Die Erfindung bezieht sich auf eine
analoge Stromschnittstelle, die einen Eingangsstrom in Form eines "live zero"-Sginals in ein elektrisches
Ausgangssignal umwandelt, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.The invention relates to a
Analog current interface that converts an input current into an electrical form in the form of a "live zero" signal
Output signal converted, according to the preamble
of claim 1.
In der Automatisierungstechnik ist
es üblich, die
Ausgangssignale von Meßumformern
in Form eines elektrischen Stromsignals zu übertragen. Bei Vier-Draht-Meßumformern
dienen zwei Leitungen zur Übertragung
der Versorgungsenergie für
den Meßumformer
und zwei Leitungen zur Übertragung
des Meßsignals.
Dabei entspricht ein Ausgangsstrom von 0 bis 20 mA einer Meßgröße von 0
bis 100 %. Bei Zwei-Draht-Meßumformern
werden die Versorgungsenergie und das Meßsignal über dieselben beiden Leitungen übertragen.
Dabei entspricht ein Ausgangsstrom von 4 bis 20 mA einer Meßgröße von 0 bis
100 %. Für
die Übertragung
der Versorgungsenergie zum Meßumformer
steht der Grundstrom in Höhe
von 4 mA zur Verfügung.In automation technology is
it usual that
Output signals from transmitters
to transmit in the form of an electrical current signal. For four-wire transmitters
serve two lines for transmission
the supply energy for
the transmitter
and two lines for transmission
of the measurement signal.
An output current of 0 to 20 mA corresponds to a measured variable of 0
until 100 %. With two-wire transmitters
the supply energy and the measurement signal are transmitted over the same two lines.
An output current of 4 to 20 mA corresponds to a measured variable from 0 to
100%. For
the transfer
the supply energy to the transmitter
is the basic current in height
of 4 mA are available.
Tritt zwischen dem Meßumformer
und einer elektrischen Schaltung zur Auswertung und/oder Verknüpfung mit
anderen Signalen eine Unterbrechung einer Leitung oder ein Kurzschluß zwischen den
Leitungen auf, ist der Strom, der der Auswertungsschaltung zugeführt ist,
Null. Ein Stromwert, der außerhalb
des Bereiches von 4 mA bis 20 mA liegt, weist auf eine Störung hin.
Da einem Meßwert
von 0 % ein von Null verschiedener Wert des Ausgangssignals, z.B.
4 mA, zugeordnet ist, spricht man von einem "livezero"-Signal.Occurs between the transmitter
and an electrical circuit for evaluation and / or linking with
other signals an open circuit or a short circuit between the
Leads on, is the current that is fed to the evaluation circuit,
Zero. A current value that is outside
in the range of 4 mA to 20 mA indicates a fault.
Because a reading
from 0% a non-zero value of the output signal, e.g.
4 mA, is called a "livezero" signal.
Einstellbare Stromquellen, deren
Ausgangsstrom z.B. zwischen 4 mA und 20 mA liegt, werden u.a. als
Sollwertgeber für
Regeleinrichtungen verwendet.Adjustable power sources, their
Output current e.g. is between 4 mA and 20 mA, i.a. as
Setpoint generator for
Control devices used.
Für
die Auswertung und Verknüpfung
von elektrischen Signalen ist es vorteilhaft, wenn sie in Form von
Spannungen vorliegen. Diese Spannungen können von analogen Rechenverstärkern auf
einfache Weise weiterverarbeitet werden.For
the evaluation and linking
of electrical signals it is advantageous if they are in the form of
Tensions are present. These voltages can arise from analog computing amplifiers
can be processed easily.
Stromsignale in der Form von "live-zero"-Signalen weisen
nur eine Polarität
auf. Wird ein Signal benötigt,
das zum Nullpunkt symmetrisch ist, z.B. +10 V bis –10 V für den Bereich
von 4 mA bis 20 mA des Eingangsstroms, wobei eine Ausgangsspannung von
0 V einem Eingangsstrom von 12 mA entspricht, wird dem Eingangssignal
ein Korrektursignal überlagert,
das den Nullpunkt des Ausgangssignals entsprechend verschiebt. Diese
Verschiebung gilt aber nur für
eine Wirkungsrichtung, d.h. für
eine fallende Kennlinie oder für
eine steigende Kennlinie bei steigendem Eingangsstrom. Der Eingangsstrom
darf deshalb nur in einer Richtung über die Stromschnittstelle
fließen.
Ein Vertauschen der Eingangsklemmen ist nicht zulässig. Show current signals in the form of "live zero" signals
just one polarity
on. If a signal is required
that is symmetrical to the zero point, e.g. +10 V to –10 V for the range
from 4 mA to 20 mA of the input current, with an output voltage of
0 V corresponds to an input current of 12 mA, becomes the input signal
a correction signal is superimposed,
which shifts the zero point of the output signal accordingly. This
Shift only applies to
a direction of action, i.e. For
a falling characteristic or for
a rising characteristic curve with increasing input current. The input current
is therefore only allowed in one direction via the current interface
flow.
Swapping the input terminals is not permitted.
Dies gilt auch für die aus der EP 0 061 484 B1 bekannte
Stromschnittstelle, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht.
