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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung mindestens eines analogen oder digitalen Signals zwischen einem Feldgerät und einer externen Einheit, wobei das Feldgerät über mindestens ein Gehäuse verfügt, das das Feldgerät abschließt oder das im Feldgerät angeordnet ist.
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Von der Anmelderin werden Feldgeräte vertrieben zur Messung und/oder Überwachung physikalischer Größen – z. B. Füllstand, Dichte, Viskosität usw. – von Medien in Behältern. Zu nennen wären der „Micropilot M” oder der „Liquiphant”. Diese Feldgeräte machen es gelegentlich erforderlich, dass Parametrier-, Mess- oder sonstige Servicedaten oder z. B. Programmcode zwischen dem Feldgerät und einer externen Einheit, z. B. einem Laptop oder einem anderen Servicegerät, übermittelt werden müssen. Es kann z. B. auch erforderlich sein, direkt vor Ort einzelne Messsignale auszuwerten. Eine Möglichkeit der Signalübertragung zwischen dem Feldgerät und der externen Einheit ist z. B. die über ein Kabelinterface mit einer Schnittstelle am Feldgerät oder über Funk, bzw. Infrarot (Irda). Die Schnittstelle am Feldgerät bedeutet jedoch entweder, dass das Feldgerät nicht abgeschlossen ist oder dass es für die Signalübertragung geöffnet werden muss. Ein Nachteil der Variante der Kommunikation mittels einer Schnittstelle oder mittels eines Öffnens des Gehäuses besteht darin, dass dies die Trennung zwischen Außenraum und Feldgerät unmöglich macht oder aufhebt, was besonders beim Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen ungünstig, bzw. gefährlich sein kann. Weiterhin wird auch der Schutz des Feldgerätes gegenüber Verschmutzungen von außen aufgehoben. Diese Schwierigkeiten sind bei der Kommunikation über Funk oder Infrarot nicht gegeben, jedoch erfordert diese Art der Signalübertragung eine zu hohe Leistung, was besonders bei 4...20 mA-Geräten nicht sinnvoll zu bewerkstelligen ist.
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In der Offenlegungsschrift
DE 19949649 A1 ist eine Vorrichtung zur Versorgung explosionsgeschützter Funktionseinheiten mit einer Wechselspannung offenbart, wobei die elektronischen Funktionseinheiten auf einen gemeinsamen Träger steckbar sind. Die Funktionseinheiten und der Träger bzw. die Betriebsspannungsquelle und der Träger weisen jeweils einen Teil eines trennbaren induktiven Übertragers auf. Die in der Sekundärwicklung des Übertragers induzierte Wechselspannung wird über in jede der beiden Versorgungsspannungsleitungen geschaltete Kondensatoren an eine Schaltung übertragen. Durch diese Kondensatoren wird eine Leistungsbegrenzung erzeugt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 19813700 A1 betrifft eine Eingangsschaltung für ein Feldgerät zur Kommunikation mittels einem analogen Steuersignal überlagerten bidirektionalen Signalen. Die Eingangsschaltung ist Teil einer Stromschleife, die das Feldgerät mit Energie versorgt und gleichzeitig ein analoges Stromsignal zur Vorgabe eines Sollwerts trägt. Mittels einer Kapazität erfolgt eine Kopplung einer Empfangseinheit und/oder einer Sendeeinheit für digitale Signale.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Signalübertragung zwischen dem Feldgerät und einer externen Einheit oder zwischen Einheiten innerhalb des Feldgerätes zu ermöglichen, die möglichst kostengünstig ist, die keine hohe Leistung erfordert und die vor allem die Trennung des Feldgerätes oder einer Einheit im Feldgerät gegenüber der Umwelt nicht aufhebt, so dass diese Methode zur Signalübertragung auch in explosionsgefährdeten Bereichen einfach einsetzbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich innerhalb des Gehäuses mindestens eine erste Elektrode befindet, dass sich innerhalb der externen Einheit mindestens eine zweite Elektrode befindet, dass sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode mindestens ein Dielektrikum befindet, und dass das Gehäuse oder ein Teil des Gehäuses des Feldgerätes mindestens einen Teil des Dielektrikums bildet, so dass das Signal kapazitiv übertragen wird.
