DE4016922C3 - Elektrischer Meßumformer nach dem Zwei-Draht-Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Meßumformer nach dem Zwei-Draht-Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiger Meßumformer ist aus der Druckschrift "User's Manual: Model 3051 C - Smart Pressure Trans­ mitter" der Fa. Rosemount, August 1988, Veröffentli­ chungs-Nummer 462214623 bekannt. In der Fig. 9-2 auf Seite 9-1 dieser Druckschrift ist das Blockschalt­ bild eines Differenzdruck-Meßumformers nach dem Zwei-Draht-Verfahren dargestellt. Der Differenzdruck- Meßumformer enthält einen Sensor, der den zu messen­ den Differenzdruck und die Temperatur des Sensors in entsprechende elektrische Signale umformt. Diese elek­ trischen Signale werden von einem Analog/Digital- Wandler in digitale Signale umgesetzt und einer Elek­ tronik-Schaltung mit einem Mikroprozessor zugeführt. Der Mikroprozessor steuert die Signalverknüpfungen des Meßumformers. Zusätzlich führt er Berechnungen für die Linearisierung des Sensors und für die Bereichs­ einstellung durch sowie die Kommunikation mit einer externen Kommunikations-Einheit. Ein Digital/Analog- Wandler setzt die digitalen Signale des Mikroprozes­ sors in ein 4 ... 20 mA-Signal um, das über eine Zwei- Draht-Leitung in üblicher Weise einer Warte zugeführt ist. Der Mikroprozessor tauscht mit einer externen Kommunikation-Einheit digitale Daten aus. Der Daten­ austausch erfolgt über Hochfrequenzsignale, die dem 4 ... 20 mA-Signal so überlagert sind, daß sie seinen Mittelwert nicht verfälschen. Bei der Konzeptionierung derartiger Meßumformer besteht ein Widerspruch zwi­ schen den Anforderungen an die Verarbeitungsge­ schwindigkeit einerseits und dem Energiebedarf der Schaltungselemente andererseits. Aus der Begrenzung der maximalen Versorgungsenergie für den Meßumfor­ mer ergibt sich eine Begrenzung der Verarbeitungsge­ schwindigkeit des Mikroprozessors, die dazu führt, daß das Ausgangssignal des Meßumformers nicht in der La­ ge ist schnellen Änderungen der zu messenden Größe unmittelbar zu folgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer der eingangs genannten Art zu schaffen, der ein kontinuierliches Ausgangssignal abgibt, das in der Lage ist, auch schnellen Änderungen der zu messen­ den Größe ohne Unterbrechung zu folgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merk­ male gelöst. Die Meßwertverarbeitung geschieht für dy­ namische Vorgänge nur auf dem analogen Übertra­ gungsweg. Der Prozessor greift nur korrigierend in den analogen Übertragungsweg ein. Die Konfigurierung des Meßumformers und die Kommunikation mit exter­ nen Hilfsgeräten oder Rechnern erfolgt über den digita­ len Übertragungsweg, ohne die Meßwertübertragung zu unterbrechen. Die Erfindung erlaubt die Verwen­ dung niedriger Taktfrequenzen für den Prozessor und den Analog/Digital-Wandler und damit einen stromspa­ renden Betrieb.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand von in den nachfolgenden Zeich­ nungen, dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild eines ersten Differenz­ druck-Meßumformers gemäß der Erfindung und

Fig. 2 das Blockschaltbild eines weiteren Differenz­ druck-Meßumformers gemäß der Erfindung.

Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines ersten Diffe­ renzdruck-Meßumformers gemäß der Erfindung. Ein Sensor 1 erfaßt den zu messenden Differenzdruck dp, den auf den Sensor 1 einwirkenden statischen Druck p sowie die Temperatur T des Sensors 1 und setzt diese Größen in entsprechende elektrische Analogsignale um. Diese Ausgangssignale des Sensors 1 sind über Leitun­ gen 2, 3 und 4 den Eingängen von drei Analog/Digital- Wandlern 5.1, 5.2 und 5.3 zugeführt. Das dem Differenz­ druck dp entsprechende Ausgangssignal des Sensors 1 ist zusätzlich dem ersten Eingang einer Verknüpfungs- Schaltung 6 zugeführt. Die Ausgänge der Analog/Digi­ tal-Wandler 5.1, 5.2 und 5.3 sind mit einer Prozessor- Schaltung 7 verbunden. Die Prozessor-Schaltung 7 be­ rechnet aus den digitalisierten Ausgangsignalen des Sensors 1 zwei digitale Korrektursignale für das dem Differenzdruck dp entsprechende Analogsignal. Ein er­ ster Digital/Analog-Wandler 8 wandelt das erste digita­ le Korrektursignal in ein erstes analoges Korrektursi­ gnal um. Das erste analoge Korrektursignal ist über eine Leitung 9 dem zweiten Eingang der Verknüpfungs- Schaltung 6 zugeführt. Ein zweiter Digital/Analog- Wandler 10 wandelt das zweite digitale Korrektursignal in ein zweites analoges Korrektursignal um. Das zweite analoge Korrektursignal ist über eine Leitung 11 dem dritten Eingang der Verknüpfungs-Schaltung 6 zuge­ führt. Die Verknüpfungs-Schaltung 6 verknüpft das dem Differenzdruck dp entsprechende Analogsignal mit dem ersten analogen Korrektursignal, das der Verknüp­ fungs-Schaltung 6 über die Leitung 9 zugeführt ist, durch eine vorzeichenbewertende Summenbildung. Zu­ sätzlich erfolgt in der Verknüpfungs-Schaltung 6 eine multiplikative Verknüpfung des dem Differenzdruck dp entsprechenden Analogsignals mit dem zweiten analo­ gen Korrektursignal, das der Verknüpfungs-Schaltung 6 über die Leitung 11 zugeführt ist. Bei geringeren Anfor­ derungen an die Qualität der Korrektur ist es auch mög­ lich, auf das erste oder auf das zweite analoge Korrek­ tursignal zu verzichten, so daß die Korrektur des dem Differenzdruck dp entsprechenden Analogsignals ent­ weder nur durch vorzeichenbewertende Summenbil­ dung oder nur durch multiplikative Verknüpfung er­ folgt. Der Ausgang der Verknüpfungs-Schaltung 6 ist mit dem Eingang einer Verstärker-Schaltung 12 verbun­ den, die das Ausgangssignal der Verknüpfungs-Schal­ tung 6 in einen eingeprägten Strom umwandelt. Der Verstärker-Schaltung 12 ist eine Meßumformer- Schnittstelle 13 nachgeschaltet. Die Meßumformer- Schnittstelle 13 verknüpft den analogen Übertragungs­ weg des Meßumformers, der aus der Verknüpfungs- Schaltung 6 und der Verstärker-Schaltung 12 besteht, mit dem digitalen Übertragungsweg des Meßumfor­ mers, der aus der Prozessor-Schaltung 7 besteht. Die Meßumformer-Schnittstelle 13 ist in üblicher Weise über eine Zwei-Draht-Leitung 14 mit einer in der Zeich­ nung nicht dargestellten Warte verbunden, in der die zu messende Größe angezeigt wird. Die Kommunikation mit der Prozessor-Schaltung 7 erfolgt über eine hier ebenfalls nicht dargestellte Kommunikations-Schnitt­ stelle, die mit der Zwei-Draht-Leitung 14 verbunden ist. Der analoge Übertragungsweg für das dem Differenz­ druck dp entsprechende Ausgangssignal des Sensors 1 besteht aus der Verknüpfungsschaltung 6, der Verstär­ ker-Schaltung 12 und der Meßumformer-Schnittstelle 13. Der über die Zwei-Draht-Leitung 14 fließende Aus­ gangsstrom folgt den Änderungen des Differenzdrucks dp sofort.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines zweiten Dif­ ferenzdruck-Meßumformers gemäß der Erfindung. So­ weit dieser Differenzdruck-Meßumformer mit dem in der Fig. 1 dargestellten Differenzdruck-Meßumformer übereinstimmt, sind für die entsprechenden Teile diesel­ ben Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwendet worden. Ergänzend zu dem in der Fig. 1 dargestellten Meßum­ former ist zwischen die Verknüpfungs-Schaltung 6 und die Verstärker-Schaltung 12 ein Rechenglied 15 mit ra­ dizierendem Übertragungsverhalten geschaltet. Das Rechenglied 15 formt das ihm zugeführte analoge Ein­ gangssignal in ein impulsbreitenmoduliertes Zwischen­ signal um, dessen Pulsbreitenverhältnis ein Maß für die Quadratwurzel des Eingangssignals ist. Eine in dem Re­ chenglied 15 enthaltene Integrierschaltung, im einfach­ sten Fall ein RC-Glied, bildet den arithmetischen Mittel­ wert des impulsbreitenmodulierten Zwischensignals. Das Ausgangssignal der in dem Rechenglied 15 enthal­ tenen Integrierschaltung ist der Verstärker-Schaltung 12 als analoges Eingangssignal zugeführt. Durch Aus­ zählung des Pulsbreitenverhältnisses des impulsbreiten­ modulierten Zwischensignals mit Impulsen, deren Fre­ quenz höher als die des Zwischensignals ist, erfolgt eine Digitalisierung des radizierten Analogsignals. Das digi­ talisierte Ausgangssignal des Rechengliedes 15 ist ein Maß für den auf den Sensor 1 wirkenden Differenz­ druck dp. Es ist über die Datenleitung 16 der Prozessor- Schaltung 7 zugeführt. Der Analog/Digital-Wandler 5.3, der in dem in der Fig. 1 dargestellten Differenzdruck- Meßumformer das dem Differenzdruck dp entsprechen­ de Analogsignal digitalisiert, entfällt daher in dem in der Fig. 2 dargestellten Differenzdruck-Meßumformer. Auch für dieses Ausführungsbeispiel gilt, daß der über die Zwei-Draht-Leitung 14 fließende Ausgangsstrom den Änderungen des Differenzdrucks dp sofort folgt.

