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Die Erfindung bezieht sich auf ein eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevanten Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
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Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Viele Feldgeräte sind als sogenannte 2-Leiter Versionen (Zweileiterfeldgerät) erhältlich. Hierbei erfolgt die Energieversorgung des Feldgeräts über das gleiche Leitungspaar (Zweileiterdraht) über das auch die Kommunikation erfolgt.
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Zweileiterfeldgeräte sind derartig ausgebildet, dass der Messwert analog über die Zweileiterverdrahtung bzw. die Zweidrahtleitung kommuniziert, d.h. übertragen, wird. Die Übertragung basiert hierbei für gewöhnlich auf dem 4 bis 20 mA Standard. Daneben findet sich in den bestehenden Automatisierungsanlagen auch noch eine Vielzahl von busgespeisten Feldgeräten, die über einen in der Automatisierungstechnik gängigen Feldbus miteinander und zu mindestens einer übergeordneten Einheit verbunden sind.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten busgespeisten Feldgeräte sind derartig ausgebildet, dass der Messwert digital über den Feldbus kommuniziert wird. So können die Feldgeräte bspw. gemäß dem Profibus-Standard, insbesondere Profibus PA/FF, Daten kommunizieren.
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Insbesondere in der Prozessindustrie aber auch der Automatisierungstechnik müssen physikalische oder technische Größen durch die Feldgeräte oftmals in Bereichen gemessen bzw. ermittelt werden, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht, sogenannte explosionsgefährdete Bereiche. Durch geeignete Maßnahmen in den Feldgeräten und Auswertesystemen (wie z. B. Spannungs- und Strombegrenzung) kann die elektrische Energie in dem zu übermittelnden Signal so begrenzt werden, dass dieses Signal unter keinen Umständen (Kurzschluss, Unterbrechungen, thermische Effekte, ...) eine Explosion auslösen kann. Hierfür sind in der IEC EN DIN 60079-ff entsprechende Schutzprinzipien festgelegt worden.
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Gemäß dieser Norm sind, basierend auf den anzuwendenden Zündschutzarten, konstruktive und schaltungstechnische Maßnahmen für die Feldgeräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen definiert. Einer dieser Zündschutzarten stellt die Zündschutzart „Eigensicherheit“ (Kennzeichnung Ex-i, IEC EN DIN 60079-11, veröffentlicht Juni 2012) dar.
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Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ basiert auf dem Prinzip der Strom- und Spannungsbegrenzung in einem Stromkreis. Die Energie des Stromkreises, die in der Lage sein könnte, eine explosionsfähige Atmosphäre zum Zünden zu bringen, wird dabei so begrenzt, dass weder durch Funken noch durch unzulässige Erwärmung der elektrischen Bauteile die Zündung der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre stattfinden kann.
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Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ definiert dabei drei Schutzniveaus: Ex-ia, Ex-ib und Ex-ic. Dabei ist mit Niveau a das höchste Niveau definiert, bei welchem zwei zählbare Fehler in ihrer Kombination nicht zu einer Fehlfunktion führen und somit eine Zündung hervorrufen dürfen (2-Fehler-Sicherheit). Das Niveau b definiert, dass ein zählbarer Fehler nicht zu einer Fehlfunktion führen und somit eine Zündung hervorrufen dürfen (1-Fehler-Sicherheit). Bei dem Niveau c ist entsprechend keine Fehlersicherheit definiert, sodass bei einer Fehlfunktion bereits eine Zündung hervorgerufen werden kann (0-Fehler-Sicherheit).
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Ein kritischer Bereich hinsichtlich der Zündschutzart Eigensicherheit (Ex-i) bei Feldgeräten ist der Shunt-Widerstand, der zum Messen bzw. Rücklesen des Schleifenstroms verwendet wird. Im normalen Betrieb fallen am Shunt-Widerstand in der Regel nur wenige mV ab. Diese Spannung wird als Rückkoppelung zur Regelung des Aufnahmestroms des Gerätes und ggf. als Eingangswert für eine digitale Kommunikation (HART, Profibus PA, oder Foundation Fieldbus FF) verwendet. Die Geräte bilden dabei eine regelbare Stromsenke, wobei der Strom zugleich eine analoge Stromschnittstelle sein kann (4-20mA-Stromschnittstelle) oder ein digitales Bussignal auf diesen Schleifenstrom aufmoduliert sein kann (HART oder Manchester-Bus-Powered wie bei Profibus PA oder Foundation Fieldbus).