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Die Lösung der Aufgabe ist also, dass die Signalübertragung kapazitiv durch das Gehäuse des Feldgerätes hindurch oder durch eine Abtrennung im Feldgerät hindurch vorgenommen wird. Die Idee ist, dass im Feldgerät und in der externen Einheit jeweils eine oder mehrere leitende Schichten angebracht werden. Als Teil des Dielektrikums dienen ein Glas- oder Keramikfenster als Teil des Gehäuses oder eine Wand des Gehäuses des Feldgerätes oder entsprechend des Gehäuses im Feldgerät. Gleiches gilt für die externe Einheit, die ebenfalls einen Teil des Dielektrikums bildet. Werden die leitenden Schichten über das Dielektrikum in Kontakt miteinander gebracht, so ergibt sich ein Kondensator und somit die Möglichkeit einer kapazitiven Signalübertragung.
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Eine Möglichkeit, die eine sehr einfache und kostengünstige Umsetzung ermöglicht, ist, dass diese leitende Schicht oder die Schichten im Feldgerät Bestandteile eines kapazitiven Bedienelements sind. Dazu geht z. B. aus der Patentschrift
DE 197 44 791 eine Anordnung für eine kapazitive Tastatur hervor. Die dort vorgestellten Sensortasten bestehen aus Leiterbahnen, die mit einer Auswerteelektronik verbunden sind und die eine Breitenaufweitung aufweisen, so dass sich Schaltflächen ergeben. Ein Annähern oder ein Entfernen eines Fingers von diesen Schaltflächen ändert die Kapazität des sich durch Leiterbahn und Finger ergebenden Kondensators. Die Kapazitätsänderungen werden dann als Zeichen verwendet, dass die entsprechende Taste betätigt worden ist. Solch eine Tastatur wird in der Erfindung dahingehend erweitert, dass darüber Signale in das Feldgerät hinein und aus dem Feldgerät heraus übertragen werden. Die Aufgabe des Fingers übernimmt erfindungsgemäß in der externen Einheit eine leitende Schicht. Die zu übertragenden Signale werden dann mittels Amplituden- und/oder Frequenzmodulation Trägersignalen aufgeprägt. Dies erfordert die Bereitstellung von Modulator und Demodulator im Feldgerät und in der externen Einheit.
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Die Erfindung hat mehrere Vorteile. Handelt es sich um ein geschlossenes Gehäuse des Feldgerätes oder im Feldgerät, so ist und bleibt dieses Gehäuse geschlossen. Damit sind eine Anwendung des Feldgerätes und auch die Servicearbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen möglich, da es zwischen Feldgerät und externer Einheit nicht zu einer galvanischen Kopplung kommen kann. Weiterhin ist die Gehäusekonstruktion kostengünstig.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht im Falle eines elektrisch leitenden Gehäuses eine nicht-leitende Schicht im oder am Gehäuse als Dielektrikum vor. Dabei kann es sich z. B. um ein Fenster im Gehäuse des Feldgerätes handeln.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung beinhaltet, dass im Feldgerät und/oder in der externen Einheit ein Verbindungselement vorgesehen ist, das einen Kontakt zwischen dem Feldgerät und der externen Einheit ermöglicht, so dass die erste Elektrode, die zweite Elektrode und das Dielektrikum einen Kondensator bildet. Über die Gehäuseform und die Gestaltung des Verbindungselements wird also ein möglichst guter Kontakt zwischen dem Gehäuse und der externen Einheit für die Zeit der Signalübertragung ermöglicht.
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Eine Realisierung sieht vor, dass im Feldgerät und/oder in der externen Einheit mindestens ein Modulator und/oder mindestens ein Demodulator zur Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation vorgesehen ist. Die Modulatoren ermöglichen es, dass die zu übertragenden Signale Trägersignalen aufgeprägt werden, die dann über den oder die Kondensatoren – bestehend aus den Elektroden und dem Dielektrikum – übertragen werden. Die Demodulatoren dienen der Gewinnung der zu übertragenden Signale aus den modulierten Trägersignalen. Dabei lassen sich durch die Modulatoren entweder analoge oder digitale Trägersignale mit dem zu übertragenden Signal modulieren. Dies hängt z. B. davon ab, welche Art von Signalen übertragen werden sollen. So ist z. B. bei der Übertragung einer Hüllkurve der Messung eine analoge Übertragung ausreichend und sinnvoll. Es besteht auch die Möglichkeit, das zu übertragende Signal direkt ohne die Modulation eines Trägersignals zu übertragen.