Abweichend von dem in der Fig. 2 dargestellten Aus­ führungsbeispiel kann das Rechenglied 15 bei Bedarf anstelle des radizierenden Übertragungsverhaltens ein lineares Übertragungsverhalten aufweisen. In diesem Fall formt das Rechenglied 15 das ihm zugeführte analo­ ge Eingangssignal in ein impulsbreitenmoduliertes Zwi­ schensignal um, dessen Pulsbreitenverhältnis proportio­ nal zu dem Eingangssignal ist. Die Weiterverarbeitung des impulsbreitenmodulierten Zwischensignals durch Bildung des arithmetischen Mittelwertes einerseits und durch Auszählung des Pulsbreitenverhältnisses ande­ rerseits erfolgt in der gleichen Weise wie oben beschrie­ ben.

Claims (1)

1. Elektrischer Meßumformer nach dem Zwei-Draht- Verfahren, mit einem Sensor für die zu messende Größe und mit einer diesem nachgeschalteten Elektronik-Schaltung, die das Ausganssignal des Sensors in einen eingeprägten Ausgangsstrom um­ formt, dessen Höhe ein Maß für die zu messende Größe ist, und mit einer Prozessor-Schaltung, die das Ausgangssignal des Sensors nach vorgegebe­ nen Kriterien korrigiert und die zusätzlich mit einer externen Kommunikations-Einheit digitale Daten austauscht, wobei die Datenübertragung zwischen der Prozessor-Schaltung und der Kommunikation- Einheit über ein Hochfrequenzsignal erfolgt, das dem eingeprägten Ausgangsstrom überlagert ist, dadurch gekennzeichnet,

   • - daß der Meßumformer einen analogen Übertragungsweg und einen zu diesem parallel angeordneten mit dem Sensorausgangssignal gespeisten digita­ len Übertragungsweg aufweist, in den die Prozessorschaltung (7) eingefügt ist,
   • - daß der analoge Übertragungsweg als Hauptübertragungsweg für den Sensorausgangssignal dient, wobei die Durchschaltung und Umwandlung des Aus­ gangssignals des Sensors (1) in den eingeprägten Ausgangsstrom in dem analogen Übertra­ gungsweg erfolgt, und
   • - daß die von der Prozessor-Schaltung (7) be­ rechneten Korrekturwerte nach einer Umfor­ mung in Analogsignale mit dem analogen Aus­ gangssignal des Sensors (1) verknüpft werden.