Der Ausgangsstrom eines Zweidraht-Meßumformers, wie er z. B. in
der US-PS 3 646 538 dargestellt
und beschrieben ist, fließt über einen
ersten Widerstand. Bei dem Strom handelt es sich um ein „live zero"-Signal, d. h. der Strom
setzt sich aus einem konstanten Anteil und einem von einem Meßwert abhängigen Anteil
zusammen. Die an dem ersten Widerstand abfallende Spannung dient
als Sollwert für
eine Verstärkeranordnung,
die die an dem ersten Widerstand abfallende Spannung in einen elektrischen
Ausgangsstrom umformt. Der Ausgangsstrom fließt über einen an die Verstärkeranordnung
angeschlossenen Lastwiderstand und einen weiteren Widerstand. Die
an dem weiteren Widerstand abfallende Spannung ist der Verstärkeranordnung
als Istwert zugeführt.
Die Verstärkeranordnung
regelt den über
den Lastwiderstand fließenden
Strom so, daß die
den beiden Eingängen
der Verstärkeranordnung
zugeführten
Spannungen gleich groß sind. Über den
weiteren Widerstand fließt
zusätzlich
zu dem über
den Lastwiderstand fließenden
Strom, der von dem über
den ersten Widerstand fließenden
Strom abhängig
ist, ein konstanter Strom. Die an dem weiteren Widerstand abfallende
Spannung setzt sich daher aus einem konstanten und einem veränderlichen
Anteil zusammen. Der konstante Anteil sorgt für eine Nullpunktverschiebung
des über
den Lastwiderstand fließenden Stroms.
Die Größe des konstanten
Stroms läßt sich dabei
so einstellen, daß der über den
Lastwiderstand fließende
Strom symmetrisch zu seinem Nullpunkt ist.This also applies to those from the EP 0 061 484 B1 known current interface, which corresponds to the preamble of claim 1. The output current of a two-wire transmitter, as z. B. in the U.S. Patent 3,646,538 is shown and described flows through a first resistor. The current is a “live zero” signal, ie the current is composed of a constant component and a component dependent on a measured value. The voltage dropping across the first resistor serves as a setpoint for an amplifier arrangement that switches on the The voltage dropping across the first resistor is converted into an electrical output current. The output current flows via a load resistor connected to the amplifier arrangement and another resistor. The voltage dropping across the further resistor is supplied to the amplifier arrangement as an actual value. The amplifier arrangement regulates the current flowing through the load resistor in this way that the voltages supplied to the two inputs of the amplifier arrangement are of equal magnitude .. A constant current flows through the further resistor in addition to the current flowing through the load resistor, which depends on the current flowing through the first resistor The voltage drop is composed of a constant and a variable part. The constant component ensures a zero point shift of the current flowing through the load resistor. The size of the constant current can be set so that the current flowing through the load resistor is symmetrical to its zero point.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
analoge Stromschnittstelle der eingangs genannten Art zu schaffen,
die wahlweise eine fallende oder eine steigende Kennlinie aufweist,
ohne daß hier
für Änderungen
an der Schaltung vorzunehmen sind.The invention has for its object a
to create an analog current interface of the type mentioned at the beginning,
which has either a falling or an increasing characteristic,
without here
for changes
are to be made on the circuit.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Der Eingangsstrom darf in beiden Richtungen über die Stromschnittstelle
fließen.
Bei einer Umpolung der Eingangsklemmen wird bei gleichen Eingangssignalen die
Wirkungsrichtung umgekehrt, ohne daß Einstellungen der Stromschnittstelle
geändert
zu werden brauchen.This task is claimed by the
1 marked features solved.
The input current is allowed in both directions over the current interface
flow.
If the input terminals are reversed, the
Direction of action reversed, without settings of the current interface
changed
need to be.
Vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Unterschreitet der Betrag des Ausgangssignals des ersten Rechenverstärkers einen vorgebbaren
Schwellenwert, der kleiner als der dem Arbeitsbereich des Eingangsstroms
entsprechende Minimalwert ist, erfolgt eine Störungsmelung. Bei der Störung kann
es sich um eine Unterbrechung oder einen Kurzschluß der Leitungen
zwischen dem Strom geber und der Stromschnittstelle handeln. In
diesem Fall fließt
der Strom Null über
den Eingang der Stromschnittstelle.Advantageous further developments and refinements of the invention are characterized in the subclaims. If the amount of the output signal of the first arithmetic amplifier falls below a predeterminable threshold value, which is smaller than the minimum value corresponding to the working range of the input current, a fault is reported. In the Fault can be an interruption or a short circuit in the lines between the current transmitter and the current interface. In this case, the zero current flows through the input of the current interface.
Die Erfindung wird im folgenden mit
ihren weiteren Einzelheiten anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen
1 das Prinzipschaltbild
eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen analogen Stromschnittstelle
und
2 das Prinzipschaltbild
eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen analogen Stromschnittstelle.The invention is explained in more detail below with its further details using exemplary embodiments shown in the drawings. Show it
1 the schematic diagram of a first embodiment of the analog current interface according to the invention and
2 the basic circuit diagram of a second embodiment of the analog current interface according to the invention.
Gleiche Bauteile sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.The same components are the same
Provide reference numerals.