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Eine sinnvolle Weiterentwicklung sieht in dem Fall, dass mindestens zwei Signale zwischen dem Feldgerät und der externen Einheit übertragen werden, für jedes Signal eine eigene Elektrode im Feldgerät und/oder in der externen Einheit vor. Dabei kann die Anzahl der Elektroden auf beiden Seiten identisch oder unterschiedlich sein. Finden sich auf der Seite des Empfängers der Signale weniger Elektroden, deckt aber mindestens eine Elektrode mehr als eine Elektrode der Senderseite ab, so wird von dieser einen Empfängerelektrode die Summe der Signale der Senderseite empfangen. Auch für diesen Fall beinhaltet eine sinnvolle, weil für vielerlei Umstände einsetzbare Ausgestaltung, dass für jedes zu übertragende Signal ein eigenes Trägersignal vorgesehen ist, wobei sich die Trägersignale in mindestens einer Eigenschaft derart unterscheiden, dass die Trägersignale durch diese Eigenschaft mit entsprechenden Filter auf der Empfängerseite trennbar sind. Eine Möglichkeit ist, dass sich die Trägersignale in ihrer Trägerfrequenz unterscheiden. Diese Unterscheidbarkeit der Trägersignale ermöglicht es, dass neben den modulierten Trägersignale auch Summensignale aus mehreren Trägersignalen übertragen werden. Die einzelnen modulierten Trägersignale lassen sich also passend zu Summensignalen bündeln. Indem auf der Senderseite solche Summensignale auf die Elektroden gegeben werden, kann die Anzahl der Elektroden auf dieser Seite kleiner sein als die Anzahl der zu übertragenden Signale, denn passende Filter ermöglichen es auf der Empfängerseite, diese einzelnen modulierten Trägersignale wieder voneinander zu trennen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass im Feldgerät mindestens ein erster Mikroprozessor und dass in der externen Einheit mindestens ein zweiter Mikroprozessor vorgesehen ist dergestalt, dass eine bidirektionale Signalübertragung zwischen dem Feldgerät und der externen Einheit ermöglicht ist. Durch die Mikroprozessoren soll also die Übertragung von Signalen in beiden Richtungen möglich sein. Mit Hilfe dieser Mikroprozessoren lassen sich teilweise auch erst digitale Signale gewinnen, bzw. lassen sich empfangene Daten, z. B. Programmcode oder Parametrierdaten passend weiterverarbeiten oder an passende Stellen weiterleiten.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Anzahl der Elektroden im Feldgerät nicht identisch ist mit der Anzahl der Elektroden in der externen Einheit. Dies könnte bedeuten, dass z. B. zwei Elektroden nur mit einer gegenüberliegenden Elektrode einen Kondensator ausbilden, so dass die beiden Signale an den beiden Elektroden zu einem Summensignal auf der anderen Seite mit der einen Elektrode führen.
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Eine Variante sieht vor, dass im Feldgerät ein kapazitives Bedienelement vorgesehen ist, dass das Feldgerät also über eine oder mehrere Tasten verfügt. Dabei können die erste Elektrode und der erste Mikroprozessor im Feldgerät Bestandteile dieses Bedienelements sein. Das bedeutet, dass die Elektroden im Feldgerät zum einen als manuell zu betätigende Tasten funktionieren, dass sie zum anderen auch mit der externen Einheit der Signalübertragung dienen.
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Eine weitere Variante sieht vor, dass es sich um die Signalübertragung zwischen zwei Einheiten im Feldgerät handelt, dass zwischen der ersten und der zweiten Einheit mindestens eine Abtrennung vorgesehen ist, dass in der ersten Einheit mindestens eine erste Elektrode vorgesehen ist, dass in der zweiten Einheit mindestens eine zweite Elektrode vorgesehen ist, dass die Abtrennung zwischen der ersten und der zweiten Einheit als Dielektrikum zwischen den Elektroden funktioniert. Die Signalübertragung wäre so zwischen einzelnen Bereichen im Feldgerät möglich. Diese Variante könnte dazu dienen, dass Signale innerhalb des Feldgerätes zwischen unterschiedlichen Bereichen übermittelt werden, von denen z. B. einer in einem explosionsgefährdeten Raum ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: ein Blockschaltbild der Signalübertragung eines digitalen Signals mittels Amplitudenmodulation;
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2: ein Blockschaltbild für die Übertragung analoger Signale;
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3: ein Blockschaltbild für die simultane Übertragung mehrerer Signale über entsprechend viele Elektroden;
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4: eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung der Verbindungselemente, mit denen der Kontakt zwischen dem Feldgerät und der externen Einheit stattfinden kann; und
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5: eine schematische Darstellung, dass die Signalübertragung zwischen zwei Einheiten im Feldgerät vorgenommen wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild für eine mögliche Realisierung der digitalen Signalübertragung mittels Amplitudenmodulation zwischen dem Feldgerät 1 und der externen Einheit 2. Dargestellt sind die dafür wesentlichen Teile der externen Einheit 2 und des Feldgerätes 1. Die Elektrode 3 im Feldgerät 1 und die Elektrode 4 in der externen Einheit 2 bilden mit dem Dielektrikum 5 zwischen ihnen einen Kondensator. Das Dielektrikum 5 ergibt sich aus der Gestaltung des Feldgerätes 1 und der externen Einheit 2. Die Elektrode 3 im Feldgerät 1 erfüllt auch die Aufgabe einer Taste im kapazitiven Bedienelement 32 des Feldgerätes 1.
