DE2701184A1

DE2701184A1 - Schaltungsanordnung zur uebertragung von messwertsignalen

Info

Publication number: DE2701184A1
Application number: DE19772701184
Authority: DE
Inventors: Volker Dreyer; Hans-Juergen Ing Grad Franz
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1977-01-13
Filing date: 1977-01-13
Publication date: 1978-07-27
Also published as: NL7800234A; SE7800329L; FR2377611A1; CH617783A5; JPS53105110A; IT1088944B; FR2377611B1

Description

Schaltungsanordnung zur übertragung von Meßwertsignalen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur übertragung von Meßwertsignalen von einem Meßwertsignalgeber zu einem Empfänger über eine Zweidrahtleitung, über die gleichzeitig die für den Betrieb des Meßwertsignalgebers erforderliche elektrische Energie von einer' Spannungsquelle zu dem Meßwertsignalgeber geliefert wird, wobei die Meßwertsignale Stromimpulse sind, die einem auf der Zweidrahtleitung fließenden Gleichstrom überlagert sind.

Bei einer aus der DT-OS 24 45 337 bekannten Schaltungsanordnung dieser Art ist auf der Meßwertsignalgeberseite ein elektrischer Energiespeicher an die Zweidrahtleitung über einen Stromschalter angeschlossen, der im Rhythmus

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eines vom Meßsignalgeber gelieferten frequenzanalogen Meßsignals betätigt wird, so daß der Energiespeicher durch periodische Stromimpulse aufgeladen wird, deren Frequenz den Meßwert ausdrückt. Der Energiespeicher liefert über einen Stromgenerator einen Teil des Betriebsstroms des Meßwertsignalgebers. Ferner ist ein Spannungsregler vorgesehen, der die an den Klemmen der Zweidrahtleitung vorhandene, vom Empfänger gelieferte Spannung in eine konstante Spannung umwandelt und diese dem Spannungsanschluß des Meßwertsignalgebers zuführt; dieser Spannungsregler liefert somit den restlichen Teil des Betriebsstromes des Meßwertsignalgebers. Die Frequenz der der Spannungsquelle im Empfänger entnommenen Stromimpulse ist ein Maß für das übertragene Meßwertsignal.

Bei dieser bekannten Schaltung erfolgt somit die Informationsübertragung auf der Zweidrahtleitung durch einen periodisch pulsierenden Gleichstrom; aus diesem pulsierenden Gleichstrom wird durch den Energiespeicher in Verbindung mit dem Stromgenerator und dem Spannungsregler der Betriebsstrom des Meßwertsignalgebers gev/onnen. Ein einwandfreier Betrieb dieser Schaltung setzt voraus, daß der Mittelwert des über die Zweidrahtleitung übertragenen pulsierenden Gleichstroms stets genau dem benötigten Betriebsstrom entspricht. Dies kann praktisch nur dann erreicht werden, wenn die Meßwertsignale periodische Impulse mit gleichbleibendem Tastverhältnis sind. Als veränderliche Kenngröße für die Informationsübertragung kann deshalb nur die Pulsfolgefrequenz benutzt werden. Außerdem hängt die Form der übertragenen Strom- Impulse von den Lade- und Entladebedingungen des Energiespeichers ab.

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art, bei der die Art und Form der übertragenen Stromimpulse völlig unabhängig von der Energieversorgung des Meßwertsignalgebers sind und die für die Informationsübertragung benutzte Kenngröße der Impulse frei wählbar ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an die Zweidrahtleitung im Nebenanschluß zu dem Meßwertsignalgeber ein durch die vom Meßwertsignalgeber erzeugten Impulse gesteuerter Widerstandszweig angeschlossen ist.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung fließt über die Zweidrahtleitung dauernd der für den 3etrieb des Meßwertsignalgebers erforderliche Gleichstrom, unabhängig davon, ob außerdem noch Meßv/ertsignale übertragen werden oder nicht. Die die Meßwertsignale darstellenden Stromimpulse addieren sich zu diesem Gleichstrom auf der Zweidrahtleitung, gelangen aber nicht zum Meßwertsignalgeber, da sie über den im Nebenschluß geschalteten Widerstandszweig fließen. Es besteht daher keine Einschränkung hinsichtlich der Art der Informationsdarstellung durch die Impulse; sie kann durch Modulation beliebiger Kenngrößen der Impulse erfolgen, beispielsweise der Dauer, Folgefrequenz, zeitlichen Lage oder auch durch das Fehlen oder Vorhandensein von Impulsen (Pulscodemodulation). Es ist sogar die Übertragung von Einzelimpulsen möglich, die unregelmäßig in beliebigen Zeitabständen auftreten. Ferner ist die Form der Impulse ausschließlich durch die Bedingungen im gesteuerten Widerstandszweig gegeben und völlig unabhängig von der Energieversorgung des Meßwertsignalgebers .

