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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für die Prozesstechnik
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Betriebsverfahren für eine Messeinrichtung
für die Prozesstechnik
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Patentanspruchs 9.
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Bekannte
Messeinrichtungen sind häufig
mit technisch sehr aufwendigen Stromversorgungen ausgestattet, die
eine Vielzahl von verschiedenen Versorgungsspannungen bereitstellen
müssen.
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Neben
der Zentraleinheit selbst müssen auch
mit der Zentraleinheit verbindbare Messmodule von einer solchen
Stromversorgung versorgt werden. Diese Messmodule weisen – je nach
Einsatzzweck – die
unterschiedlichsten Sensortypen auf, welche oftmals spezielle Versorgungsspannungen
benötigen.
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Darüber hinaus
ist die elektrische Leistungsaufnahme der Messmodule durchaus unterschiedlich,
weshalb es mit herkömmlichen
Ansätzen
nicht möglich
ist, eine Stromversorgung für
eine Zentraleinheit bereitzustellen, die in sämtlichen Betriebspunkten einen
guten Wirkungsgrad hat.
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Aus
dem Bürklin-Katalog „Die ganze
Elektronik '02/'03, Seite 1109, ist
eine Zentraleinheit mit einer Zentralstromversorgung bekannt, an
die Messmodule anschließbar
sind.
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Aus
der
DE 199 47 698
A1 ist eine Anschlussschaltung für ein Messgerät bekannt,
das eine Zweileiterschnittstelle aufweist zum Anschließen einer
zweiadrigen Leitung, über
die einerseits ein Messgerät
speisbar ist, und über
die andererseits ein Messsignal übertragbar
ist.
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Aus
der
DE 100 59 815
A1 ist eine elektronische Messvorrichtung zur Erfassung
einer Prozessvariablen, insbesondere einer Radar- oder Ultraschall-Füllstandsmessvorrichtung und
ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Messvorrichtung bekannt,
die eine Sensoreinrichtung zum Messen der Prozessvariablen sowie
eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung von Bauelementen der Messvorrichtung
aufweist.
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Aus
der
DE 199 06 627
A1 ist ein Verfahren zum Überwachen und/oder Steuern
von Einrichtungen bekannt, bei dem eine Datenübertragung sowie eine Stromversorgung über Leitungsverbindungen eines
Bus-Systems erfolgt.
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Aus
der
EP 0 716 404 A1 ist
ein Verfahren zur seriellen Übertragung
von digitalen Messwerten bekannt, wobei Messwerte in so kurzen zeitlichen Abständen ermittelt
werden, dass ihre Abweichung vom jeweils vorausgehend ermittelten
Messwert im Regelfall entweder +1, 0 oder –1 beträgt und somit durch lediglich
2 Bit darstellbar ist.
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Aus
der
EP 0 355 532 A2 ist
eine Anordnung zum Übertragen
von Daten und einer Versorgungsspannung über eine Busleitung bekannt,
bei der Geräte
eines Bussystems jeweils mittels eines Übertragers an die Busleitung
angeschlossen sind. Der Übertrager
weist zwei Wicklungen gleicher Windungszahl auf.
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Aus
der
EP 2 352 376 A ist
ein Telemetriesystem bekannt, bei dem Daten mittels einer Modulation
von Leistungssignalen übertragen
werden.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinheit
für die
Prozesstechnik mit Zentralstromversorgung und ein Betriebsverfahren
dafür anzugeben,
bei der unter Vermeidung der angeführten Nachteile des Standes
der Technik eine Vielzahl verschiedener Messmodule verwendbar sind,
und bei der der schaltungstechnische Aufwand in der Zentralstromversorgung
verringert und die Flexibilität
der Messeinheit erhöht
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Messeinrichtung der eingangs genanten Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass in dem Messmodul eine Rückkopplungseinheit
vorgesehen ist, die aus der am Messmodul anliegenden Versorgungsspannung
ein Rückkopplungssignal
erzeugt, das einem Regler der Zentralstromversorgung zuführbar ist
und die Versorgungsspannung beeinflusst.
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Die
Rückkopplungseinheit
weist in einer sehr einfachen Variante beispielsweise einen Spannungsteiler
oder eine andere Schaltung zur Bildung des Rückkopplungssignals auf, der
so ausgebildet ist, dass das Rückkopplungssignal
bei Übereinstimmung der
von der Zentraleinheit erzeugten Versorgungsspannung mit der vom
Messmodul benötigten
Spannung mit einer Referenzspannung des Reglers übereinstimmt.
