DE4209785A1 - Übertragungssystem für Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Übertragungssystem für Sig­ nale mit einem Sender, der zur Übertragung der Signale einen Strom konstanter Polarität mit Amplitudenwerten innerhalb eines Sollbereichs zwischen einem vorbestimm­ ten ersten Wert und einem vorbestimmten zweiten Wert einprägt, der über eine Übertragungsstrecke zu minde­ stens einem Empfänger fließt, der an einem Ausgang ein dem Strom entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, solan­ ge sich die Amplitudenwerte innerhalb des Sollbereichs bewegen, wobei der Sender zu einer Meldungsübertragung einen Strom mit Amplitudenwerten außerhalb des Sollbe­ reichs einprägt und der Empfänger das Signal am Ausgang für die Dauer der Meldungsübertragung konstant hält.

Derartige Übertragungssysteme werden überwiegend mit Strömen zwischen 4 mA und 20 mA (Live-Zero-Normsignal) betrieben. Mit diesem Strom kann eine analoge Größe kontinuierlich übertragen werden. Hierzu wird ein Zwei- Leiter-Meßumformer, der als Sender dient, mit einem Zwei-Leiter-Speisetrenner verbunden, der als Empfänger dient. Der Zwei-Leiter-Speisetrenner stellt eine poten­ tialfreie Versorgungsspannung für den Zwei-Leiter-Meß­ umformer zur Verfügung. Dieser prägt den Strom von 4 . . . 20 mA ein, dessen Größe proportional zum Meßwert ist. Die Größe des eingeprägten Stromes wird vom Zwei- Leiter-Speisetrenner gemessen und an einem Meßausgang als gegebenenfalls potentialfreies Meßsignal zur weite­ ren Verarbeitung bereitgestellt.

In einigen Anwendungsfällen kann es erforderlich sein, zusätzlich zu den Meßwerten weitere Meldungen zu über­ tragen, beispielsweise Fehlermeldungen, Informationen über das Überschreiten von Grenzwerten oder andere Sta­ tusinformationen. Hierzu ist es aus DE-A-39 08 558 be­ kannt, senderseitig eine Umpoleinrichtung anzuordnen, die die Polarität des Stromes umpolt und empfängersei­ tig einen Absolutwertbildner anzuordnen, dessen Aus­ gangsstrom betragsmäßig seinem Eingangsstrom ent­ spricht, jedoch unabhängig von der Polarität des Ein­ gangsstroms immer die gleiche Polarität aufweist. Die Umpoleinrichtung muß extern ausgelöst werden. Somit ist der Sender ohne weitere Maßnahmen nicht in der Lage, bei Auftreten einer Zustandsänderung oder eines Fehlers unmittelbar eine Meldung abzugeben.

Es ist weiterhin bekannt, daß der Sender bei Fehlern oder Überschreitung von Grenzwerten dauernd einen Strom einprägt, der größer ist als die obere Grenze des Soll­ bereichs. Dieser höhere Strom wird vom Empfänger er­ kannt und als Fehlersignal interpretiert. Der Empfänger erkennt allerdings nur, daß irgendein Fehler vorliegt. Der eigentliche Meßwert steht erst nach Beseitigung der Fehlerursache am Sender wieder zur Verfügung. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es von dem Status-Auswerter/ Speisetrenner 930X der Anmelderin her bekannt, daß das Ausgangssignal am Ausgang des Empfängers für die Dauer des Fehlersignals auf dem letzten Wert eingefroren, d. h. konstant gehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, bei dem die Übertragung von Meldungen selbsttätig vom Sender durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird einem Übertragungssystem der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sender die Meldung in Form eines Amplitudenwerts oder mehrerer verschiedener Amplitudenwerte sendet, von denen zumindest der zeitlich erste als Startsignal au­ ßerhalb des Sollbereichs liegt, die Meldung eine Infor­ mation über ihr Ende enthält und der Empfänger einen Meldungsausgang aufweist, an dem er die Meldung aus­ gibt.