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtschema einer Schaltungsanordnung zur übertragung von Meßwertsignalen nach der Erfindung,

Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von Fig. 1,

Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen des steuerbaren Widerstandszweiges der Schaltungsanordnung von Fig. 1 und

Fig. 4 verschiedene AusfUhrungsformen der Trennschaltung der Schaltungsanordnung von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsschema einer Schaltungsanordnung zur übertragung von MeßwertSignalen von einer Sendestelle S zu einer Empfangsstelle E. Die Sendestelle S und die Empfangsstelle E sind in beliebiger Entfernung voneinander angeordnet und durch eine Zweidrahtleitung A, B miteinander verbunden. An der Sendestelle S ist ein Meßwertsignalgeber 1 angeordnet, der bei dem dargestellten Beispiel einen Meßwertaufnehmer 2 und einen Meßwertwandler 3 enthält. Der Meßwertaufnehmer 2 spricht auf die zu messende physikalische Größe an (Temperatur, Druck, fUllstandsabhängige Kapazität oder dergl.) und liefert zu dem Meßwertwandler 3 ein elektrisches Signal, das den Jeweiligen Augenblickswert der zu messenden physikalischen Größe ausdrückt. Der Meßwertwandler 3 enthält elektronische Schaltungen, welche das vom Meßwertaufnehmer 2 gelieferte elektrische Signal in elektrische Impulse umwandeln, die

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in geeigneter Weise so moduliert sind, daß sie den Meßwert wiedergeben. Der Meßwert kann beispielsweise durch die Folgefrequenz, die Dauer, die zeitliche Lage oder auch durch das Vorhandensein und Fehlen von Impulsen (Pulscodemodulation) ausgedrückt sein. Diese Impulse werden an einem Ausgang A des Meßwertwandlers 3 abgegeben. Diese Meßwertimpulse sollen zu der Empfangsstelle E übertragen werden, die so ausgebildet ist, daß sie aus den empfangenen Impulsen den Meßwert gewinnt und in geeigneter Weise verwertet, beispielsweise durch Anzeige, Auslösung von Schaltvorgängen usw..

Der Meßwertwandler 3 benötigt für seinen Betrieb einen Versorgungsgleichstrom an seinen Klemmen 5 und 6. Dieser Versorgungsgleichstrom wird von einer Spannungsquelle 7 geliefert, die sich in der Empfangsstelle E befindet. Dieser Versorgungsgleichstrom wird über die Zweidrahtleitung A, B übertragen, welche die Klemmen a, b der Empfangsstelle E mit den Klemmen c, d der Sendestelle S verbindet.

Um zu vermeiden, daß für die übertragung der Meßwertimpulse von der Sendestelle S zur Empfangsstelle E eine zusätzliche Leitung benötigt wird, ist die Schaltung von Fig. so ausgebildet, daß die Meßwertimpulse dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung A, B überlagert werden. Die Empfangsstelle enthält eine Auswerteschaltung 8, die so ausgebildet ist, daß sie auf solche dem Versorgungsgleichstrom überlagerte Stromimpulse anspricht. Als Beispiel ist der einfachste Fall dargestellt, bei welchem zu diesem Zweck in der Empfangsstelle E ein Widerstand in Reihe mit der Spannungsquelle 7 geschaltet ist; die Empfangsstelle 8 ist mit den Klemmen des Widerstandes 9

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verbunden und spricht auf den Spannungsabfall an diesem Widerstand an. Damit die Gleichspannung an den Klemmen a, b der Empfangsstelle unabhängig von dem sich ändernden Spannungsabfall am Widerstand 9 konstant gehalten wird, kann in der Empfangsstelle E zusätzlich ein Spannungsregler 10 vorgesehen sein.

