DE19813700C2 - Eingangsschaltung für ein Feldgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung für ein Feldgerät zur Kommunikation mittels einem analogen Steuersignal überlagerten, bidirektionalen Signalen.

Elektrische Feldgeräte, die allein standardisierte elektrische Einheitssignale, insbesondere ein 4 bis 40 mA Stromsignal, verwenden, sind seit langem bekannt, siehe, beispielsweise, DE 44 12 388 A1. Neuere Feldgeräte bieten erweiterte Parameterisierungs- und Überwachungsmög­ lichkeiten durch gleichzeitige Kommunikation mit dem Feldgerät. Dabei haben Feldgeräte eine große Verbreitung gefunden, die in herkömmlicher Weise ein 4 bis 20 mA Stromsignal verwenden, beispielsweise in Form eines Zweileitergerätes, und diesem Stromsignal ein hochfrequentes Signal zur Kommunikation überlagern.

Vor allem Geräte nach dem HART-Feld-Kommunikations- Protokoll (HART = Highway Addressable Remote Transducer) haben sich in diesem Bereich als Quasistandard etabliert. Derartige kommunikationsfähige Feldgeräte lassen sich in zwei Kategorien aufteilen, nämlich in die, die der Zweileiterschleife einen Strom als Sendesignal einprägen, wie es zum Beispiel bei Meßumformern für Temperatur oder Druck der Fall ist, und in die, die einen Strom als Steuersignal erhalten, wie es zum Beispiel bei I/P- Umformern oder Stellungsreglern zur Erzeugung einer physikalischen Größe, beispielsweise eines Druckes oder einer Ventilposition, der Fall ist.

Die Begrenzung der Feldgeräten, die als Zweileitergeräte ausgelegt sind, zur Verfügung stehenden Energie erfordert vor allem für diejenigen Feldgeräte, die einen Strom als Steuersignal erhalten, besondere Eingangsschaltungen, da der Gleichstromwiderstand relativ niedrig sein muß, um die aufgenommene Energie akzeptabel auszulegen. Bislang sind jedoch keine einfachen Eingangsschaltungen für Feldgeräte, die einen Strom als Steuersignal erhalten und eine überlagerte digitale Kommunikation ermöglichen, bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Eingangsschaltung für ein verbesserter Feldgerät zu liefern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Eingangsschaltung für ein Feldgerät nach Anspruch 1 gelöst.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der ohmsche Widerstand einer die Induktivität bildenden Spule kleiner als der des Strommeßwiderstands ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität als Drossel mit einer Primärspule und einer Sekundärspule ausgebildet ist, und die Sekundärspule elektrisch zwischen der Kapazität und der Primärspule angeordnet ist.

Auch kann die Induktivität als Drossel mit einem weichmagnetischen Eisenkern gemäß der Erfindung ausgebildet sein.

Bevorzugt ist dabei erfindungsgemäß, daß die Sekundär­ spule gegenüber der Primärspule ein Vielfaches an Windungen besitzt.

Ferner wird erfindungsgemäß eine Weiterentwicklung mit einem niederohmigen Schalter, der die Sendeeinheit zusätzlich zur Empfangseinheit kapazitiv auf die Induktivität aufkoppelt, vorgeschlagen.

Alternativ kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß der niederohmige Schalter als Umschalter zwischen der Empfangseinheit und der Sendeeinheit ausgebildet ist.

Die Spannungsbegrenzung kann durch eine Zener-Diode realisiert sein.

Ferner kann erfindungsgemäß Vorgesehen sein, daß parallel zum Spannungsregler eine Kapazität angeordnet ist.