Die 1 zeigt
das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen analogen
Stromschnittstelle. Nachfolgend wird davon ausgegangen, daß der Stromschnittstelle
ein Eingangsstrom zugeführt
ist, dessen Arbeitsbereich zwischen 4 mA und 20 mA liegt, und daß die Stromschnittstelle
ein Ausgangssignal in Form einer Spannung mit einem Arbeitsbereich
von –10
V bis +10 V für
eine steigende Kennlinie sowie mit einem Arbeitsbereich von +10
v bis –10
V für eine
fallende Kennlinie abgibt. Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen
Werte beschränkt,
sie dienen nur zu Erläuterung der
Erfindung.The 1 shows the schematic diagram of a first embodiment of the analog current interface according to the invention. In the following it is assumed that the current interface is supplied with an input current whose working range is between 4 mA and 20 mA, and that the current interface provides an output signal in the form of a voltage with a working range from -10 V to +10 V for a rising characteristic curve and with a working range of +10 V to –10 V for a falling characteristic. The invention is not restricted to the stated values, they only serve to explain the invention.
Über
einen Widerstand 1, der über nicht dargestellte Leitungen
mit einem ebenfalls nicht dargestellten Stromgeber verbunden ist,
fließt
von einer Eingangsklemme 2 ein Eingangsstrom Ie+ zu einer weiteren
Eingangsklemme 3. Die Richtung des Eingangsstromes Ie+
ist durch einen schwarz ausgefüllten
Pfeil dargestellt. Der Eingangsstrom Ie+ hat einen Arbeitsbereich
von 4 mA bis 20 mA. Die an dem Widerstand 1 abfallende
Spannung ist einem potentialfreien Differenzeingang eines ersten
Rechenverstärkers 4 zugeführt. Der
Rechenverstärker 4 enthält einen
Operationsverstärker 5 sowie
vier Widerstände 6, 7, 8 und 9.
Die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 4 ist mit U4
bezeichnet, sie ist gegenüber der
an dem Widerstand 1 abfallenden Spannung invertiert. Der
Verstärkungsfaktor
ergibt sich in bekannter Weise aus der Dimensionierung der Widerstände 6 bis 9.
Bei einem Eingangs strom Ie+, der von der Eingangsklemme 2 zur
Eingangsklemme 3 fließt,
ist die Spannung U4 negativ. Dem Arbeitsbereich
des Eingangsstroms Ie+ von 4 mA bis 20 mA entspricht ein Bereich
der Spannung U4 von –0,2 V bis –1,0 V. Die Spannung U4 ist einem zweiten Rechenverstärker 10 zugeführt. Der
Rechenverstärker 10 ist
als invertierender Summierverstärker
ausgebildet. Er enthält
einen Operationsverstärker 11,
drei Eingangswiderstände 12, 13, 14 und
einen Rückführwiderstand 15.
Die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 10 ist mit U10 bezeichnet, sie ist gegenüber den
den Widerständen 12 bis 14 zugeführten Spannungen
invertiert. Der Verstärkungsfaktor
des Rechenverstärkers
ist durch die Widerstände 12 und 15 bestimmt.About a resistance 1 , which is connected to a current transmitter, also not shown, via lines, not shown, flows from an input terminal 2 an input current Ie + to another input terminal 3 , The direction of the input current Ie + is shown by a black arrow. The input current Ie + has a working range from 4 mA to 20 mA. The one at the resistance 1 falling voltage is a floating differential input of a first computing amplifier 4 fed. The computing amplifier 4 contains an operational amplifier 5 as well as four resistors 6 . 7 . 8th and 9 , The output voltage of the computing amplifier 4 is labeled U4, it is opposite to that on the resistor 1 falling voltage inverted. The gain factor results in a known manner from the dimensioning of the resistors 6 to 9 , With an input current Ie + from the input terminal 2 to the input terminal 3 flows, the voltage U 4 is negative. The working range of the input current Ie + from 4 mA to 20 mA corresponds to a range of the voltage U 4 from -0.2 V to -1.0 V. The voltage U 4 is a second computing amplifier 10 fed. The computing amplifier 10 is designed as an inverting summing amplifier. It contains an operational amplifier 11 , three input resistors 12 . 13 . 14 and a feedback resistor 15 , The output voltage of the computing amplifier 10 is labeled U 10 , it is opposite to the resistors 12 to 14 supplied voltages inverted. The gain of the computing amplifier is due to the resistors 12 and 15 certainly.
Die Spannung U4 ist über eine
Leitung 16 dem Eingang einer Komparatorschaltung 17 mit
zwei Operationsverstärkern 18 und 19 zugeführt. Der Operationsverstärker 18 vergleicht
die Spannung U4 mit einer positiven Schwellenwertspannung
+US. Der Operationsverstärker 19 vergleicht
die Spannung U4 mit einer negativen Schwellenwertspannung –US. Die Schwellenwertspannungen +US und –US werden an zwei Spannungsteilern abgegriffen.
Der eine Spannungsteiler besteht aus zwei Widerständen 20 und 21 und
liegt an einer Spannung +Uref. Der andere Spannungsteiler
besteht aus zwei Widerständen 22 und 23 und
liegt an einer Spannung –Uref.
Die Schwellenwertspannungen +US und –US sind betragsmäßig gleich. Sie sind so gewählt, daß sie einem
Wert der Spannung U4 entsprechen, der sich einstellt,
wenn der Eingangsstrom Ie+ kleiner als der Minimalwert des Arbeitsbereiches
ist. In diesem Beispiel wurde davon ausgegangen, daß der Arbeitsbereich
des Eingangsstroms Ie+ zwischen 4 mA und 20 mA liegt. Die Schwellenwertspannungen
+US und –US sind
so gewählt,
daß sie
dem halben Minimalwert des Arbeitsbereiches entsprechen, also 2
mA in dem hier betrachteten Beispiel. Die Schwellenwertspannungen
ergeben sich damit zu +US = 0,1 V und –US = –0,1
V. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 18 ist einem
weiteren Spannungsteiler aus zwei Widerständen 24 und 25 zugeführt. Der
Verbindungspunkt der Widerstände 24 und 25 ist über eine Leitung 26 mit
dem Gate-Anschluß eines
ersten MOS-FET-Schalters 27 verbunden. Die Aus gangsspannung
des Operationsverstärkers 19 ist
einem weiteren Spannungsteiler aus zwei Widerständen 28 und 29 zugeführt. Der
Verbindungspunkt der Widerstände 28 und 29 ist über eine
Leitung 30 mit dem Gate-Anschluß eines zweiten MOS-FET-Schalters 31 verbunden.