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Die Elektrode 3 des Feldgerätes 1 ist mit einer Einheit für die Tastenfunktion 6 und mit einer Einheit für die Signalübertragung 7 zur externen Einheit 2 verbunden. Die Einheit für die Tastenfunktion 6 besteht aus einem Tiefpassfilter 8 und einem Signalgenerator 9. Der Tiefpassfilter 8 lässt nur die Signale von der Elektrode 3 zum Mikroprozessor 10 durch, die sich durch die manuelle Betätigung der Taste ergeben. Der Signalgenerator 9, der über einen Widerstand 11 ebenfalls mit der Elektrode 3 verbunden ist, ermöglicht das Auslesen der Kapazität des Kondensators, der sich bei der Tastenfunktion aus der Elektrode 3 und dem manuellen Berühren der Taste ergibt. Dieser Signalgenerator 9 kann beispielsweise auch das Taktelement des Mikroprozessors 10 sein. In der Einheit für die Signalübertragung 7 befinden sich ein Modulator 12 und ein Demodulator 13. Beim Modulator 12 wird das Signal eines Rechteckgenerators 14, das als Trägersignal dient, über ein Gate 15 mit dem Signal TxD des Mikroprozessors 10 amplitudenmoduliert. Das modulierte Signal passiert einen Hochpassfilter 16 und wird auf die Elektrode 3 gegeben. Beim Demodulator 13 wird das empfangene amplitudenmodulierte Signal von der externen Einheit 2 nach Passieren des Hochpassfilters 16 durch einen Gleichrichter 17, der als Spitzenwert- oder Vollweggleichrichter ausgeführt sein kann, demoduliert. Nach dem Passieren eines Tiefpassfilters 18 ergibt sich dann das Signal RxD der externen Einheit 2, das zum Mikroprozessor 10 gelangt. Die Filter (Hochpass für Signalübertragung 16 und Tiefpass 8 für die Taste 6) trennen also zwischen den möglichen Signalen, die an der Elektrode 3 im Feldgerät 1 ankommen können.
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In der externen Einheit 2 befinden sich hinter der Elektrode 4 ein Modulator 12 und ein Demodulator 13, deren Bau und Funktion denen im Feldgerät 1 entsprechen. Der Mikroprozessor 18 in der externen Einheit 2 kann beispielsweise in einem Laptop oder in einem PC eingebaut sein.
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2 demonstriert eine Übertragung von analogen Signalen, bei der simultan zwei Signale (in diesem Beispiel handelt es sich um Hüllkurve und Trigersignal) übertragen werden. Dafür wird jeweils ein Trägersignal mit dem zu übertragenden Signal moduliert, wobei sich die Trägersignale in ihrer Frequenz (f1 und f2) unterscheiden. Die modulierten Trägersignale werden summiert (Addierelement 20), und das Summensignal wird auf die Elektrode 3 gegeben. Auf der Seite der externen Einheit 2 macht diese Verwendung von zwei Frequenzen die beiden Bandpassfilter 21 erforderlich, die jeweils nur Signale der jeweiligen Frequenzen f1 und f2 passieren lassen. Somit können beide modulierten Trägersignale wieder getrennt werden. Da es sich um analoge Signale handelt, können diese im gezeigten Beispiel auch direkt auf einen Oszilloskopen 22 in der externen Einheit 2 gegeben werden, um dort die Messsignale direkt zu beobachten. Für den gezeigten Fall ist somit in der externen Einheit kein Mikroprozessor erforderlich. Im Feldgerät 1 kommt der Mikroprozessor 10 nur für die Einheit für die Tastenfunktion 6 zur Anwendung.
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Die zu übertragenden analogen Signale (Hüllkurve und Triggersignal) stammen direkt von der Messung und daher wird für deren Übertragung auch kein Mikroprozessor benötigt.