Schließlich ist erfindungsgemäß auch bevorzugt, daß die Eingangsschaltung eine Kommunikation gemäß dem HART-Feld- Kommunikations-Protokoll in einer Punkt-zu-Punkt Verbindung ermöglicht.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß eine Sendeeinheit und/oder eine Empfangseinheit an eine Zweileiterschleife für ein Feldgerät über ein passives Bauelement, nämlich eine Induktivität, die durch eine Spule oder eine Drossel realisiert sein kann, ankoppelbar ist beziehungsweise sind, wobei durch Verwendung der Induktivität automatisch ein niedriger Gleichstromwiderstand und ein hoher Wechselstromwiderstand, also zwei unterschiedliche, wohldefiniert frequenzabhängige Widerstände, vorliegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der Ausführungs­ beispiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein elektronisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform für eine Eingangsschaltung nach der Erfindung; und

Fig. 2 ein elektronisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform für eine Eingangsschaltung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein schematisiertes elektronisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Eingangsschaltung mit einem Eingang 10 und einem Ausgang 12, zwischen denen eine Spannungsbegrenzung 14, ein Strommeßwiderstand 16 und eine Induktivität 18 in Serie geschaltet sind. Der Spannungsbegrenzung 14 ist dabei ein Spannungsregler 28 parallel geschaltet. Am Strommeßwiderstand 16 wird das Eingangssignal eines Analog-Digital-Wandlers 22 abgegriffen, dessen Ausgangssignal zu einem nicht gezeigten Feldgerät weitergeleitet wird. Die Weiterverarbeitung eines Steuersignals zum Erreichen eines Sollwerts, in Abhängigkeit dessen das Feldgerät, beispielsweise, einen pneumatischen Druck an seinem Ausgang erzeugt, ist dabei nicht Teil der Eingangs­ schaltung und aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellt.

An der Induktivität 18 erfolgt mittels einer Kapazität 20 eine Kopplung auf eine Empfangseinheit 24 und/oder eine Sendeeinheit 26 für digitale Signale. Dabei kann die Kapazität 20, beispielsweise, in Form eines Kondensators realisiert sein und erfüllt die Aufgabe, Wechsel­ spannungen der Digitalsignale zu übertragen, Gleichstrom jedoch zu sperren. Die digitalen Signale genügen in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der Erfindung dem HART-Feld-Kommunikations-Protokoll.

Die Sendeeinheit 26 wird zusätzlich zur Empfangseinheit 24 kapazitiv auf die Induktivität 18 aufgekoppelt, indem ein niederohmiger Schalter 30 eine Verbindung zur Sendeeinheit 26 schaltet.

Der ohmsche Widerstand einer die Induktivität 18 bildenden Spule ist vorteilhafterweise kleiner als der des Strommeßwiderstands 16 gewählt, so daß dieser unvermeidliche ohmsche Widerstand die Stromaufnahme der Schaltung kaum erhöht.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn parallel zum Spannungsregler 28 eine nicht gezeigte Kapazität, also ein Kondensator, angeordnet ist, um Wechselspannungs­ signale am Eingang des Spannungsreglers 28 kurz­ zuschließen.

Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, die Induktivität 18 als Drossel mit einer Primärspule 18a und einer Sekundärspule 18b auszubilden, wie für ein andere Ausführungsform der Erfindung in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist die Sekundärspule 18b elektrisch zwischen der Kapazität 20 und der Primärspule 18a angeordnet. Unterschiedliche Windungszahlen von Primärspule 18a und Sekundärspule 18b ermöglichen ferner eine Transformation der Signalhöhen. Dabei besitzt die Sekundärspule 18b gegenüber der Primärspule 18a vorzugsweise ein Vielfaches an Windungen, um ein hohes Transformationsverhältnis zu erzeugen. Diese induktive Kopplung von der Primärspule 18a zur Sekundärspule 18b ist besonders effizient, wenn zwischen beiden Spulen ein weichmagnetischer Eisenkern 18c angeordnet ist.