Der MOS-FET-Schalter 27 verbindet den Widerstand 14 im
geschlossenen Zustand mit einer konstanten negativen Spannung –Uref. Der MOS-FET-Schalter 31 verbindet
den Widerstand 13 im geschlossenen Zustand mit einer konstanten
positiven Spannung +Uref.The voltage U 4 is via a line 16 the input of a comparator circuit 17 with two operational amplifiers 18 and 19 fed. The operational amplifier 18 compares the voltage U 4 with a positive threshold voltage + U S. The operational amplifier 19 compares the voltage U 4 with a negative threshold voltage -U S. The threshold voltages + U S and –U S are tapped at two voltage dividers. One voltage divider consists of two resistors 20 and 21 and is due to a voltage + U ref . The other voltage divider consists of two resistors 22 and 23 and is connected to a voltage –Uref. The threshold voltages + U S and –U S are equal in terms of amount. They are chosen so that they correspond to a value of the voltage U 4 which arises when the input current Ie + is less than the minimum value of the working range. In this example it was assumed that the working range of the input current Ie + is between 4 mA and 20 mA. The threshold voltages + U S and –U S are chosen so that they correspond to half the minimum value of the working range, that is 2 mA in the example considered here. The threshold voltages thus result in + U S = 0.1 V and –U S = –0.1 V. The output voltage of the operational amplifier 18 is another voltage divider consisting of two resistors 24 and 25 fed. The connection point of the resistors 24 and 25 is over a line 26 with the gate connection of a first MOS-FET switch 27 connected. The output voltage from the operational amplifier 19 is another voltage divider consisting of two resistors 28 and 29 fed. The connection point of the resistors 28 and 29 is over a line 30 with the gate terminal of a second MOS-FET switch 31 connected. The MOS-FET switch 27 connects the resistance 14 in the closed state with a constant negative voltage –U ref . The MOS-FET switch 31 connects the resistance 13 in the closed state with a constant positive voltage + Uref.
Fließt der Strom +Ie von der Eingangsklemme 2 zur
Eingangsklemme 3, ist die Spannung U4 wegen
der invertierenden Arbeitsweise des Rechenverstärkers negativ. Die Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 18 ist
die negative Betriebsspannung, da die seinem invertierenden Eingang
zugeführte
Spannung +US größer als die seinem nichtinvertierenden
Eingang zugeführte
negative Spannung U4 ist. Dem Gate-Anschluß des MOS-FET-Schalters 27 ist über die
Leitung 26 eine negative Spannung zugeführt, der MOS-FET-Schalter 27 ist
geöffnet.
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 19 ist die positive
Betriebsspannung, da die seinem invertierenden Eingang zugeführte negative
Spannung U4 kleiner als die seinem nicht
invertierenden Eingang zugeführte
Spannung –US ist. Die Spannungen +US und –US wurden – wie oben ausgeführt – so gewählt, daß sie betragsmäßig kleiner
als die Spannung U4 sind. Dem Gate-Anschluß des MOS-FET-Schalters 31 ist über die
Leitung 30 eine positive Spannung zugeführt, die ihn in den leitenden
Zustand schaltet. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 des
invertierenden Rechenverstärkers 10 ist über den
Widerstand 12 die negative Spannung U4 und über den
Widerstand 13 die positive Spannung +Uref zugeführt. Die
Spannung +Uref und der Widerstand 13 sind
so gewählt,
daß in
dem betrachteten Beispiel bei einem Eingangsstrom von 12 mA (entsprechend
50 % des Eingangssignals) die Ausgangsspannung U10 des zweiten
Rechenverstärkers 10 Null
Volt ist. Bei einem Eingangsstrom von 4 mA ist die Spannung U10 = –10 V
und bei einem Eingangsstrom von 20 mA ist die Spannung U10 = +10 V. Bei steigendem Eingangsstrom
steigt auch die Ausgangsspannung; die Stromschnittstelle hat bei
einem Eingangsstrom Ie+, der von der Eingangsklemme 2 zur
Eingangsklemme 3 fließt,
eine steigende Kennlinie.The current + Ie flows from the input terminal 2 to the input terminal 3 , the voltage U 4 is negative because of the inverting mode of operation of the computing amplifier. The output voltage of the operational amplifier 18 is the negative operating voltage since the voltage + U S supplied to its inverting input is greater than the negative voltage U 4 supplied to its non-inverting input. The gate terminal of the MOS-FET switch 27 is over the line 26 fed a negative voltage, the MOS-FET switch 27 is opened. The output voltage of the operational amplifier 19 is the positive company chip voltage, since the negative voltage U 4 supplied to its inverting input is smaller than the voltage -U S supplied to its non-inverting input. The voltages + U S and –U S were - as stated above - chosen so that their magnitude is smaller than the voltage U 4 . The gate terminal of the MOS-FET switch 31 is over the line 30 supplied with a positive voltage that switches it to the conductive state. The inverting input of the operational amplifier 11 of the inverting computing amplifier 10 is about resistance 12 the negative voltage U 4 and across the resistor 13 the positive voltage + U ref supplied. The voltage + U ref and the resistance 13 are selected so that in the example under consideration at an input current of 12 mA (corresponding to 50% of the input signal) the output voltage U 10 of the second computing amplifier 10 Is zero volts. With an input current of 4 mA, the voltage U 10 = -10 V and with an input current of 20 mA, the voltage U 10 = +10 V. As the input current increases, the output voltage also increases; the current interface has an input current Ie + from the input terminal 2 to the input terminal 3 flows, an increasing characteristic.
