehmer aus der Prozessmesstechnik mit einer erfindungsgemäßen Analogschnittstelle in einer schematischen Darstellung.
-
Die Anordnung dient zur Übertragung einer Prozessgröße wie einer Temperatur, als analoges Stromsignal an eine rechts unten angedeutete speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Der durch die Bürde 1 fließende Strom (Laststrom, Bürdenstrom) ist proportional zu einem Messwert des Temperatursensors 2, der eine Prozessgröße abbildet.
-
Die Funktionsweise des gezeigten Messwandlers ist zum einen unerheblich und zum anderen dem Fachmann bekannt, so dass auf nähere Erläuterungen verzichtet wird.
-
Die Ausgangsspannung des Messverstärkers V wird einer Steuereinheit 7 zugeführt, die neben einem Mikroprozessor µP zwei mit 7a und 7c bezeichnete A/D-Wandler, sowie einen D/A-Wandler 7d aufweist. Der separat dargestellte Eingangswiderstand Ri des A/D-Wandlers 7a ist mit 7b bezeichnet.
-
Die Steuereinheit 7 treibt eine Stromquelle 3, wobei wie weiter unten näher erläutert wird, neben dem Messsignal mindestens ein weiteres Steuersignal übertragen wird. Vorteilhaft sind die genannten Baugruppen Bestandteil einer integrierten Schaltung.
-
Die Stromquelle 3 ist dazu ausgebildet, sowohl einen ersten Strom, den variablen Messstrom 4, sowie einen ebenfalls variablen Kompensationsstrom 5 zu erzeugen. Es kann sich aber auch um zwei separate Stromquellen handeln, ohne die Erfindung zu verlassen. Die beiden genannten Ströme werden der Bürde 1 eingeprägt und als analoges Stromsignal (Schleifenstrom) zur SPS übertragen.
-
Der Bürdenwiderstand R wird mit Hilfe der Detektionsschaltung 6 durch Messung der Spannung über der Bürde 1 mit einem Analog/Digital-Wandler 7a bestimmt, was bei einem bekannten analogen Ausgangssignal (Ausgangsstrom) nach dem Ohm'schen Gesetz ohne Weiteres in der Auswerteeinheit 7 erfolgen kann.
-
Die Detektionsschaltung 6 weist einen Spannungsteiler mit einem Vorwiderstand 6a (Rv) und einem Parallelwiderstand 6b (Rp) sowie einen Integrierenden Kondensator auf und ist somit als Tiefpassfilter ausgebildet. Eine Verpol-Schutzdiode ist nicht zwingend erforderlich.
-
Der mit der Spannungsmessung einhergehende, oben genannte Leckstrom ergibt sich als Quotient aus der gemessenen Spannung Ui und dem Parallelwiderstand Rp 6a im Spannungsteiler der Detektionsschaltung 6 unter Berücksichtigung des mit 7b bezeichneten Eingangswiderstandes Ri des zur Spannungsmessung dienenden A/D-Wandlers 7a. Die Flussspannung der Verpol-Schutzdiode stört die Messung interessanterweise nicht, weil der Leckstrom vom Spannungsabfall über den genannten Widerständen bestimmt wird.
-
Der Spannungsregler LM wird mit einer Betriebsspannung Üb versorgt und erzeugt eine stabilisierte Spannung VDD für die Steuereinheit 7 und die Sensorschaltung.
-
Der auf die oben beschriebene Weise bestimmte Leckstrom wird als betragsgleicher Kompensationsstrom 5 in die Bürde 1 eingespeist, um den zur Messung der über der Bürde 1 abfallenden Spannung entnommenen Leckstrom zu kompensieren. Womit die Verfälschung des analogen Ausgangssignals (des Schleifenstroms) durch die (Spannungs-) Messung kompensiert und die Aufgabe der Erfindung gelöst wäre.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Kompensationsstrom 5 iterativ mit Hilfe eines Regelkreises bestimmt, da ein geänderter Kompensationsstrom wiederum zu einer Änderung des Leckstroms führt.