Um die Meßwertimpulse dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung A, B in Form von Stromimpulsen zu überlagern, ist an der Sendestelle S ein steuerbarer Widerstandszweig 11 im Nebenschluß zu dem Meßwertsignalgeber an die Zweidrahtleitung A, B angeschlossen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten einfachsten Ausführungsbeispiel enthält dieser steuerbare Widerstandszweig 11 einen Festwiderstand 12 in Reihe mit einem Schalter 13, der durch die am Ausgang 4 des Meßwertwandlers 3 abgegebenen Impulse so gesteuert wird, daß er normalerweise offen ist und jeweils für die Dauer eines Impulses geschlossen wird.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist aus den Diagrammen von Fig. 2 ersichtlich. Das obere Diagramm a) von Fig. zeigt als Funktion der Zeit t die am Ausgang 4 des Meßwertwandlers 3 abgegebenen Impulse, die den Meßwert ausdrücken. Im unteren Diagramm b) ist der Strom I dargestellt, der über die Zweidrahtleitung A, B von der Empfangsstelle E zur Sendestelle S fließt. Wenn der Schalter 13 offen ist, fließt über die Zweidrahtleitung A, B ein Grundstrom I_Q, der gleich dem Versorgungsgleichstrom ist, der dauernd vom Meßwertwandler 3 aufgenommen wird. Wenn dagegen der Schalter 13 für die Dauer eines Impulses geschlossen wird, fließt über den steuerbaren Widerstandszweig 11 ein zusätzlicher Strom I₁, der sich zu dem Grundstrom I₀ auf der Zweidrahtleitung A, B addiert. Somit werden dem Grundstrom Iq Stromimpulse überlagert, die nach Dauer, Folge-

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frequenz und zeitlicher Lage genau mit den Ausgangsimpulsen des Meßwertwandlers 3 übereinstimmen. Jeder dieser überlagerten Stromimpulse ruft in der Empfangsstelle E eine Änderung des Spannungsabfalls am Widerstand 9 hervor, und die Auswerteschaltung 8 kann aus diesen Spannungsänderungen die übertragenen Impulse und damit den übertragenen Meßwert ableiten.

Infolge der Übertragung der überlagerten Stromimpulse erhöht sich der von der Spannungsquelle 7 abgegebene Gleichstrom um den Gleichstrommittelwert ΔΙ der übertragenen Stromimpulse. Diese zusätzliche Stromlieferung ist bei der üblichen Größenordnung der vorkommenden Ströme in der Praxis bedeutungslos; im übrigen kann der zusätzliche Gleichstrommittelwert ΔΙ dadurch klein gehalten werden, daß das Tastverhältnis der Impulse, d.h. das Verhältnis der Impulsdauer zum Impulsabstand, klein gehalten wird.

Dagegen besteht ein wesentlicher Vorteil der dargestellten Schaltung darin, daß der zum Meßwertwandler 3 gelieferte Versorgungsgleichstrom völlig unabhängig von den überlagerten Stromimpulsen ist. Der Versorgungsgleichstrom fließt stets über die Zweidrahtleitung A, B, unabhängig davon, ob Meßwertimpulse übertragen werden oder nicht, und welche Dauer, Folgeperiode und zeitliche Lage diese Meßwertimpulse haben. Dadurch besteht eine sehr große Freiheit hinsichtlich der Art und der Kenngrößen der übertragenen Meßwertimpulse. Es ist beispielsweise ohne weiteres möglich, sporadische Meßwertimpulse in unregelmäßigen Zeitabständen zu übertragen, die auch sehr groß werden können. Ferner gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Wahl der für die übertragung der

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Information gewählten Pulsmodulation. Die Meßwertinformation kann durch Pulsfrequenzmodulation, Pulsdauermodulation oder auch Pulscodemodulation dargestellt werden; es ist sogar möglich, mit einer Pulsamplitudenmodulation zu arbeiten, wenn der steuerbare Widerstandszweig 11 so ausgebildet ist, daß nicht ein einfacher fester Widerstandswert ein- und ausgeschaltet wird, sondern verschiedene Widerstandswerte einstellbar sind.

Die bisher beschriebene Schaltung arbeitet einwandfrei, wenn angenommen wird, daß auf der Zweidrahtleitung A, B durch die überlagerten Stromimpulse kein störender Spannungsabfall entsteht oder wenn der Meßwertwandler 3 für einen solchen Spannungsabfall unempfindlich ist.

Wenn dagegen der von den überlagerten Meßwertimpulsen auf der Zweidrahtleitung A, B verursachte Spannungsabfall vom Meßwertwandler 3 ferngehalten werden muß, kann gemäß Fig. 1 zwischen den steuerbaren Widerstandszweig 11 und den Meßwertsignalgeber 1 eine zusätzliche Trennschaltung eingefügt werden. Die Trennschaltung 14 ist an den Schaltungspunkten e, f mit dem Widerstandszweig 11 und an den Schaltungspunkten g, h mit dem Meßwertsignalgeber 1 verbunden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten einfachsten Ausführungsbeispiel ist diese Trennschaltung 14 ein einfaches Siebglied mit einem parallel zum Meßwertwandler 3 an die Zweidrahtleitung angeschlossenen Kondensator 15 und einem in Serie in die Ader A eingefügten Widerstand 16. Dieses Siebglied glättet die von den überlagerten Stromimpulsen verursachten SpannungsSchwankungen, so daß an den Klemmen 5» 6 des Meßwertwandlers 3 eine im wesentlichen konstante Spannung zur Verfügung steht.