Wird eine fallende Kennlinie der
Stromschnittstelle gewünscht,
sind die Eingangsklemmen 2 und 3 zu vertauschen.
Der Eingangsstrom Ie– fließt in diesem
Fall von der Eingangsklemme 3 zur Eingangsklemme 2.
Die Richtung des Eingangsstroms Ie– ist durch einen weiß ausgefüllten Pfeil
dargestellt. Bei einem Eingangsstrom Ie–, der von der Eingangsklemme 3 zur
Eingangsklemme 2 fließt,
ist die Spannung U4 am Ausgang des invertierenden
Rechenverstärkers 4 positiv.
Dem Arbeitsbereich des Eingangsstromes Ie– von –4 mA bis –20 mA entspricht ein Bereich
der Spannung U4 von +0,2 V bis +1,0 v. Die Komparatorschaltung 17 vergleicht
die positive Spannung U4 mit den Schwellenspannungen
+US und –US.
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 19 ist die negative
Betriebsspannung, da die seinem invertierenden Eingang zugeführte positive Spannung
U4 größer ist
als die seinem nicht invertierenden Eingang zugeführte Spannung –US. Dem Gate-Anschluß des MOS-FET-Schalters 30 ist über die
Leitung 30 eine negative Spannung zugeführt, der MOS-FET-Schalter 31 ist
geöffnet.
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 18 ist die positive
Betriebsspannung, da die seinem invertierenden Eingang zugeführte Spannung
+US kleiner ist als die seinem nicht invertierenden
Eingang zugeführte
positive Spannung U4. Dem Gate-Anschluß des MOS-FET-Schalters 27 ist über die
Leitung 26 eine positive Spannung zugeführt, die ihn in den leitenden
Zustand schaltet. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 des
invertierenden Rechenverstärkers 10 ist über den
Widerstand 12 die positive Spannung U4 und über den
Widerstand 14 die negative Spannung –Uref zugeführt. Die Spannung –Uref und der Widerstand 14 sind so
gewählt,
daß in
dem betrachteten Beispiel bei einem Eingangsstrom von –12 mA (entsprechend
50 % des Eingangssignals) die Ausgangsspannung U10 des zweiten
Rechenverstärkers 10 Null
Volt ist. Bei einem Eingangsstrom von –4 mA ist die Spannung U10 = +10 V und bei einem Eingangsstrom von –20 mA ist die
Spannung U10 = –10 V. Bei betragsmäßig steigendem
Ein gangsstrom fällt
die Ausgangsspannung, die Stromschnittstelle hat bei einem Eingangsstrom,
der von der Eingangsklemme 3 zur Eingangsklemme 2 fließt, eine
fallende Kennlinie.If a falling characteristic of the current interface is desired, the input terminals are 2 and 3 to swap. In this case, the input current Ie– flows from the input terminal 3 to the input terminal 2 , The direction of the input current Ie - is shown by a white filled arrow. With an input current Ie– from the input terminal 3 to the input terminal 2 flows, the voltage U 4 is at the output of the inverting computing amplifier 4 positive. The working range of the input current Ie– from –4 mA to –20 mA corresponds to a range of voltage U 4 from +0.2 V to +1.0 v. The comparator circuit 17 compares the positive voltage U 4 with the threshold voltages + U S and –U S. The output voltage of the operational amplifier 19 is the negative operating voltage since the positive voltage U 4 supplied to its inverting input is greater than the voltage -U S supplied to its non-inverting input. The gate terminal of the MOS-FET switch 30 is over the line 30 fed a negative voltage, the MOS-FET switch 31 is opened. The output voltage of the operational amplifier 18 is the positive operating voltage since the voltage + U S supplied to its inverting input is smaller than the positive voltage U 4 supplied to its non-inverting input. The gate terminal of the MOS-FET switch 27 is over the line 26 supplied with a positive voltage that switches it to the conductive state. The inverting input of the operational amplifier 11 of the inverting computing amplifier 10 is about resistance 12 the positive voltage U 4 and across the resistor 14 the negative voltage –U ref supplied. The voltage –U ref and the resistance 14 are selected so that in the example under consideration at an input current of -12 mA (corresponding to 50% of the input signal) the output voltage U 10 of the second computing amplifier 10 Is zero volts. With an input current of –4 mA, the voltage U 10 = +10 V and with an input current of –20 mA, the voltage U 10 = –10 V. With an increasing input current, the output voltage drops, the current interface has an input current, that of the input terminal 3 to the input terminal 2 flows, a falling characteristic.
Je nachdem, in welcher Richtung der
Eingangsstrom über
die Eingangsklemme 2 und 3 fließt, erhält man eine
steigende oder fallene Kennlinie der Stromschnittstelle.Depending on the direction in which the input current via the input terminal 2 and 3 flows, you get a rising or falling characteristic of the current interface.