Das Ausgangssignal des Senders, mit anderen Worten das Sendesignal, ist also immer ein eingeprägter Strom und zwar unabhängig davon, ob "Signale" oder "Meldungen" übertragen werden. Die Unterscheidung zwischen Signalen und Meldungen erfolgt über das Startsignal und die In­ formation über das Ende der Meldung. Mit dem Auftreten eines Startsignals wird dem Empfänger mitgeteilt, daß im folgenden keine Signale zur Auswertung anstehen, sondern eine Meldung. Damit der Empfänger weiß, wann die Meldung beendet ist, er also sein Ausgangssignal wieder entsprechend den Eingangssignalen ändern darf, ist in der Meldung mit der Information über das Ende der Meldung auch eine Information über ihre Länge ent­ halten, die der Empfänger auswerten kann. Diese Maßnah­ me hat den Vorteil, daß sich Meldungen und Signale im Prinzip nicht unterscheiden müssen, wenn man vom Start­ signal absieht. Man kann daher das neue System auch auf bereits vorhandenen Einrichtungen einsetzen, ohne be­ fürchten zu müssen, daß die bereits vorhandenen Elemen­ te der Beanspruchung durch die Signalübertragung nicht gewachsen sind. Insbesondere ist es für die Meldungs­ übertragung nicht notwendig, Modulationen des Normsi­ gnales durchzuführen, beispielsweise mit Hilfe einer Pulsdauer- oder Frequenzmodulation. Während der Dauer der Meldungsübertragung können zwar keine Signale über­ tragen werden. Dies ist im allgemeinen jedoch auch nicht erforderlich, da nach dem Auftreten eines Fehlers oder einer Statusänderung ohnehin erst einige Zeit ver­ streicht, bis ein stabiler Zustand erreicht ist, an dem die übertragenen Signale repräsentativ für die zu über­ tragenden Informationen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegen zumindest die Amplitudenwerte hinter dem Startsignal, die keine Information über das Ende der Meldung enthalten, inner­ halb des Sollbereichs. Somit werden alle Komponenten des Systems nur mit den Amplituden belastet, die ohne­ hin im normalen Betrieb auftreten. Die einzige Ausnahme bildet das Startsignal und gegebenenfalls diejenigen Signalanteile, die Auskunft über das Ende oder die Län­ ge der Meldung geben. Diese sind jedoch in Bezug zur Gesamtdauer der Signal- und Meldungsübertragung relativ kurz, so daß hier keine nennenswerten Belastungen er­ zeugt werden. Das System kann daher auch in Verbindung mit bereits bestehenden Systemen älterer Bauart verwen­ det werden, bei denen höhere Ströme zu Problemen führen würden.

Mit Vorteil ist der Amplitudenwert des Startsignals größer als die obere Grenze des Sollbereichs. Damit liegt das Startsignal einerseits zuverlässig außerhalb des Sollbereichs. Es steht jedoch andererseits eine ausreichende elektrische Versorgungsleistung, nämlich nach wie vor die 4 mA in Verbindung mit der Versor­ gungsspannung zum Betrieb des Senders zur Verfügung.

Bevorzugterweise wird die Information über das Ende der Meldung durch ein Endsignal übertragen, das am Ende der Meldung angeordnet ist. Man erspart sich dadurch das vorherige Ermitteln der Dauer der Meldung und eine Zeitmeßeinrichtung, die nach dem Ende der Meldung den Empfänger wieder zur Ausgabe eines Ausgabesignals um­ schaltet. Da alle Meldungsinformationen vor dem Endsignal übertragen worden ist, erkennt der Empfänger beim Auf­ treten des Endsignals, daß die Meldung abgeschlossen ist. Dies ergibt eine sehr hohe Fehlersicherheit.

Auch ist bevorzugt, daß das Endsignal einen vorbestimm­ ten Amplitudenwert insbesondere außerhalb und vorzugs­ weise oberhalb des Sollbereichs aufweist. Hierdurch wird die Erkennung des Endsignals besonders einfach. Das Endsignal kann den gleichen Amplitudenwert wie das Startsignal aufweisen. Zur besseren Unterscheidung ist jedoch bevorzugt, daß das Endsignal einen geringfügig kleineren Amplitudenwert als das Startsignal aufweist. Da das Endsignal außerhalb des Sollbereichs liegt, kön­ nen alle Stromwerte innerhalb des Sollbereichs zur Mel­ dungsübertragung genutzt werden.

Vorteilhafterweise wird die Meldung in Zeitscheiben übertragen, innerhalb derer die Amplitudenwerte im we­ sentlichen konstant sind. Zur Auswertung steht dann die gesamte Länge einer Zeitscheibe, also eine vorbestimmte Zeitdauer zur Verfügung, innerhalb derer sich das Signal auf der Übertragungsstrecke stabilisieren kann, so daß eine zuverlässige Erkennung durch den Empfänger möglich ist.