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Wenn der Shunt-Widerstand im Fehlerfall nun hochohmig wird oder von der Leiterplatte abreißt liegt die gesamte Klemmenspannung des Gerätes an der Stelle des Widerstandes an.
Für eigensichere Geräte nach der zuvor genannten Norm IEC EN DIN 60079-11 (Ex-i) müssen diese Shunt-Widerstände damit entweder einen ausreichenden Abstand (Trennabstand gemäß Tabelle 5 der Norm IEC EN DIN 60079-11) zur übrigen Feldgeräteelektronik aufweisen oder dreifach redundant ausgeführt werden, um im Fehlerfall zu verhindern, dass ein unsicherer Zustand (unzulässig hohe Spannung) des Feldgerätes auftritt.
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Eine redundante Ausführung der Widerstände kann jedoch unter Umständen nicht möglich sein, wenn in Reihe zum Shunt-Widerstand Induktivitäten notwendig sein sollten. Das ist häufig bei Manchester-Bus-Powered Feldgeräten, wie Profibus PA und Foundation Fieldbus FF Feldgeräten, der Fall. In diesem Fall bleibt somit nur eine ausreichende Isolation des Shunt-Widerstands zur übrigen Geräteelektronik mittels entsprechend ausgelegten Trennabständen (Tabelle 5 der Norm IEC EN DIN 60079-11) sicher zu stellen.
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Diese Maßnahme benötigt jedoch verhältnismäßig viel Platz auf der entsprechenden Leiterplatte, da zusätzlich Platz für die Trennabstände zur Verfügung gestellt werden muss. Ferner sind Shunt-Widerstände in der Regel als Präzisionswiderstände ausgeführt und somit relativ teuer.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer Feldgerätelektronik vorzuschlagen, die kostengünstiger realisiert werden kann und zu dem noch weniger Platz auf einer Leiterplatte benötigt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das eigensichere Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 1.
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Das erfindungsgemäße eigensichere Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich umfasst:
- - eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschließen einer Zweidrahtleitung über die ein Strom zuführbar ist;
- - ein Sensor- und/oder Aktorelement zum Erfassen und/oder Stellen einer Prozessgröße;
- - eine mit der ersten und zweiten Anschlussklemme verbundene Feldgeräteelektronik, die den über die Zweidrahtleitung zuführbare Strom über einen Strompfad von der ersten zu der zweiten Anschlussklemme führt, wobei die Feldgeräteelektronik dazu eingerichtet ist, die über das Sensorelement erfasste Prozessgröße, insbesondere durch Stellen des Stromes auf einen entsprechenden Wert, über die Zweidrahtleitung zu übertragen und/oder eine durch das Aktorelement zu stellende Prozessgröße, insbesondere durch Auslesen des Stromes, über die Zweidrahtleitung zu empfangen und das
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Aktorelement entsprechend zu stellen, wobei die Feldgeräteelektronik eine Shunt-Widerstandsschaltung mit einem in den Strompfad eingebrachten Shunt-Widerstand und zwei jeweils zu dem Shunt-Widerstand parallel geschaltete Dioden aufweist, wobei die Dioden derartig verschaltet sind, dass die Dioden in Flussrichtung in den Strompfad eingebracht sind.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zwei Dioden, die in Flussrichtung parallel zu dem Shunt-Widerstand geschaltet sind, im Fehlerfall die Spannung am Shunt-Widerstand begrenzen, so dass die Anforderungen an die Norm IEC EN DIN 60079-11 erfüllt sind. Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass sie platzsparender realisierbar und kostengünstiger ist als eine aus dem Stand der Technik vergleichbare Lösung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des eigensicheren Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass der Shunt-Widerstand (30) einen Widerstandswert im Bereich von 5-40 Ohm, vorzugsweise 7-30 Ohm, besonders bevorzugt im Bereich von 10-25 Ohm aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des eigensicheren Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass die Dioden Silizium-Dioden mit einer Flussspannung von ca. 0,6 bis 0,7 V sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des eigensicheren Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass die Feldgeräteelektronik dazu eingerichtet ist, einen der Prozessgröße entsprechenden Wert gemäß dem Profibus PA oder Foundation Fieldbus FF Standard zu übertragen und/oder einen der Prozessgröße entsprechenden Wert zum Stellen des Aktorelements gemäß dem Profibus PA oder Foundation Fieldbus FF Standard zu empfangen. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Shunt-Widerstandsschaltung ferner eine in Reihe zu dem Shunt-Widerstand geschaltete Induktivität (L) zur Erhöhung der Stabilität einer Kommunikation gemäß dem Profibus PA oder Foundation Fieldbus FF Standard aufweist und wobei die Dioden parallel zu dem Shunt-Widerstand und der Induktivität geschaltet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des eigensicheren Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass die Feldgeräteelektronik einen Brückengleichrichter aufweist, welcher eingangsseitig mit den Anschlussklemmen verbunden ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine eingangsseitig anliegende Klemmenspannung gleichzurichten und ausgangsseitig zur Energieversorgung der Feldgeräteelektronik bereit zu stellen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines Feldgerätes mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Shunt-Widerstandsschaltung, und
- 2:eine erfindungsgemäße Ausführung der Shunt-Widerstandsschaltung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldgerätes 10, welches über eine erste und zweite Anschlussklemme 30a und 30b an eine Zweidrahtleitung 14 zur Signal- und Energieübertragung angeschlossen ist. Die Zweidrahtleitung 14 ist wiederum an dem anderen Ende an eine übergeordnete Einheit 12 angeschlossen. Das Feldgerät 10 ist bei dem dargestellten Beispiel eine Messstelle, in der mit Hilfe eines Sensors 16 ein Messwert bzw. Prozessgröße (beispielsweise Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Füllstand, Durchfluss) erfasst wird. Genauso gut könnte das Feldgerät aber auch eine Aktorstelle sein, in der mit Hilfe eines Aktors eine Prozessgröße gestellt wird.
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Das Feldgerät 10 enthält keine eigene Energiequelle, sondern bezieht den für den Betrieb erforderlichen Versorgungsstrom über die Zweidrahtleitung 14. Dieser kann beispielsweise von einer in der übergeordneten Einheit 12 enthaltenen Spannungsquelle 18 bereitgestellt werden. Über die gleiche Zweidrahtleitung 14 wird ein jeweils den gerade gemessenen Messwert darstellendes Messwertsignal von dem Feldgerät 10 zur übergeordneten Einheit 12 übertragen.
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Je nach Ausprägung des Feldgerätes 10 kann die Messwertübertragung analog oder digital über die Zweidrahtleitung 14 zu der übergeordneten Einheit erfolgen.
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Einer üblichen Technik entsprechend basiert die analoge Messwertübertragung darauf, dass ein über die Zweidrahtleitung 14 fließender Signalstrom Is, der sich zwischen zwei vorgegebenen Werten (üblicherweise den Stromwerten 4 mA und 20 mA) ändern kann, entsprechend dem Messwert gestellt wird.
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Zur Messwerterfassung enthält das Feldgerät 10 wiederum den bereits erwähnten Sensor 16 und eine mit ihm verbundene Messwandlerschaltung 20, die über ein Steuerleitung 22 eine steuerbare Stromregelung 32 derartig ansteuert, dass der Messstrom Is auf einen den erfassten Messwert repräsentierenden Wert (Signalstrom) gestellt wird.