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Diese Figur zeigt gleichzeitig auch, wie es möglich ist, Signale zu übertragen, wenn die Anzahl der zu übertragenden Signale größer ist als die Anzahl der Elektroden: Für die Übertragung werden Trägersignale mit den zu übertragenden Signalen moduliert, die sich in ihrer Frequenz voneinander unterscheiden. Somit können die amplitudenmodulierten Signale summiert und auf die Elektroden gegeben werden. In der externen Einheit 2 sorgen dann unterschiedliche Bandpassfilter (hier 21) dafür, dass zwischen den einzelnen Signalen wieder unterschieden werden kann.
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3 zeigt eine Realisierung der Möglichkeit, für jedes zu übertragende Signal eine einzelne Elektrode zu verwenden. Von den Bauteilen und dem Aufbau her stellt diese Figur eine Zusammenführung der Ideen in 1 und 2 dar. Die Signalübertragung findet in diesem Beispiel mit drei Elektrodenpaaren statt: Im Feldgerät 1 sind dies die Elektroden 3 und in der externen Einheit 2 die zugehörigen Elektroden 4. Vom Feldgerät 1 werden Hüllkurve und Triggersignal analog und wird das Signal TxD digital übertragen. Empfangen wird vom Feldgerät 1 das digitale Signal RxD von der externen Einheit 2. In der externen Einheit 2 ist für jede Elektrode 4 ein entsprechender Bandpassfilter 21 vorgesehen. Es wäre jedoch auch möglich, jeweils einen Hochpassfilter zu verwenden. Ebenfalls wäre es möglich, da jedes zu übertragende Signal über eine eigene Elektrode übertragen wird, dass alle Trägersignale die gleiche Frequenz haben. Diese Ausgestaltung der Signalübertragung mit drei Elektroden ermöglicht es zudem, drei Tasten über die Einheit für die Tastenfunktion 6 des kapazitiven Bedienelements 32 zu benutzen.
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4 zeigt eine Möglichkeit für die Verbindungselemente am Feldgerät und an der externen Einheit, um den Kontakt zwischen dem Feldgerät und der externen Einheit zu ermöglichen. Im Gehäuse des Feldgerätes 26 ist eine Art von Nase 27 ausgebildet, in der sich eine Elektrodenplatte 28 befindet. Um diese Elektrode 28 für das Bedienelement als Taste zu benutzen, müsste der Benutzer beispielsweise die Nase 27 zwischen Daumen und Zeigefinger nehmen oder es würde auch das Drücken gegen eine Seite der Nase 27 ausreichen. Die externe Einheit verfügt über eine Art von Clip 31, bei dem sich in jeder Klemmbacke 29 eine Elektrode 30 befindet. Dieser Clip 31 in Art einer Wäscheklammer wird dann an die Nase geklemmt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Kapazität des sich ergebenden Kondensators doppelt so groß ist als bei der einfachen Ausgestaltung, wie sie die Figuren 1 bis 3 andeuten, und dass die externe Einheit leicht und sicher mit dem Feldgerät verbunden werden kann.
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5 zeigt den Fall, dass es sich um die Signalübertragung zwischen zwei Einheiten (33, 34) im Feldgerät (1) handelt. Hierbei besteht das Dielektrikum aus der Abtrennung (35) zwischen den beiden Einheiten (33, 34). Weiterhin ergibt sich aus den beiden Elektroden (36, 37) und der Abtrennung (35) ständig ein Kondensator, über den die Signale übertragen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feldgerät
- 2
- Externe Einheit
- 3
- Elektrode
- 4
- Elektrode
- 5
- Dielektrikum
- 6
- Einheit für die Tastenfunktion
- 7
- Einheit für die Signalübertragung
- 8
- Tiefpass
- 9
- Signalgenerator
- 10
- Mikroprozessor
- 11
- Widerstand
- 12
- Modulator
- 13
- Demodulator
- 14
- Signalgeber
- 15
- Gate
- 16
- Hochpass
- 17
- Gleichrichter
- 18
- Mikroprozessor
- 19
- Modulator
- 20
- Addierer
- 21
- Bandpass
- 22
- Oszilloskop
- 23
- Einheit für digitale Signalübertragung
- 24
- Einheit für analoge Signalübertragung
- 25
- Demodulator
- 26
- Gehäuse
- 27
- Nase
- 28
- Elektrode
- 29
- Clip-Backe
- 30
- Elektrode
- 31
- Clip
- 32
- Kapazitives Bedienelement
- 33
- Einheit im Feldgerät
- 34
- Einheit im Feldgerät
- 35
- Abtrennung
- 36
- Elektrode
- 37
- Elektrode