Die 2 zeigt
das Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen analogen
Stromschnittstelle. Der erste Rechenverstärker 4 weist den gleichen
Aufbau wie in der 1 auf.
Der zweite Rechenverstärker 10' weist im wesentlichen
den gleichen Aufbau wie der zweite Rechenverstärker 10 der 1 auf. Die Widerstände 13 und 14 sind
in der 2 durch einen
Widerstand 13' ersetzt.
Die Ausgangsspannung U4 des ersten Rechenverstärkers 4 ist
einem ersten Eingang des zweiten Rechenverstärkers 10' zugeführt und über die Leitung 16 dem
Eingang einer Komparatorschaltung 17'. Die Komparatorschaltung 17' weist einen
ersten Operationsverstärker 32 auf,
dessen nicht invertierendem Eingang die Schwellenwertspannung +US zugeführt
ist. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 ist
die Spannung U4 zugeführt. Die Komparatorschaltung 17' weist einen
zweiten Operationsverstärker 33 auf,
dessen nicht invertierendem Eingang die Schwellenwertspannung –US zugeführt
ist. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 33 ist
die Spannung U4 zugeführt. Die Ausgänge der
Operationsverstärker 32 und 33 sind über Dioden 34 bzw. 35 mit
einer Leitung 36 verbunden.The 2 shows the basic circuit diagram of a second embodiment of the analog current interface according to the invention. The first computing amplifier 4 has the same structure as in the 1 on. The second computing amplifier 10 ' has essentially the same structure as the second computing amplifier 10 the 1 on. The resistances 13 and 14 are in the 2 through resistance 13 ' replaced. The output voltage U 4 of the first computing amplifier 4 is a first input of the second computing amplifier 10 ' fed and over the line 16 the input of a comparator circuit 17 ' , The comparator circuit 17 ' has a first operational amplifier 32 on, the non-inverting input of the threshold voltage + U S is supplied. The inverting input of the operational amplifier 32 the voltage U 4 is supplied. The comparator circuit 17 ' has a second operational amplifier 33 whose non-inverting input is supplied with the threshold voltage -U S. The inverting input of the operational amplifier 33 the voltage U 4 is supplied. The outputs of the operational amplifiers 32 and 33 are about diodes 34 respectively. 35 with one line 36 connected.
Die Leitung 36 verbindet
den Ausgang der Komparatorschaltung 17' mit einer Schalteinrichtung 37,
die in Abhängigkeit
von der Polarität
der Ausgangsspannung der Komparatorschaltung 17' eine positive
oder negative Spannung +Uref bzw. –Uref auf einen weiteren Eingang des zweiten
Rechenverstärkers 10' schaltet. Von
dem Ausgang der Komparatorschaltung 17' führt eine Leitung 38 zu
einer Meldeeinrichtung 39.The administration 36 connects the output of the comparator circuit 17 ' with a switching device 37 that depend on the polarity of the output voltage of the comparator circuit 17 ' a positive or negative voltage + U ref or -U ref to a further input of the second computing amplifier 10 ' on. From the output of the comparator circuit 17 ' leads a line 38 to a reporting device 39 ,
Bei einem Eingangsstrom Ie+ der Stromschnittstelle,
der von der Eingangsklemme 2 zu der Eingangsklemme 3 fließt, ist
die Spannung U4 negativ. Die Richtung des
Eingangsstroms Ie+ ist durch einen schwarz ausgefüllten Pfeil
dargestellt. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 ist
die positive Betriebsspannung, da die seinem invertierenden Eingang
zugeführt
negative Spannung U4 kleiner als die seinem
nicht invertierenden Eingang zugeführte Spannung +US ist.
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 ist die positive Betriebsspannung,
da die seinem invertierenden Eingang zugeführte negative Spannung U4 kleiner ist als die seinem nicht invertierenden
Eingang zugeführte Spannung –US. Von dem Ausgang des Operationsverstärkers 33 fließt über die
Diode 35, die Leitung 36, einen Widerstand 40 der
Schalteinrichtung 37 und den Widerstand 13' ein Strom zu
dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11. Der invertierende
Eingang des Operationsverstärkers 11 liegt
praktisch auf Nullpotential. Die Spannung an dem gemeinsamen Schaltungspunkt
der Dioden 34 und 35 ist die um die Flußspannung
der Diode 35 verminderte positive Betriebsspannung. Da
die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 die positive
Betriebsspannung ist, sperrt die Diode 34.With an input current Ie + of the current interface, that from the input terminal 2 to the input terminal 3 flows, the voltage U 4 is negative. The direction of the input current Ie + is shown by a black arrow. The output voltage of the operational amplifier 32 is the positive operating voltage since the negative voltage U 4 supplied to its inverting input is smaller than the voltage + U S supplied to its non-inverting input. The output voltage of the operational amplifier 33 is the positive Operating voltage, since the negative voltage U 4 fed to its inverting input is smaller than the voltage -U S fed to its non-inverting input. From the output of the operational amplifier 33 flows through the diode 35 , The administration 36 , a resistance 40 the switching device 37 and the resistance 13 ' a current to the inverting input of the operational amplifier 11 , The inverting input of the operational amplifier 11 is practically at zero potential. The voltage at the common node of the diodes 34 and 35 is about the forward voltage of the diode 35 reduced positive operating voltage. Because the output voltage of the operational amplifier 32 is the positive operating voltage, the diode blocks 34 ,
Die Schalteinrichtung 37 enthält zusätzlich zu
dem Widerstand 40 zwei Operationsverstärker 41 und 42 sowie
zwei Dioden 43 und 44. Dem nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 41 ist
die Spannung –Uref zugeführt
und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkes 42 ist die
Spannung +Uref zugeführt. Die invertierenden Eingänge der
Operationsverstärker 41 und 42 sind
mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt der Widerstände 40 und 13' verbunden.The switching device 37 contains in addition to the resistance 40 two operational amplifiers 41 and 42 and two diodes 43 and 44 , The non-inverting input of the operational amplifier 41 the voltage -U ref is fed and the non-inverting input of the operational amplifier 42 the voltage + U ref is supplied. The inverting inputs of the operational amplifiers 41 and 42 are with the common node of the resistors 40 and 13 ' connected.