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Der Signalstrom Is wird in dem Feldgerät 10 mittels einer internen Feldgerätelektronik durch einen Strompfad 50 von der ersten zu der zweiten Anschlussklemme 30a, 30b geführt. Über eine in den Strompfad 50 eingebrachte steuerbare Stromregelung bzw. Stromsenke 32 kann der Strom Is eingestellt werden. Die Stromregelung wird durch ein von der Messwandlerschaltung 20 am Ausgang abgegebenes Signal, welches über die Steuerleitung 22 als Steuersignal der Stromregelegung 32 zugeführt ist, entsprechend angesteuert. Abhängig vom jeweils erfassten Messwert wird somit der in der Zweidrahtleitung fließende Signalstrom Is durch eine entsprechende Steuerung der Stromregelung bzw. Stromsenke 32 gestellt. Die Stromregelung bzw. Stromsenke kann beispielsweise einen Transistor umfassen, der über das Steuersignal von der Messwandlerschaltung 20 geregelt wird. In dem Fall, dass das Feldgerät als Aktor ausgebildet ist, d.h. statt einem Sensor ein Aktor aufweist, entfällt die Stromregelung.
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Bei einem vom Sensor 16 erfassten Messwert, der am unteren Ende des Messwertbereichs liegt, nimmt der Signalstrom Is ebenfalls den unteren Wert des Signalstrombereichs an. Bei der üblichen 4-20 mA Technik also einen Wert von 4 mA. Entsprechend nimmt bei einem vom Sensor 16 erfassten Messwert, der am oberen Ende des Messwertbereichs liegt, der Signalstrom Is den oberen Wert des Signalstrombereichs an. Bei der üblichen 4-20 mA Technik also einen Wert von 20 mA.
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Bei der analogen Messwertübertragung umfasst die übergeordnete Einheit 12 eine Auswertungsschaltung 26, die aus dem über die Zweidrahtleitung 14 übertragenen Signalstrom Is die Messwertinformation gewinnt. Zu diesem Zweck ist in die Zweidrahtleitung ein Messwiderstand 28 eingefügt, an dem eine Spannung UM entsteht, die dem über die Zweidrahtleitung übertragenen Signalstrom Is proportional ist und die der Auswertungsschaltung 26 zugeführt wird. Die Spannungsquelle 18 liefert eine Gleichspannung Uv, und der Messstrom Is ist ein Gleichstrom.
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Neben der analogen Messwertübertragung kann das Feldgerät 10 aber auch zur digitalen Messwertübertragung, bspw. gemäß dem Profibus Standard PA oder gemäß dem Foundation Fieldbus Standard FF, über die Zweidrahtleitung ausgebildet sein.
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Hierbei wird die Stromregelung bzw. Stromsenke 32 durch ein von der Messwandlerschaltung 20 am Ausgang abgegebenes Signal, welches über die Steuerleitung 22 als Steuersignal der Stromregelegung 32 zugeführt ist, auf einen fixen/unveränderlichen Grundstromwert Is im Bereich von 10 bis 40mA, üblicherweise ca. 12mA, eingestellt, auf den dann ein dem Messwert entsprechendes digitales Stromsignal aufmoduliert wird (Manchester-Kodierung ohne Mittelwert, mit einer Strom/Amplituden Modulation von Is ± 9 mA).
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In dem Fall, dass die Messwertübertragung digital erfolgt, umfasst die übergeordnete Einheit einen Segmentkoppler, der dazu eingerichtet ist, das digitale Profibus PA Signal umzusetzen und das Profibus PA Feldgerät mit Energie zu versorgen.
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In dem Fall, dass das Feldgerät als Profibus PA Feldgerät ausgebildet ist, muss es ferner einen Verpolungsschutz 31 aufweisen, wohingegen in dem Fall, dass das Feldgerät als Zweileiterfeldgerät oder als FF Feldgerät ausgebildet ist, kann es optional einen Verpolungsschutz aufweisen. Der Verpolungsschutz kann in Form einer Brückengleichrichterschaltung 31 realisiert sein. Die Brückengleichrichterschaltung 31 ist dabei derartig ausgebildet, dass eingangsseitig die an den Anschlussklemmen anliegende Klemmenspannung Uk anliegt und ausgangsseitig eine polungsunabhängige Betriebsspannung Ub zur Verfügung gestellt wird.