Die Induktivität 18 ist somit durch ein einfaches passives Bauelement, wie, eine Spule oder eine Drossel, realisiert, das gut definierte Eigenschaften insbesondere in ihrem Frequenzverhalten besitzt. Allein die prinzipiellen physikalischen Eigenschaften einer Spule stellen dabei bereits die Realisierung eines niedrigen Gleichstromwiderstands und eines hohen Wechselstrom­ widerstands sicher, ohne die Notwendigkeit einer frequenzabhängigen Impedanzregelung. Zur Realisierung der Sende/Empfang-Funktionen ist es dabei nicht notwendig, das passive Bauteile zu verändern, was den kompletten Schaltungsaufbau einfach und störunanfällig sein läßt.

Der niederohmige Schalter kann auch als Umschalter 30' zwischen der Empfangseinheit 24 und der Sendeeinheit 26 ausgebildet sein, wie in Fig. 2 angedeutet. Dies hat den Vorteil, daß die Empfangseinheit 24 nicht die vom eigenen Gerät ausgegebenen Sendesignale auswerten muß.

In besonders einfacher Weise ist die Spannungsbegrenzung 14 durch eine Zener-Diode 32 realisiert, wie in Fig. 2 gezeigt.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich somit insbesondere aus der Realisierung einer einfachen Eingangsschaltung für ein Feldgerät zur Kommunikation mittels bidirektionaler Signale, die einem analogen Steuersignal überlagert sind, die es ermöglicht, mittels eines passiven Bauelements, wie einer Spule 18 beziehungsweise einer Drossel 18a, 18b, die Sende- und/oder Empfangseinheit 24, 26 an die Zweileiterschleife 10, 12 anzukoppeln.

Claims (10)

1. Eingangsschaltung für ein Feldgerät zur Kommunikation mittels einem analogen Steuer­ signal überlagerten, bidirektionalen Signalen, wobei die Eingangsschaltung Teil einer Stromschleife ist, die das Feldgerät mit Energie versorgt und gleichzeitig ein analoges Stromsignal zur Vorgabe eines Sollwerts trägt, wobei das Feldgerät mit Aktorik verbun­ den ist, die zum Erreichen des Sollwerts geeignet ist, und die Eingangsschaltung zwischen ihrem Eingang (10) und ihrem Ausgang (12), in Serie geschaltet, eine Spannungsbegren­ zung (14), einen Strommeßwiderstand (16) und eine Induktivität (18) umfaßt, wobei am Strommeßwiderstand (16) das Eingangssignal eines Analog-Digital-Wandlers (22) ab­ greifbar ist, der Spannungsbegrenzung (14) ein Spannungsregler (22) parallel geschaltet ist und an der als frequenzabhängiger Widerstand mit niedrigem Gleichstromwiderstand und hohem Wechselstromwiderstand fungierenden Induktivität (18) eine Kopplung mit­ tels einer Kapazität (20) auf eine Empfangseinheit (24) und Sendeeinheit (26) für di­ gitale Signale erfolgt.

2. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand einer die Induktivität (18) bildenden Spule kleiner als der des Strommeßwiderstands (16) ist.

3. Eingangsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (18) als Drossel mit einer Primärspule (18a) und einer Sekundärspule (18b) ausgebildet ist, und die Sekundärspule (18b) elektrisch zwischen der Kapazität (20) und der Primärspule (18a) angeordnet ist.

4. Eingangsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (18) als Drossel mit einem weichmagnetischen Eisenkern (18c) ausgebildet ist.

5. Eingangsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (18b) gegenüber der Primärspule (18a) ein Vielfaches an Windungen besitzt.

6. Eingangsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen niederohmigen Schalter (30, 30'), der die Sendeeinheit (26) zusätzlich zur Empfangseinheit (24) kapazitiv auf die Induktivität (18) aufkoppelt.

7. Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der niederohmige Schalter als Umschalter (30') zwischen der Empfangseinheit (24) und der Sendeeinheit (26) ausgebildet ist.

8. Eingangsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzung (14) durch eine Zener-Diode (32) realisiert ist.

9. Eingangsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Spannungsregler (28) eine Kapazität angeordnet ist.

10. Eingangsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung eine Kommunikation gemäß dem HART- Feld-Kommunikations-Protokoll in einer Punkt-zu-Punkt Verbindung ermöglicht.