Ist die Spannung U4 negativ,
dann ist – wie oben
erläutert – die Ausgangsspannung
der Komparatorschaltung 17' positiv.
Die Spannung an den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 41 und 42 ist
positiv. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 41 ist
die negative Betriebsspannung, da die Spannung an seinem invertierenden Eingang
größer als
die Spannung –Uref an seinem nicht invertierenden Eingang
ist. Die Diode 43 sperrt. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 42 ist über die
Diode 44 auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt,
d.h. die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 42 stellt sich
so ein, daß die
Spannung an dem invertierenden Eingang gleich der Spannung +Uref ist. Damit ist dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 11 des
invertierenden Rechenverstärkers 10' über den
Widerstand 12 die negative Spannung U4 und über den
Widerstand 13' die
positive Spannung +Uref zugeführt. Wie in
der 1 ergibt sich eine
steigende Kennlinie zwischen Eingangsstrom und Ausgangsspannung
der Stromschnittstelle, wenn der Eingangsstrom Ie+ von der Eingangsklemme 2 zu
der Eingangsklemme 3 fließt.If the voltage U 4 is negative, then - as explained above - the output voltage of the comparator circuit 17 ' positive. The voltage at the inverting inputs of the operational amplifiers 41 and 42 is positive. The output voltage of the operational amplifier 41 is the negative operating voltage because the voltage at its inverting input is greater than the voltage –U ref at its non-inverting input. The diode 43 locks. The output voltage of the operational amplifier 42 is over the diode 44 fed back to its inverting input, ie the output voltage of the operational amplifier 42 adjusts itself so that the voltage at the inverting input is equal to the voltage + U ref . This is the inverting input of the operational amplifier 11 of the inverting computing amplifier 10 ' about the resistance 12 the negative voltage U 4 and across the resistor 13 ' the positive voltage + U ref supplied. Like in the 1 there is an increasing characteristic curve between the input current and the output voltage of the current interface when the input current Ie + from the input terminal 2 to the input terminal 3 flows.
Eine fallende Kennlinie ergibt sich,
wenn der Eingangsstrom Ie– von
der Eingangsklemme 3 zur Eingangsklemme 2 fließt. Die
Richtung des Eingangsstroms Ie– ist
durch einen weiß ausgefüllten Pfeil
dargestellt. Die Spannung U4 ist positiv.
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 ist die negative
Betriebsspannung, da die seinem invertierenden Eingang zugeführte positive
Spannung U4 größer als die seinem nicht invertierenden
Eingang zugeführte
Spannung –US ist. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 ist
die negative Betriebsspannung, da die seinem invertierenden Eingang
zugeführte
positive Spannung U4 größer als die seinem nicht invertierendn
Eingang zugeführte
Spannung +US ist. Von dem praktisch auf
Nullpotential liegenden invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 fließt ein Strom über den
Widerstand 13', den
Widerstand 40 und die Diode 34 zur negativen Betriebsspannung.
Die Spannung an dem gemeinsamen Schaltungspunkt der Dioden 34 und 35 ist
um die Flußspannung
der Diode 34 größer als
die negative Betriebsspannung. Da die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 die
negative Betriebsspannung ist, sperrt die Diode 35. Die
Spannung an den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 41 und 42 ist
negativ. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 42 ist
die positive Betriebsspannung, da die Spannung an seinem invertierenden
Eingang kleiner als die Spannung +Uref an seinem
nicht invertierenden Eingang ist. Die Diode 44 sperrt.
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 41 ist über die
Diode 43 auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt,
d.h. die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 41 stellt sich
so ein, daß die
Spannung an dem invertierenden Eingang gleich der Spannung –Uref ist. Damit ist dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 11 des
Rechenverstärkers 10' über den
Widerstand 12 die positive Spannung U4 und über den
Widerstand 13' die
negative Spannung –Uref zugeführt.