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Verschiedene
Messmodule mit unterschiedlichem Versorgungsspannungsbedarf können bei
dieser Variante mit Spannungsteilern unterschiedlicher Kenngrößen ausgestattet
werden, um die jeweilige Versorgungsspannung in die Referenzspannung
des Reglers zu transformieren.
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Bei
einer Abweichung des Rückkopplungssignals
von der Referenzspannung, die eine Regeldifferenz liefert, kann
die Versorgungsspannung unter Verwendung der Regeldifferenz nachgeregelt
werden.
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Ein
großer
Vorteil der Modulversorgung liegt darin, dass die Zentralstromversorgung
verhältnismäßig einfach
ausgelegt sein kann und insbesondere nicht für jedes möglicherweise an die Messeinrichtung
anschließbare
und von dieser zu versorgende Messmodul geeignete Versorgungsspannungen
bereitstellen muss. Dadurch werden die Kosten für eine solche Messeinrichtung
verringert, und ihre Fehleranfälligkeit
sinkt wegen des wesentlich weniger komplexen Aufbaus der Zentralstromversorgung.
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Zudem
ist die Möglichkeit
gegeben, Messmodule durch die Zentralstromversorgung zu versorgen,
ohne deren Versorgungsspannungsanforderung bei der Auslegung der
Zentralstromversorgung berücksichtigen
zu müssen.
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Die
erfindungsgemäße Messeinrichtung
ist insbesondere zum Einsatz in Mess- und/oder Reinigungs- und/oder
Kalibrierungsanlagen, auch im Bereich der Prozessautomatisierung,
zur Messung von pH-Werten und/oder Redoxpotentialen und/oder anderen
Prozessgrößen vorgesehen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann die Zentralstromversorgung eine Wechselspannung bereitstellen,
aus der angeschlossene Messmodule mit Hilfe ihrer jeweiligen Modulversorgung
die benötigten Versorgungsspannungen
erzeugen.
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Eine
sehr einfache Variante einer Modulversorgung sieht dabei einen Transformator
und ggf, eine Gleichrichterschaltung in der Modulversorgung vor,
so dass in dem Messmodul Gleich- und Wechselspannungen erzeugt werden
können.
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Die
Gleichrichterschaltung kann beispielsweise einen herkömmlichen
Brückengleichrichter und
Filternetzwerke sowie ggf. Spannungswandler enthalten. Zweckmäßigerweise
besitzt die Modulversorgung eine eigene Sicherung, so dass ein Fehlerzustand
in einem Messmodul nicht die gesamte Zentralversorgung der Messeinheit
stören
kann.
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Die
in dem Messmodul benötigte
Spannung kann durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses des
Transformators eingestellt werden, wobei prinzipiell die Erzeugung
sowohl einer kleineren als auch einer größeren Sekundärspannung
im Vergleich zur Spannung der Zentralversorgung denkbar ist.
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Ein Übersetzungsverhältnis mit
dem Wert eins ist ebenso denkbar, wobei sich lediglich eine galvanische
Trennung zwischen der Zentralversorgung und dem Messmodul bzw. dessen
Modulversorgung ergibt.
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Es
ist auch möglich,
nur eine Gleichrichterschaltung ohne Transformator in der Modulversorgung
vorzusehen, wobei keine galvanische Trennung des Messmoduls von
der Zentralversorgung besteht.
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Die
Frequenz der von der Zentralversorgung bereitgestellten Versorgungsspannung
kann beispielsweise 50 Hz betragen, wobei die Versorgungsspannung
direkt aus einem öffentlichen
Stromnetz erhalten werden kann.
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Sehr
vorteilhaft können
auch Versorgungsspannungen höherer
Frequenz eingesetzt werden, um bei gleicher Versorgungsleistung
kleinere Bauformen für
ggf. verwendete Transformatoren zu ermöglichen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
sieht vor, dass die Zentralstromversorgung eine Gleichspannung bereitstellen
kann. Dies ist insbesondere dann sehr zweckmäßig, wenn Messmodule Mikroprozessoren oder
andere integrierte elektronische Bauelemente enthalten, die eine
gemeinsame Versorgungsspannung von z.B. 5 Volt benötigen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die Modulversorgung ein Schaltnetzteil auf.
Durch den i.a. hohen Wirkungsgrad eignen sich Schaltnetzteile besonders
gut insbesondere zur Versorgung von Verbrauchen mit hoher Leistungsaufnahme.