Vorteilhafterweise ist innerhalb einer Meldung eine Statusinformation durch genau einen Amplitudenwert in­ nerhalb des Sollbereichs definiert. Natürlich ist die­ ser Amplitudenwert in Abhängigkeit von der Auflösung oder der Meßgenauigkeit von Sender und Empfänger mit einem Fehlerbereich umgeben. In Abhängigkeit von der Auflösung lassen sich also innerhalb des Sollbereichs eine vorgegebene Anzahl von Meldungen übertragen.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist inner­ halb einer Meldung eine Statusinformation durch eine Kombination aufeinanderfolgender Amplitudenwerte defi­ niert. Hierdurch erhöht sich der Meldungs-"Vorrat". Allerdings wird die Auswertung etwas aufwendiger.

Die Erfindung betrifft auch ein Meßgerät, insbesondere ein pH-Meter, mit einem derartigen Signalübertragungs­ system, bei dem das Signal einem Meßwert entspricht. Bei einem derartigen Meßgerät ist das Soll-Verhalten im allgemeinen vorhersehbar, so daß hier ein Live-Zero- Normsignal hervorragend für die Übertragung der Meßwer­ te geeignet ist. Andererseits bedürfen gerade derartige Meßgeräte einer Möglichkeit der Meldungsabgabe, um zu verhindern, daß bei Fehlern, deren Auftreten nicht mit der nötigen Sicherheit vorhersehbar ist, falsche Meß­ werte zu einer Auswertung gelangen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Signalüber­ tragungssystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Empfängers des Signalübertragungssystems und

Fig. 3 Stromverläufe im Signalübertragungssystem.

Ein Signalübertragungssystem 1 weist einen Sender 2 auf, der über eine Übertragungsstrecke 3, die im vor­ liegenden Fall durch eine Leitung mit zwei Leitern ge­ bildet ist, mit einem Empfänger 4 verbunden ist.

Der Sender 2 weist eine steuerbare Stromquelle 5 auf, deren Ausgangsstrom I_S über einen Steuereingang 6 be­ einflußbar ist. Der Steuereingang 6 ist somit der ei­ gentliche Sender-Eingang. An ihn kann beispielsweise das Ausgangssignal eines Meßgeräts, z. B. eines pH-Me­ ters, angelegt werden. In Abhängigkeit vom Signal am Steuereingang 6 prägt der Sender 2 den Strom I_S auf der Leitung ein.

Der Empfänger 4 ist als Speisetrenner ausgebildet. Er weist einen Versorgungseingang 7 auf, an dem eine Ver­ sorgungsspannung U_H anliegt. Der Speisetrenner 7 stellt diese Versorgungsspannung U_H potentialfrei auf der Lei­ tung 3 zur Verfügung. Der Empfänger 4 weist auch einen Meßausgang 8 auf, an dem ein Meßstrom I_A entnommen wer­ den kann. Der Meßausgang 8 ist von der Leitung 3 und vom Versorgungseingang 7 ebenfalls potentialmäßig ent­ koppelt, was durch die Unterteilung des Empfängers 4 angedeutet sein soll. Ferner weist der Empfänger 4 ei­ nen Meldungsausgang 9 auf.

Der Aufbau des Empfängers 4, allerdings ohne die Pfade für die Versorgungsspannung, ist in Fig. 2 näher erläu­ tert. Die Leitung 3 ist mit einem Diskriminator 10 ver­ bunden, der den auf der Leitung 3 fließenden Strom I_S daraufhin untersucht, ob sich dessen Amplitude inner­ halb eines Sollbereichs befindet oder nicht. Der Soll­ bereich kann beispielsweise durch eine untere Grenze von 4 mA und durch eine obere Grenze von 20 mA defi­ niert sein. Es handelt sich dann um einen sogenannten Live-Zero-Strom, wie er in vielen Anwendungsbereichen verwendet wird.