Wie in der 1 ergibt
sich eine fallende Kennlinie zwischen Eingangsstrom und Ausgangsspannung
der Stromschnittstelle, wenn der Eingangsstrom Ie– von der Eingangsklemme 3 zu
der Eingangsklemme 2 fließt.A falling characteristic curve results when the input current Ie– from the input terminal 3 to the input terminal 2 flows. The direction of the input current Ie - is shown by a white filled arrow. The voltage U 4 is positive. The output voltage of the operational amplifier 33 is the negative operating voltage since the positive voltage U 4 supplied to its inverting input is greater than the voltage -U S supplied to its non-inverting input. The output voltage of the operational amplifier 32 is the negative operating voltage since the positive voltage U 4 supplied to its inverting input is greater than the voltage + U S supplied to its non-inverting input. From the inverting input of the operational amplifier, which is practically at zero potential 11 a current flows through the resistor 13 ' , the resistance 40 and the diode 34 to the negative operating voltage. The voltage at the common node of the diodes 34 and 35 is about the forward voltage of the diode 34 greater than the negative operating voltage. Because the output voltage of the operational amplifier 33 is the negative operating voltage, the diode turns off 35 , The voltage at the inverting inputs of the operational amplifiers 41 and 42 is negative. The output voltage of the operational amplifier 42 is the positive operating voltage since the voltage at its inverting input is less than the voltage + U ref at its non-inverting input. The diode 44 locks. The output voltage of the operational amplifier 41 is over the diode 43 fed back to its inverting input, ie the output voltage of the operational amplifier 41 adjusts itself so that the voltage at the inverting input is equal to the voltage -U ref . This is the inverting input of the operational amplifier 11 of the computing amplifier 10 ' about the resistance 12 the positive voltage U 4 and across the resistor 13 ' the negative voltage –U ref supplied. Like in the 1 there is a falling characteristic between input current and output voltage of the current interface when the input current Ie– from the input terminal 3 to the input terminal 2 flows.
Bis jetzt wurde davon ausgegangen,
daß der Eingangsstrom
als "live zero"-Signal einen Wert
zwischen einem Mininmalwert, z.B. 4 mA und einem Minimalwert, z.B.
20 mA, annimmt. Tritt eine Unterbrechung einer Leitung zwischen
dem Stromgeber und der Stromschnittstelle auf, fließt kein
Strom über
die Stromschnittstelle. Das gleiche gilt, wenn ein Kurzschluß zwischen
den von dem Stromgeber zur Stromschnittstelle führenden Leitungen auftritt.
In diesem Fall ist die Ausgangsspannung U4 des
invertierenden Verstärkers 4 Null
Volt. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 ist jetzt
die positive Betriebsspannung, da die Spannung U4 am
invertierenden Eingang kleiner als die Spannung +US am
nicht invertierenden Eingang ist. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 ist
die negative Betriebsspannung, da die Spannung U4 am
invertierenden Eingang größer als
die Spannung –US am nicht invertierenden Eingang ist. Die
Dioden 34 und 35 sind in Sperrichtung beaufschlagt.
Die Spannung auf der Leitung 36 ist Null Volt. Dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 11 ist über den
Widerstand 12 und über
den Widerstand 13' die Spannung
Null Volt zugeführt.
Damit ist die Ausgangsspannung U10' der Stromschnittstelle
ebenfalls Null Volt. Diese Spannung entspricht einem Eingangssignal
von 50 %. Ein von der Spannung U10' angesteuertes
Stellglied wird in seine Mittellage gefahren.So far it has been assumed that the input current as a "live zero" signal assumes a value between a minimum value, for example 4 mA and a minimum value, for example 20 mA. If there is a break in a line between the current transmitter and the current interface, no current flows through the current interface. The same applies if there is a short circuit between the lines leading from the current transmitter to the current interface. In this case the output voltage is U 4 of the inverting amplifier 4 Zero volts. The output voltage of the operational amplifier 32 is now the positive operating voltage, since the voltage U 4 at the inverting input is less than the voltage + U S at the non-inverting input. The output voltage of the operational amplifier 33 is the negative operating voltage, since the voltage U 4 at the inverting input is greater than the voltage –U S at the non-inverting input. The diodes 34 and 35 are applied in the reverse direction. The tension on the line 36 is zero volts. The inverting input of the operational amplifier 11 is about resistance 12 and about the resistance 13 ' the voltage supplied zero volts. The output voltage U 10 'of the current interface is thus also zero volts. This voltage corresponds to an input signal of 50%. One from voltage U 10 ' on The controlled actuator is moved to its central position.
Wie oben ausgeführt, ist im normalen Betrieb die
Spannung auf der Leitung 36 positiv oder negativ. Nur im
Störungsfall
ist die Spannung auf der Leitung 36 Null Volt. Dieser Zusammenhang
wird zur Störungsmeldung
ausgenutzt. Solange der Meldeeinrichtugn 39 über die
Leitung 38 eine positive oder eine negative Spannung zugeführt ist,
erfolgt keine Störungsmeldung.
Erhält
die Meldeeinrichtung 39 im Störungsfall keine Spannung mehr,
schließt
ein in der 2 nicht dargestellter
Schalter, der von der Spannung auf der Leitung 38 gesteuert
ist, und verbindet eine Lampe 45 mit der Betriebsspannung.
Die leuchtende Lampe 45 signalisiert das Auftreten einer
Störung.
Zusätzlich
zu oder anstelle der optischen Störungssignalisierung ist eine
akustische Störungssignalisierung
möglich.
Ebenso ist es möglich,
das Störungssignal
einer Steuerschaltung zur weiteren Signalverknüpfung zuzuführen.As stated above, the voltage on the line is in normal operation 36 positive or negative. The voltage on the line is only in the event of a fault 36 Zero volts. This relationship is used to report errors. As long as the reporting facility 39 over the line 38 If a positive or a negative voltage is supplied, there is no fault message. Receives the reporting device 39 in the event of a fault, no more voltage, includes in the 2 Switch, not shown, of the voltage on the line 38 is controlled and connects a lamp 45 with the operating voltage. The shining lamp 45 signals the occurrence of a fault. In addition to or instead of optical fault signaling, acoustic fault signaling is possible. It is also possible to supply the fault signal to a control circuit for further signal linking.