-
Die Iteration erfolgt derart, dass zunächst eine Spannungsmessung erfolgt, aufgrund des Ergebnisses dieser Spannungsmessung ein Kompensationsstrom 5 berechnet und eingespeist wird, worauf eine neue Messung erfolgt, und so fort.
-
Der Kompensationsstrom 5 liegt in der Regel zwischen 10 µA und 1 mA.
-
Beispiel:
-
Bei 100 kOhm für den Spannungsteiler (Summe der Widerstände Rp und Rp) beträgt der Fehlerstrom bei 10 V ca. 100 µA, was als absolute Obergrenze zu betrachten ist.
-
Mit einem DAC von 12 Bit Auflösung wird eine Messgenauigkeit von +/-5 µA erreicht, wenn die Gesamtspanne des Analog-Ausgangs (der Schleifenstrom) 20 mA beträgt.
-
Eine Unterbrechung der Signalübertragung (Abschaltung) während der Messung ist wie eben gezeigt, vorteilhafterweise nicht notwendig, weil die Stromschnittstelle durch diese Messung unbeeinflusst bleibt.
-
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Stromschnittstelle, wobei die über der Bürde 1 abfallende Spannung gemessen, der für diese Messung benötigte Strom zu erfasst, und als betragsgleicher Kompensationsstrom in die Bürde 1 eingespeist wird, um auf diese Weise den durch die Spannungsmessung verfälschten Ausgangsstrom zu korrigieren.
-
Der Leckstrom wird anhand einer gemessenen Spannung Ui bestimmt, wobei man sich eines für die Spannungsmessung bei Üb = 10V notwendigen Spannungsteilers Rv/ Rp bedient, denn die Steuereinheit 7 kann höchstens 5V oder weniger erfassen.
-
Der in die Detektionsschaltung 6 hineinfließende Leckstrom (Kompensationsstrom 5) erzeugt einen Spannungsabfall über dem Widerstand Rv und eine vom A/D-Wandler 7a messbare Spannung Ui, die über den parallelen Widerständen Rp und Ri anliegt.
-
Selbst bei Vernachlässigung des nicht oder nur ungenau bekannten Widerstandes Ri erhält man einen Näherungswert für den Kompensationsstrom 5, nämlich Ui/Rp.
-
Speist man diesen Näherungswert als Kompensationsstrom 5 ein, erhöht sich zum einen der Bürdenstrom und zum anderen auch die Spannung Ui. Jetzt kann man in einem zweiten iterativen Schritt durch Vergleich der bei Vernachlässigung von Ri zu erwartenden Erhöhung der Spannung Ui mit der tatsächlichen Spannungserhöhung von Ui den Widerstand Ri, und damit den tatsächlichen Leckstrom in einer besseren Näherung bestimmen, und als neuen Kompensationsstrom 5 einspeisen.
-
Die gezeigte Stromschnittstelle kann unter anderem vorteilhaft zur Erfassung einer Prozessgröße in prozesstechnischen Produktionsanlagen Verwendung finden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bürde, Schleifenwiderstand
- 2
- Sensor, z. B Temperatursensor
- 3
- Stromquelle
- 4
- Messstrom, repräsentiert eine Prozessmessgröße (Prozesswert)
- 5
- Kompensationsstrom, = dem zur Spannungsmessung benötigten (Leck) Strom
- 6
- Detektionsschaltung zur Spannungsmessung, Tiefpass mit Spannungsteiler
- 6a
- Vorwiderstand Rv des Spannungsteilers in der Detektionsschaltung 6
- 6b
- Parallelwiderstand Rp des Spannungsteilers in der Detektionsschaltung 6
- 7
- Auswerteeinheit, Mikrocontroller mit Mikroprozessor und AD/DA-Wandlern
- 7a
- Analog/Digital-Wandler (ADC) zur Erfassung der Spannung über der Bürde 1
- 7b
- Eingangswiderstand Ri des Analog/Digital-Wandlers 7a
- 7c
- Analog/Digital-Wandler (ADC) zur Messwerterfassung
- 7d
- Digital/Analog-Wandler (DAC) zur Steuerung der Stromquelle 3