Der Diskriminator 10 ist mit einem Eingang einer Schalteinrichtung 11 verbunden. Ein Ausgang der Schalt­ einrichtung 11 ist mit einer Speichereinrichtung 12 verbunden, die wiederum mit dem Meßausgang 8 verbunden ist. Der andere Ausgang der Schalteinrichtung 11 ist mit einer Auswerteeinrichtung 13 verbunden, die wieder­ um mit dem Meldungsausgang 9 verbunden ist. In der dar­ gestellten Schaltstellung der Schalteinrichtung 11 ge­ langt also der Strom I_S auf der Leitung 3 über den Dis­ kriminator 10, die Schalteinrichtung 11 und die Spei­ chereinrichtung 12 zum Meßausgang 8. Die Speicherein­ richtung 12 speichert die letzten Werte des Ausgangs­ signals I_A. Einrichtungen zur Potentialtrennung sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. In der anderen Stellung der Schalteinrichtung 11, die durch eine gestrichelte Doppel-Linie angedeutet ist, gelangt der Strom I_S auf der Leitung 3 über den Diskri­ minator 10 und die Schalteinrichtung 11 zur Auswerte­ einrichtung 13, die am Meldungsausgang 9 eine entspre­ chende Meldung erzeugt.

Im vorliegenden Übertragungssystem 1 sind der Sender 2 und der Empfänger 4 so aufeinander abgestimmt, daß der Sender zu Beginn einer Meldungsübertragung den Strom I_S auf einen Wert von 22 mA anhebt. Diese Stromamplitude, die außerhalb des Soll-Bereichs von 4 bis 20 mA liegt, wird vom Diskriminator 10 erkannt. Dieser schaltet dar­ aufhin die Schalteinrichtung 11 um, so daß die folgen­ den Stromwerte nicht mehr der Speichereinrichtung 12 zugeführt werden, sondern der Auswerteeinrichtung 13. Gleichzeitig mit dem Umschalten der Schalteinrichtung 11 gibt der Diskriminator ein Speichersignal an die Speichereinrichtung 12 ab, die daraufhin den Stromwert unmittelbar vor dem Auftreten des als "Startsignal" bezeichneten höheren Stromwerts an den Signalausgang 8 gibt und im folgenden konstant hält. Die Speicherein­ richtung 12 kann hierzu mit einem Prozessor versehen sein, der in Verbindung mit einem Analog/Digital- Wandler und einem Digital/Analog-Wandler das Meßsignal digital verarbeitet und analog ausgibt.

Eine Meldungsübertragung mit Hilfe des Signalübertra­ gungssystems 1 wird anhand von Fig. 3 näher erläutert. Hierbei ist in der oberen Hälfte der Meßstrom I_A am Meßausgang 8 und in der unteren Hälfte der Signalstrom I_S auf der Leitung 3 über der Zeit t aufgetragen. In einem Bereich I, d. h. zu einer Zeit vor dem Zeitpunkt t1 bewegt sich die Amplitude des Stromes I_S im Sollbe­ reich, d. h. zwischen 4 und 20 mA. Der Ausgangsstrom I_A am Meßausgang 8 stimmt mit dem Strom I_S auf der Leitung 3 überein, d. h. er nimmt die gleichen Werte an.

Zum Zeitpunkt t1 erhöht der Sender 2 die Amplitude des Stroms I_S kurzzeitig auf 22 mA, also auf einen Wert, der oberhalb der oberen Grenze des Sollbereichs liegt. Der Diskriminator 10 erkennt diesen erhöhten Strom und schaltet die Schalteinrichtung 11 um. Gleichzeitig wird der Strom I_A auf den Wert unmittelbar vor dem Auftreten des 22 mA-Stromes, dem Startsignal, eingefroren, also konstant gehalten.

Der Sender sendet nun in Zeitscheiben verschiedene Stromwerte im Bereich von 4 bis 20 mA aus, die in Fig. 3 durch I₁, I₂ und I₃ gekennzeichnet sind, d. h. er prägt Ströme dieser Amplitude oder Stärke für die Dauer der Zeitscheiben auf der Übertragungsstrecke 3 ein. Jeder Stromwert kann einer bestimmten Statusinformation ent­ sprechen, beispielsweise Meßwertüberschreitung, Meß­ zeitüberschreitung, Fehler, Temperaturüberschreitung, oder ähnliches. Diese Stromwerte können im Empfänger 4 gemessen werden, beispielsweise in der Auswerteeinrich­ tung 13, und über den Meldungsausgang 9 ausgegeben wer­ den, beispielsweise an eine digitale Schnittstelle oder an Relaiskontakte. Abhängig von der Meßgenauigkeit kön­ nen eine Vielzahl von diskreten Stromwerten gesendet und erkannt werden, so daß entsprechend viele unter­ schiedliche Meldungen übertragen werden können. Um den Meldungsvorrat zu erhöhen, ist es auch möglich, mehrere aufeinander folgende Stromwerte miteinander zu kombi­ nieren. Die Größe des Meldungsvorrates kann dann be­ trächtliche Ausmaße annehmen.