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In Fig. 3 sind verschiedene andere AusfUhrungsbeispiele für den steuerbaren Widerstandszweig 11 dargestellt. In Fig. 1 ist der Schalter 14 symbolisch als mechanischer Schalter dargestellt, der beispielsweise ein Relaiskontakt sein könnte; vorzugsweise wird aber ein elektronischer Schalter verwendet, beispielsweise in Form eines Transistors 17, wie in Fig. 3a gezeigt ist, oder in Form eines Feldeffekttransistors 18 gemäß Fig. 3b. Es ist auch möglich, den Festwiderstand 13 durch eine Konstantstromquelle 19 zu ersetzen, die entweder direkt durch die Ausgangs impulse des Meßv/ertwandlers 3 gesteuert wird, wie Fig. 3c zeigt, oder in Reihe mit einem durch diese Impulse gesteuerten Schalter liegt.

Fig. 4 zeigt einige abgeänderte Ausführungsformen der Trennschaltung 14. Bei der AusfUhrungsform von Fig. 4a ist der Siebwiderstand 16 durch eine Diode 20 ersetzt, die normalerweise den Fluß des Versorgungsgleichstroms Iq zum Meßwertwandler 3 zuläßt und den Kondensator 15 auf die volle Versorgungsgleichspannung aufgeladen hält. Wenn während der Dauer eines Stroiaimpulses I- , der über den steuerbaren Widerstandszweig 11 fließt, die Spannung zwischen den Schaltungspunkten e, f infolge des zusätzlichen Spannungsabfalls auf der Zweidrahtleitung unter den V/ert der Ladespannung des Kondensators 15 fällt, sperrt die Diode 20; der Meßwertwandler 3 bezieht in dieser Zeit seinen Versorgungsgleichstrom aus dem Kondensator 15.

Eine besonders konstante Versorgungsspannung des Meßwertwandlers 3 kann gemäß Fig. 4b dadurch erhalten v/erden, daß anstelle des Kondensators 15 ein Spannungskonstanthalter 21 angeschlossen wird, beispielsweise in Form einer

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Zenerdiode. Der Vorwiderstand 16 kann in diesem Fall vorzugsweise durch einen Konstantstromgenerator 22 ersetzt werden, der einen konstanten Strom liefert, der etwas größer als der vom Meßwertwandler 3 benötigte Versorgungsgleichstrom ist. Der überschüssige Strom wird über den Spannungskonstanthalter 21 abgeleitet.

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Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur übertragung von Meßwert- ~ Signalen von einem Meßwertsignalgeber zu einem Empfänger über eine Zv/ei draht leitung, über die gleichzeitig die für den Betrieb des Meßwertsignalgebers erforderliche elektrische Energie von einer Spannungsquelle zu dem Meßwerxsignalgeber geliefert wird, wobei die Meßwertsignale Stromimpulse sind, die einem auf der Zweidrahtleitung fließenden Gleichstrom überlagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zweidrahtleitung im Nebenschluß zu dem Meßwertsignalgeber ein durch die vom Meßwertsignalgeber erzeugten Impulse gesteuerter Widerstandszweig angeschlossen ist.
2), Schaltungsanordnung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandszweig einen Festwiderstand in Reihe mit einem Schalter enthält.
3) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein elektronischer Schalter ist.
4) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandszweig einen Feldeffekttransistor enthält.
5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandszweig einen Konstantstromgenerator enthält.

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ORIGINAL INSPECTED
6) Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem durch die Impulse gesteuerten Widerstandszweig und dem Meßwertsignalgeber eine Spannungsänderungen vom Meßwertsignalgeber fernhaltende Trennschaltung mit der Zweidrahtleitung verbunden ist.
7) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltung einen an die Zweidrahtleitung angeschlossenen Kondensator enthält.
8) Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltung einen zwischen den Anschlußpunkten des Widerstandszweigs und des Kondensators in Serie in die Zweidrahtleitung eingeschalteten Widerstand enthält.
9) Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltung eine zwischen den Anschlußpunkten des Widerstandszweigs und des Kondensators in Serie in die Zweidrahtleitung eingefügte Diode enthält.
10) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltung einen an die Zweidrahtleitung angeschlossenen Spannungskonstanthalter enthält.
11) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltung einen in die Zweidrahtleitung eingefügten Konstantstromgenerator enthält.

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12) Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Impulse klein gegen die Impulsabstände ist.

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