DE4312841A1 - Vorrichtung zur Meßübertragung zwischen Sensoren und einer Überwachungseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Meßwertüber­ tragung zwischen Sensoren und einer Überwachungseinheit mit einem Bussystem.

Für Sensoren, die sich in großer Entfernung zu einem Überwachungssystem befinden, sind mit einem Bussystem verbindbar. An dieses Bussystem können die Sensoren ange­ schlossen werden. Jeder Sensor verursacht einen Strom, der im Sendestrom einen Gleichstromanteil enthält. Wegen der großen Entfernung der Sensoren reicht der Gleich­ stromanteil nicht mehr aus, um die Elektronik zu versor­ gen, so daß die durch die Überwachungseinheit zu über­ wachende Geräte und Einheiten in ihrer Funktion gefährdet sind und deshalb eine eigene Stromversorgung benötigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Meßwertübertragung zwischen Sensoren und einer Über­ wachungseinheit zu schaffen, die eine sichere und einfache Übertragung der von den Sensoren aufgenommenen Meßwerte ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst,

• -daß ein erster Operationsverstärker
  • - mit seinem ersten Anschluß an einem Tiefpaßfilter zu dem eine Signalleitung führt, und an einer Ruhestromleitung,
  • - mit einem Ausgang am ersten Anschluß eines ersten Optokopplers und
  • - mit seinem zweiten Anschluß am ersten Anschluß eines zweiten Optokopplers anliegt,
  • - wobei der erste und der zweite Optokoppler über ihre zweiten Anschlüsse miteinander verbunden sind, während der dritte Anschluß des zweiten Optokopplers an Masse und der vierte an Potential geführt und
• - daß ein Netzteil
  • - mit seinem einen Eingang am dritten Anschluß des ersten Optokopplers dessen vierter Anschluß am ersten Anschluß eines dritten Optokopplers angeordnet ist, und
  • - mit seinem anderen Eingang am ersten Anschluß eines vierten Optokopplers anliegt, der mit seinem zweiten Anschluß mit einem zweiten Anschluß des dritten Optokopplers verbunden ist,
  • - wobei deren dritte Anschlüsse an Masse und deren vierte Anschlüsse sowohl an Potential als auch eine SYNC-Leitung zugeführt sind,
• - so daß mit einer Mikroprozessoreinheit über die Leitungen
  • - mit den von dem als spannungsgesteuerten Strom­ quelle arbeitenden ersten Operationsverstärker ausgehenden Strömen an den Ausgängen des Netzteiles durch eine angelegte Spannung ein Modulationsstrom auslösbar ist, daß von dem an die Mikroprozessor­ eiheit angeschlossenen Sensor abgegebenen Meßwerte auf das Bussystem potentialfrei übertragbar sind.

Besonders bedeutsam ist, daß das Bussystem ein 2-Draht- Bussystem ist, über das die Sensoren im Zeitmultiplex­ verfahren ihre Meßwerte zur Überwachungseinheit über­ tragen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung befinden sich vier Optokoppler in einem integrierten Schaltkreis.

Vorteilhaft ist es,

• - wenn zwischen dem Ausgang des ersten Operationsver­ stärkers und dem ersten Anschluß des ersten Optokopplers ein erster Widerstand,
• - am zweiten Anschluß des ersten Operationsverstärkers ein zweiter Widerstand,
• - zwischen dem Ausgang und dem zweiten Anschluß des ersten Operationsverstärkers ein erster Kondensator,
• - in der Ruhestromleitung vor dem ersten Anschluß des ersten Operationsverstärkers ein dritter Widerstand,
• - zwischen dem Tiefpaßfilter und dem ersten Anschluß des Operationsverstärkers ein vierter Widerstand und
• - an den vierten Anschlüssen des dritten und des vierten Optokopplers vor der Null-Potential bildenden Masse ein zweiter Kondensator und vor dem Potential ein fünfter Widerstand angeordnet ist.

Vorteilhaft ist es, wenn das Tiefpaßfilter aus einem zweiten Operationsverstärker, einem sechsten und einem siebenten Widerstand und einem dritten und vierten Kondensator besteht, wobei