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Weiterhin
haben Schaltnetzteile einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich,
so dass in der Zentralstromversorgung kein großer schaltungstechnischer Aufwand
zur Erzeugung der Versorgungsspannung erforderlich ist, um den Betrieb
eines Messmoduls mit Schaltnetzteil in der Modulversorgung sicherzustellen.
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Für die Verwendung
in Messmodulen mit empfindlicher Sensorik ist eine Abschirmung des Schaltnetzteils
zur Verringerung von Störabstrahlungen
vorzusehen. Eventuell kann auch die Betriebsfrequenz des Schaltnetzteils
deutlich oberhalb der Grenzfrequenz von Meßsignalen gewählt oder
ein Filternetzwerk für
die Meßsignale
vorgesehen werden.
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Für die Verwendung
im Explosionsschutz ist bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
dass die Zentralstromversorgung eine erste Induktionsvorrichtung
aufweist, und dass die Modulversorgung eine zweite Induktionsvorrichtung aufweist.
Da die elektrische Energieübertragung
bei dieser Variante der Erfindung nach dem Induktionsprinzip erfolgt,
müssen
keine elektrischen Kontakte betätigt
werden, um das Messmodul an die Zentralversorgung anzuschließen. Damit
ist das Risiko einer Funkenbildung bei Kontaktunterbrechung ausgeschlossen.
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Besonders
sinnvoll bei dieser Ausführungsform
ist ein geringer Abstand zwischen der ersten und der zweiten Induktionsvorrichtung,
der z.B. durch entsprechend ineinandergreifend ausgeformte Gehäuseabschnitte
der Zentraleinheit bzw. des Messmoduls erreicht wird.
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Sehr
vorteilhaft ist auch eine Variante der Erfindung, bei der die von
der Zentralstromversorgung bereitgestellte Spannung mit einem Nutzsignal
modulierbar ist, um eine Datenkommunikation zwischen der Zentraleinheit
und dem Messmodul zu ermöglichen,
ohne dafür
separate Übertragungsleitungen vorsehen
zu müssen.
Bei der Dimensionierung eines solchen Systems muss die Bandbreite
des Nutzsignals unter Beachtung der Übertragungsfunktion des Transformators
gewählt
werden.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren
gemäß Patentanspruch
9 angegeben.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die von der Zentralstromversorgung
bereitgestellte Spannung mit einem Nutzsignal moduliert wird.
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Eine
vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung(en) im Betrieb geändert werden.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Messmodul einen zweiten
in seiner Modulversorgung vorgesehenen Transformator mit der Zentralstromversorgung
verbindet oder auch indem Steuergrößen eines Schaltnetzteils geändert werden.
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Bei
dem zweiten Transformator kann es sich beispielsweise um einen Transformator
mit großer Nennleistung
handeln, der nur zeitweise gebraucht wird. Eine Abschaltung des
zweiten Transformators im Betrieb trägt dazu bei, die Belastung
der Zentralstromversorgung so gering wie möglich zu halten.
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Ganz
allgemein ist die Funktion des Messmoduls nicht auf die Messwerterfassung
beschränkt. Ein
Messmodul kann auch Berechnungseinheiten, Ausgabeeinheiten oder
andere Datenverarbeitungseinrichtungen oder Einrichtungen aufweisen,
die eine Erweiterung der Messeinrichtung ermöglichen.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
und
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
ist eine Zentraleinheit 1 sowie zwei Messmodule 2, 3 dargestellt.
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Die
Zentraleinheit 1 weist eine Zentralstromversorgung 9 auf, die
zur Versorgung der Messmodule 2, 3 mit elektrischer
Energie dient.
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Die
Zentralstromversorgung 4 besteht beispielsweise aus einem
Netztransformator, der ggf. mit einem selbstheilenden Überlastschutz
oder einer Schmelzsicherung abgesichert ist und eine Wechselspannung
mit der Frequenz 50 Hz liefert.
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Das
Messmodul 2 weist eine Modulversorgung 2' auf, und das
Messmodul 3 weist eine Modulversorgung 3' auf. Die Modulversorgungen 2', 3' sind mit der
Zentralstromversorgung 4 verbunden und bereiten die von
der Zentralstromversorgung 4 zur Verfügung gestellte Wechselspannung
entsprechend den in den Messmodulen 2, 3 benötigten Versorgungsspannungen
V_2, V_3 auf.