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Unabhängig davon, ob das Feldgerät 10 zur analogen oder digitalen Messwertübertragung ausgebildet ist, umfasst das Feldgerät ferner eine niederohmige Shunt-Widerstandsschaltung 33a, 33b, 33c, über die der gestellte Signalstrom Is mittels einer Rückleseleitung 23 durch die Messwandlerschaltung 20 zurückgelesen wird. Um die eingangs genannten Anforderungen an die Eigensicherheit (Ex-ia) des Feldgerätes zu erfüllen, ist, zumindest bei Feldgeräten mit analoger Messwertübertragung, der Shunt-Widerstand, wie in 1 dargestellt, dreifach redundant ausgeführt. Derartige Shunt-Widerstande 33a, 33b, 33c sind zur Regelung des Stromsignals entsprechend eines durch den Sensor ermittelten Messwertes für ein Feldgerät unerlässlich und weisen typischerweise einen Gesamtwiderstandswert im Bereich von 5-40 Ohm, vorzugsweise 7-30 Ohm, besonders bevorzugt im Bereich von 10-25 Ohm auf. Entsprechend dem Ohmschen Gesetz fällt an der Shunt-Widerstandsschaltung 33a, 33b, 33c eine Spannung U_Shunt = R_Shunt_gesamt · Is ab. Die Spannung U_Shunt ist somit proportional zu dem durch das Feldgerät fließenden Strom Is. Zur Regelung des zu stellenden Signalstroms Is ist die über der Shunt-Widerstandsschaltung 33a, 33b, 33c abfallende Spannung der Messwandlerschaltung zugeführt.
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Eine redundante Ausführung des Shunt-Widerstandes ist jedoch nicht immer möglich, bspw. ist diese nicht möglich, wenn in Reihe zum Shunt-Widerstand eine Induktivität, bspw. zur Erhöhung der Stabilität einer digitalen Kommunikation, notwendig sein sollte. In diesem Fall ist die Shunt-Widerstandsschaltung mit einem einzelnen Widerstand ausgeführt und entsprechend den Vorgaben aus der Norm 60079-11, Tabelle 5 von den übrigen elektronischen Bauteilen der Feldgeräteelektronik beabstandet.
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Darüber hinaus enthält das Feldgerät 10 ferner einen Spannungsregler 36, bspw. in Form eines Schalt- oder Linearreglers, dessen Aufgabe darin besteht, eine möglichst konstante Betriebsspannung für die Messwandlerschaltung 20 und den Sensor 16 zu erzeugen. Die Eingangsspannung für den Spannungsregler 36 kann beispielsweise von einer Spannungsquelle 34, insbesondere in Form eines Kondensators, bereitgestellt werden. Durch die Spannungsquelle 34 wird die Eingangsspannung bzw. Klemmenspannung Uk, welche von der in der übergeordneten Einheit 12 enthaltenen Spannungsquelle 18 bereitgestellt wird, gestützt. Die Spannungsquelle 34 dient somit als „Quelle“ für die daran anschließenden Schaltungsteile, insbesondere für den Spannungsregler 36.
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Die Verwendung des Spannungsreglers 36 in Verbindung mit der Spannungsquelle 34 ermöglicht es, der Messwandlerschaltung 20 und dem Sensor 16 stets die höchstmögliche Leistung zur Verfügung zu stellen. Der Spannungsregler 36 sorgt dabei dafür, dass trotz einer Erhöhung seiner Eingangsspannung Ue die Betriebsspannung der Messwandlerschaltung 20 und des Sensors 16 auf einem konstanten Wert gehalten wird, so dass durch eine Erhöhung der Eingangsspannung Ue am Spannungsregler 36 eine höhere Eingangsleistung zur Verfügung steht, die somit auch eine höhere Ausgangsleistung ermöglicht.
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Zur Spannungsbegrenzung kann das Feldgerät 10 als Teil der Ex-Schutzeinheit 35, 38 eine Spannungsbegrenzungsschaltung 35 aufweisen. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 35 ist parallel zu der externen Spannungsquelle 18 zwischen die erste und zweite Anschlussklemme 30a, 30b geschaltet.