Nach dem Abschluß der Meldung sendet der Sender 2 als Endsignal kurzzeitig einen Stromwert von 21 mA, d. h. einen Stromwert, der ebenfalls oberhalb des Sollbe­ reichs liegt, aber geringfügig kleiner als das Startsi­ gnal ist. Mit dem Ende dieses Stromes ist die Meldung beendet. Der Diskriminator 10 erkennt dies und schaltet die Schalteinrichtung wieder in den in Fig. 2 darge­ stellten Zustand zurück. Am Meßausgang 8 erscheint nun wieder ein Strom I_A, der dem Strom I_S auf der Leitung 3 entspricht.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist das Startsignal, das die Meldung einleitet, und das Endsignal von 21 mA, das die Meldung beendet, kürzer als die anderen Stromwerte. Da Stromwerte außerhalb des Sollbereichs die Elemente des Signalübertragungssystems stärker belasten, insbe­ sondere thermisch, als die Werte innerhalb des Sollbe­ reichs, wird die Belastung durch die kurze Zeitdauer ihres Auftretens gering gehalten. Da die Meldung die Information über Beginn und Ende in sich trägt, also die Information über ihre Länge selbst enthält, ist es dem Empfänger 4 möglich, zu erkennen, wann eine Meldung und wann Informationen, d. h. Meßsignale, übertragen werden. Hierzu ist nur ein relativ geringer Aufwand erforderlich. Der Empfänger kann unmittelbar nach dem Ende der Meldung weiterarbeiten, ohne daß von außen Eingriffe notwendig werden.

Ein derartiges System kann beispielsweise in einem pH- Meter verwendet werden. Der Sender 2 prägt dann einen Strom I_S auf der Übertragungsstrecke 3 ein, der dem gemessenen pH-Wert zugeordnet ist.

Claims (9)

1. Übertragungssystem (1) für Signale mit einem Sender (2), der zur Übertragung der Signale einen Strom konstanter Polarität mit Amplitudenwerten innerhalb eines Sollbereichs zwischen einem vorbestimmten ersten Wert und einem vorbestimmten zweiten Wert einprägt, der über eine Übertragungsstrecke (3) zu mindestens einem Empfänger (4) fließt, der an einem Ausgang (8) ein dem Strom entsprechendes Ausgangs­ signal (I_A) erzeugt, solange sich die Amplituden­ werte innerhalb des Sollbereichs bewegen, wobei der Sender zu einer Meldungsübertragung einen Strom mit Amplitudenwerten außerhalb des Sollbereichs ein­ prägt und der Empfänger (4) das Signal (I_A) am Aus­ gang (8) für die Dauer der Meldungsübertragung kon­ stant hält, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (2) die Meldung in Form eines Amplitudenwerts oder mehrerer verschiedener Amplitudenwerte (I₁, I₂, I₃) sendet, von denen zumindest der zeitlich erste als Startsignal außerhalb des Sollbereichs liegt, die Meldung eine Information über ihr Ende enthält und der Empfänger (4) einen Meldungsausgang (9) auf­ weist, an dem er die Meldung ausgibt.

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest die Amplitudenwerte hinter dem Startsignal (I₁, I₂, I₃), die keine Information über das Ende der Meldung enthalten, innerhalb des Sollbereichs liegen.

3. Übertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenwert des Start­ signals größer als die obere Grenze des Sollbe­ reichs ist.

4. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über das Ende der Meldung durch ein Endsignal übertragen wird, das am Ende der Meldung angeordnet ist.

5. Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Endsignal einen vorbestimmten Amplitudenwert insbesondere außerhalb und vorzugs­ weise oberhalb des Sollbereichs aufweist.

6. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meldung in Zeit­ scheiben übertragen wird, innerhalb derer die Am­ plitudenwerte im wesentlichen konstant sind.

7. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Mel­ dung eine Statusinformation durch genau einen Am­ plitudenwert innerhalb des Sollbereichs definiert ist.

8. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Mel­ dung eine Statusinformation durch eine Kombination aufeinanderfolgender Amplitudenwerte definiert ist.

9. Meßgerät, insbesondere ein pH-Meter, mit einem Sig­ nalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (I_S) einem Meßwert entspricht.