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Dazu
weist die Modulversorgung 2' einen Transformator
auf, der direkt mit der Zentralstromversorgung 4 verbunden
ist. Der Transformator hat ein Übersetzungsverhältnis von
eins zu zwei, d.h. die Versorgungsspannung V_2 an der Sekundärseite des
Transformators ist doppelt so hoch wie die von der Zentralversorgung 4 zur
Verfügung
gestellte Wechselspannung, die an der Primärseite des Transformators anliegt.
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Durch
die Wahl eines anderen Übersetzungsverhältnisses
des Transformators ist es möglich,
die Höhe
der Versorgungsspannung V_2 zu bestimmen. Falls lediglich eine galvanische
Trennung des Messmodus 2 bzw. der Modulversorgung 2' und der Zentralstromversorgung 4 realisiert
werden soll, kann ein Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von
eins eingesetzt werden.
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Da
sich die Messeinrichtung prinzipiell nicht nur für Messungen, sondern auch zur
Steuerung und/oder Regelung von Prozessen eignet, kann ein Messmodul
auch Aktoren aufweisen.
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Das
in 1 abgebildete Messmodul 2 weist demgemäß ein Heizelement
(nicht gezeigt) auf, das direkt mit der Versorgungsspannung V_2
der Modulversorgung 2' betrieben
wird.
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Ein
ebenfalls in dem Messmodul 2 angeordneter Mikroprozessor
benötigt
als Versorgungsspannung eine stabilisierte Gleichspannung von fünf Volt, die
aus der Versorgungsspannung V_2 mit Hilfe einer Gleichrichterschaltung
und weiteren Bauelementen erhalten wird. Besonders günstig ist
auch der Einsatz eines Spannungswandlers zur Erzeugung/Stabilisierung
der Gleichspannung. Alternativ kann auch die Zentralstromversorgung 4 die
für integrierte
Schaltungen häufig
benötigte
stabilisierte Gleichspannung bereitstellen.
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Das
Messmodul 3 benötigt
eine Versorgungsspannung V_3, die nicht der Versorgungsspannung
V_2 des Messmoduls 2 entspricht. Daher weist die Modulversorgung 3' einen Transformator
mit einem anderen Übersetzungsverhältnis auf.
Primärseitig
ist dieser Transformator aber parallel zu dem Transformator der
Modulversorgung 2' geschaltet,
so dass an beiden Transformatoren primärseitig dieselbe Wechselspannung
anliegt.
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Darüber hinaus
weist die Modulversorgung 3' zusätzlich noch einen
Hilfstransformator (nicht gezeigt) auf, der in speziellen Prozeßschritten
und vom Messmodul 3 gesteuert mit der Zentralstromversorgung 4 verbunden
wird. Damit ist der Hilfstransformator nur dann aktiv, wenn er benötigt wird,
wodurch in dem Messmodul 3 unnötige Verlustleistung vermieden
wird.
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Anstelle
eines Transformators ist es auch denkbar, ein Schaltnetzteil in
der Modulversorgung 2', 3' einzusetzen,
das aufgrund seines weiten Eingangsspannungsbereiches sehr geringe
Anforderungen an die von der Zentralstromversorgung 4 bereitgestellte
Spannung hat. Der hohe Wirkungsgrad und geringe Abmessungen sind
weitere Vorteile, die für eine
Verwendung von Schaltnetzteilen in den Messmodulen 2, 3 sprechen.
Zur Vermeidung übermäßiger Störeinstrahlungen
ist die Modulversorgung 2', 3' entsprechend
abzuschirmen.
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Gemäß dem modularen
Aufbau der Messeinrichtung ist es möglich, neben den Messmodulen 2, 3 noch
weitere Messmodule an die Zentraleinheit 1 anzuschließen. Da
die von einem Messmodul benötigte
Versorgungsspannung erfindungsgemäß durch die Modulversorgung
bereitgestellt wird, müssen
Versorgungsspannungsanforderungen weiterer Messmodule bei der Herstellung
bzw. bei der Installation einer Messeinrichtung nicht berücksichtigt
werden.
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Bei
der Konzeption der Messeinrichtung muss hinsichtlich der Zentralstromversorgung 4 nur die
maximale elektrische Leistung berücksichtigt werden, die von
der Zentralstromversorgung 4 bereitgestellt werden muss.
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Die
in 2 abgebildete Ausführungsform der Erfindung weist
eine Zentraleinheit 1 und ein Messmodul 2 auf.
Die Zentralstromversorgung 4 der Zentraleinheit 1 weist
eine erste Induktionsvorrichtung 5 auf, die mit einer zweiten
Induktionsvorrichtung 6 zusammenwirken kann. Die zweite
Induktionsvorrichtung 6 ist Teil der Modulversorgung 2' des Messmoduls 2.