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Alternativ oder ergänzend kann das Feldgerät als Teil der Ex-Schutzeinheit eine Strombegrenzungsschaltung 38 zur Strombegrenzung aufweisen. Die Strombegrenzungsschaltung ist in Reihe zu den Anschlussklemmen 30a, 30b bzw. der Spannungsbegrenzungsschaltung 35 geschaltet.
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Die Spannungsbegrenzungsschaltung 35 kann, gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise aus drei (um eine 2-Fehler-Sicherheit gewährleisten zu können) parallel zueinander geschalteten Dioden, insbesondere Z-Dioden, ausgebildet sein. Die Dioden sind derartig angeordnet, dass Spannungen, die durch schaltungstechnisch dahinterliegende Induktivitäten induziert werden können, und/oder Spannungen, die von anderen schaltungstechnisch dahinterliegenden Schaltungsteilen ungewollt erzeugte werden können, zu den Anschlussklemmen 30a, 30b hin begrenzt werden. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Dioden derartig verschaltet, dass die Kathoden jeweils zu der Anschlussklemme 30a und die Anoden jeweils zu der Anschlussklemme 30b verbunden sind.
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Die Strombegrenzungsschaltung 38 kann, gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise ebenfalls aus drei in Reihe zueinander geschaltete Dioden, insbesondere Shottky-Dioden, ausgebildet sein. Die Dioden sind derartig angeordnet, dass ein ungewollter Stromfluss über die Anschlussklemmen 30a, 30b aus der Feldgeräteelektronik heraus vermieden wird. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in Reihe geschalten Dioden derartig verschaltet, dass die Anoden jeweils zu der Anschlussklemme 30a hin gerichtet sind und die Kathoden jeweils von der Anschlussklemme 30a weg gerichtet sind.
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Um die Anforderungen der Zündschutzart „Eigensicherheit“ und somit ein eigensicheres Feldgerät bereitstellen zu können, müssen die Dioden gemäß dem Stand der Technik derartig auf einer Leiterplatte der Feldgeräteelektronik angeordnet sein, dass die Trennabstände gemäß Tabelle 5 der Norm IEC EN DIN 60079-11, veröffentlich im Juni 2012, erfüllt sind.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung der Shunt-Widerstandsschaltung 39a, 39b, 39c. Dies umfasst einen (einzigen) Shunt-Widerstand 39a sowie zwei Dioden 39b, 39c, insbesondere zwei Silizum-Dioden, die parallel zu dem Shunt-Widerstand 39a geschaltet sind. Die Dioden 39b, 39c sind dabei derartig verschaltet, dass für den Signalstrom Is in Durchlassrichtung geschaltet sind. In dem in 2 dargestellten Beispiel also derartig, dass die Kathoden jeweils zu der zweiten Anschlussklemme 30b gerichtet sind und die Anoden jeweils von der zweiten Anschlussklemme 30b weggerichtet sind. Vorteilhafterweise sind die Dioden 39b, 39c als SMD (Surface-mounted device) Bauteile ausgeführt. Optional kann die Shunt-Widerstandsschaltung 39a, 39b, 39c auch eine in Reihe zu dem Shunt-Widerstand 39a geschaltete Induktivität L aufweisen, die zur Erhöhung der Stabilität einer Kommunikation dient. Dies ist beispielsweise dann notwendig, wenn das Feldgerät dazu eingerichtet ist, die Prozessgröße gemäß dem Profibus PA oder dem Foundation Fieldbus FF Standard zu übertragen und/oder zu empfangen. Der (einzige) Shunt-Widerstand 39a weist einen Widerstandswert im Bereich von 5-40 Ohm, vorzugsweise 7-30 Ohm, besonders bevorzugt im Bereich von 10-25 Ohm auf. Im Normalbetrieb (fehlerfreier Betrieb) fällt somit eine Shuntspannung UShunt von nur wenige mV über dem Shunt-Widerstand 39a ab. Diese Shuntspannung UShunt ist deutlich kleiner als eine über den Dioden im Normalbetrieb abfallende Flusspannung, UFluss, die typischerweise bei Silizium-Dioden bei ca. 0,6 bis 0,7 V liegt. Daher wird die am Spannungsabgriffspunkt 21 abgegriffene Spannung, die mittels der Rückleseleitung 23 zur Messwandlerschaltung 20 übertragen wird und durch die der gestellte Signalstrom Is zurückgelesen wird, nicht durch die parallel geschalteten Dioden 39b, 39c verfälscht. Vorzugsweise werden Dioden gewählt, die einen kleinen Strom in Durchlassrichtung haben, umso eine Verfälschung des mittels der Shunt-Widerstandsschaltung rückgelesenen Strom zu minimieren.