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Bei
hinreichend kleinem Abstand zwischen den Induktionsvorrichtungen 5, 6 ist
eine nutzbare elektrische Energieübertragung zwischen der Zentralstromversorgung 4 und
der Modulversorgung 2' bzw.
dem Messmodul 2 möglich.
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Die
erfindungsgemäße Energieübertragung ermöglicht einen
Betrieb der Messeinrichtung auch in explosionsgefährdeten
Umgebungen, da prinzipbedingt keine Funkenbildung wie z.B. beim
Auftrennen elektrischer Kontakte möglich ist.
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Die
Gehäuse
der Zentraleinheit 1 bzw. der Messmodule 2 sind
entsprechend der gesetzlich vorgeschriebenen Schutzart gasdicht
gekapselt und weisen vorteilhaft im Bereich der Induktionsvorrichtungen 5, 6 ineinander
eingreifende Gehäuseabschnitte
auf, die eine besonders nahe Anordnung der Induktionsvorrichtungen 5, 6 relativ
zueinander ermöglichen.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform, die sich ebenfalls
für den
Einsatz in explosionsgefährdeten
Umgebungen eignet, sind Schaltungen der Zentraleinheit 1 und/oder
des Messmoduls 2 eigensicher als sog. „Ex-i"-Schaltungen
ausgelegt. In diesem Fall ist kein gasdichtes Gehäuse erforderlich.
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Sehr
vorteilhaft ist es auch, die von der Zentralstromversorgung 4 bereitgestellte
Spannung mit einem Nutzsignal zu modulieren. Damit kann eine Datenkommunikation
zwischen der Zentraleinheit 1 und einem Messmodul 2, 3 realisiert
werden, ohne zusätzliche
Leitungen zur Übertragung
des Nutzsignals bereitstellen zu müssen. Je nach dem für die Datenkommunikation
verwendeten Protokoll ist es sogar denkbar, eine bidirektionale
Datenkommunikation zwischen der Zentraleinheit 1 und den
Messmodulen 2, 3 ohne weitere physikalische Maßnahmen einzurichten.
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Die
in 3 abgebildete Ausführungsform der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Messmodul 2 eine Rückkopplungseinheit 7 vorgesehen
ist, die aus der am Messmodul 2 anliegenden Versorgungsspannung
V_4 ein Rückkopplungssignal 7a erzeugt,
das einem Regler (nicht gezeigt) der Zentralstromversorgung 4 zuführbar ist
und die Versorgungsspannung V_4 bzw. deren Erzeugung im Regler der
Zentralstromversorgung 4 beeinflusst.
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Die
Rückkopplungseinheit 7 weist
hierzu einen Spannungsteiler (nicht gezeigt) auf, der das Rückkopplungssignal 7a erzeugt.
Der Regler der Zentralstromversorgung 4 weist eine Referenzspannungsquelle
(nicht dargestellt) auf, deren Referenzspannung mit dem Rückkopplungssignal 7a verglichen wird.
Hierzu ist der Spannungsteiler so ausgebildet, dass das Rückkopplungssignal 7a bei Übereinstimmung
der von der Zentralstromversorgung 4 erzeugten Versorgungsspannung
V_4 mit der vom Messmodul 2 benötigten Spannung mit der Referenzspannung
des Reglers übereinstimmt.
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Sollte
die vom Regler der Zentralstromversorgung 4 erzeugte Versorgungsspannung
V_4 von der vom Messmodul 2 benötigten Versorgungsspannung
abweichen, ergibt sich aus der nichtverschwindenden Differenz von
Referenzspannung und Rückkopplungssignal 7a eine
Regeldifferenz, die zur Korrektur der erzeugten Versorgungsspannung
V_4 verwendet wird.
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Je
nach Versorgungsspannungsbedarf ist der Spannungsteiler für unterschiedliche
Messmodule 2 unterschiedlich auszulegen, wobei bspw. jeweils nur
ein Element des Spannungsteilers von Messmodul 2 zu Messmodul 2 je
nach Versorgungsspannungsbedarf verschieden ist.
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Alternativ
zur Erzeugung des Rückkopplungssignals 7a aus
der Versorgungsspannung V_4 ist auch eine andersartige Erzeugung
des Rückkopplungssignals 7a denkbar,
beispielsweise in Abhängigkeit
eines in das Messmodul 2 fließenden Stromes.