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Dies bedeutet, dass je nach Ausprägung des Feldgerätes unterschiedliche Dioden eingesetzt werden können. In dem Fall, dass das Feldgerät als Profibus PA Feldgerät ausgebildet ist, können dabei Dioden eingesetzt werden, die einen höheren Strom in Durchlassrichtung aufweisen als in dem Fall, dass das Feldgerät zur analogen Messwertübertragung ausgebildet ist. Bei einem PA Feldgerät können bspw. Dioden eingesetzt werden, die, in dem entsprechenden Betriebsspannungsbereich typ. 40mV - 400 mV, einen Strom in Durchlassrichtung kleiner-gleich 1mA (ID≤ 1 mA), vorzugsweise kleiner-gleich 0,8mA (ID≤ 0,8 mA), besonders bevorzug kleiner-gleich 0,7mA (ID≤ 0,7 mA), aufweisen. In dem Fall, dass das Feldgerät zur analogen Messwertübertragung ausgebildet ist, können bspw. Dioden eingesetzt werden, die, in dem entsprechenden Betriebsspannungsbereich typ. 40mV - 400 mV, einen Strom in Durchlassrichtung kleiner-gleich 100 µA (ID≤ 100 µA), vorzugsweise kleiner-gleich 50 µA (ID ≤ 50 µA), besonders bevorzug kleiner-gleich 10 µA (ID≤ 10 µA), aufweisen.
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Wenn der Shunt-Widerstand 39a im Fehlerfall nun hochohmig wird oder von der Leiterplatte abreißt, wird die über die Shunt-Widerstandsschaltung abfallende Spannung auf die Flussspannung der Dioden, also bspw. 0,6 bis 0,7 V beim Einsatz von Silizium-Dioden, durch die Dioden 39b, 39c begrenzt. Insofern kann ein gemäß der Norm IEC EN DIN 60079-11, Tabelle 5 vorgegebener Trennabstand auf ein Minimum reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Feldgerät
- 12
- Übergeordnete Einheit, z.B. Steuerprogrammierbare Steuerung (SPS)
- 14
- Zweidrahtleitung
- 16
- Sensor bzw. Sensorelement
- 20
- Messwandlerschaltung
- 21
- Spannungsabgriff
- 22
- Steuerleitung
- 23
- Rückleseleitung
- 24
- Ausgang der Messwandlerschaltung
- 30a, 30b
- Anschlussklemmen
- 31
- Brückengleichrichterschaltung
- 32
- Steuerbare Stromregelung
- 33a, 33b, 33c
- Shunt-Widerstände gemäß einer Shunt-Widerstandsschaltung aus dem Stand der Technik
- 34
- Spannungsquelle, bspw. Kondensator
- 35
- Spannungsbegrenzungsschaltung
- 36
- Spannungsregler, bspw. Schaltregler oder Linearregler
- 38
- Strom begrenzungsschaltung
- 39a
- Einzelner Shunt-Widerstand der erfindungsgemäßen Shunt-Widerstandsschaltung
- 39b, 39c
- Dioden der erfindungsgemäßen Shunt-Widerstandsschaltung
- 50
- Strom pfad
- Is
- Messstrom
- L
- Induktivität
- Uk
- Klemmenspannung
- Ub
- Betriebsspannung
- U_Shunt
- Spannung über dem Shunt-Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 60079-11 [0012, 0013, 0045, 0048]