• - der sechste und der siebente Widerstand in der PWM-Leitung am ersten Anschluß,
• - der dritte Kondensator zwischen den beiden Wider­ ständen und dem zweiten Anschluß und
• - der vierte Kondensator am ersten Anschluß des zweiten Operationsverstärkers liegt,

wobei der zweite Anschluß zum Ausgang des zweiten Operationsverstärkers führt, der mit dem vor dem ersten Anschluß des ersten Operationsverstärkers liegenden vierten Widerstand verbunden ist.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß es bekannt ist, eine gemessene Spannung potentialfrei, elek­ trischisoliert auf ein Empfängerteil zu übertragen (Tietze, U., Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, Siebente, überarbeitete Auflage, Springer-Verl., 1985, S. 781-783). Dabei wird mit Optokopplern eine Gleich­ spannung direkt übertragen. Um den Linearitätsfehler der Optokoppler auszugleichen, wird mit Hilfe von Operations­ verstärkern der Strom durch Leuchtdioden so geregelt, daß ein Photostrom gleich einem Sollwert ist. Eine Gegenkopplungsschleife wird dann über einen Referenz­ koppler geschlossen. Da der Photostrom sein Vorzeichen nicht ändern kann, wird ein konstanter Anteil über­ lagert, um bipolare Eingangssignale verarbeiten zu können.

Herausgestellt werden hier nur ganz allgemein die Vorteile einer optischen Kopplung gegenüber einer induktiven, z. B. durch einen Transformator, so daß die so beschriebene potentialfreie Kopplung nicht einfach für eine Übertragung von Meßwerten zwischen Sensoren und einer Überwachungseinheit mit einem Bussystem übernehm­ bar ist, soll es nicht weiterhin zu einer Gefährdung der durch die Überwachungseinheit zu überwachenden Geräte und Einheiten in der Funktion kommen.

Die sich mit der Erfindung ergebenden Vorteile werden im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist, beschrieben.

Für Sensoren S1, . . . Sn, die sich in großer Entfernung, z. B. etwa 200 km, zu einem Übertragungssystem ÜE befinden, wird vorteilhafterweise ein 2-Draht-Bussystem BUS eingesetzt.

Wie eine in der Zeichnung dargestellte Schnittstellen- Anordnung zeigt, ist das 2-Draht-Bussystem sowohl über ein PTC-Widerstand R44 als auch direkt mit den Punkten einer Gleichrichter-Brücken-Schaltung V76 verbunden. Parallel zu den anderen beiden Brückenzweigen ist eine Zenerdiode V77 und die Reihenschaltung eines Widerstan­ des R43 und einer Zenerdiode V75, zu der parallel ein Kondensator C61 liegt, angeordnet. Davor sind drei Transistoren V94, V95 und V96 angeschlossen, deren Kol­ lektoren mit dem Widerstand R43 verbunden sind. Zwischen Emitter und der Basis des Transistors V96 ist ein Gleichrichter V78 angeordnet. Außerdem ist der Emitter des Transistors V96 mit der Basis des Transistors V95 und der Emitter des Transistors V95 mit der Basis des Transistors V94 verbunden. Der Emitter des Transistors V94 liegt am Eingang des Optokopplers U117. Dieser Optokoppler ist mit seinem Anschluß 1 über einen Wider­ stand R41 mit einem Ausgang 7 eines Operationsver­ stärkers N116 verbunden. Am Anschluß 5 ist über einen Widerstand R39 über einen Ausgang 1 ein weiterer Operationsverstärker N116 angeordnet. Am Anschluß 3 ist in einer PWM-Leitung PWM ein Widerstand R36 und ein Widerstand R37 geschaltet. Zwischen beiden Widerständen R36 und R37 ist ein Kondensator C69 auf einen Anschluß 2 des Operationsverstärkers N116B geführt. Dieser Anschluß 2 ist ebenfalls mit dem Ausgang 1 des Operationsver­ stärkers verbunden. Darüber hinaus ist zwischen dem Widerstand R39 und dem Anschluß 5 des Operationsver­ stärkers N116 ein Widerstand R38 in eine Ruhestrom­ leitung R-EIN geschaltet. Der Anschluß 6 des Operations­ verstärkers N116A führt zu einem Anschluß 13 des Opto­ kopplers U117A, dessen Anschluß 14 an einem Potential +VCC liegt. Dessen Anschluß 3 ist mit dem Anschluß 2 des Optokopplers U117 verbunden, während der Anschluß 4 an die ein Null-Potential bildende Masse geführt ist. Zum Anschluß 15 des Optokopplers U117 führt eine Verbindung zum Anschluß 5 des Optokopplers U117B, dessen Anschluß 6 zum Anschluß 7 eines Optokopplers U117C führt. Der Anschluß 8 des Optokopplers U117 führt an die Zenerdiode V75, den Kondensator V64, die Zenerdiode V77 und die Gleichrichter-Brückenschaltung V76. Während die Ausgänge 11 und 9 der Optokoppler U117B und U177C an die Null-Po­ tential führende Masse gelegt sind, sind die Anschlüsse 10 und 12 sowohl über einen Kondensator C62 an Masse als auch über einen Widerstand R42 an Potential und eine SYNC-Leitung SYNC geführt. Die Ruhestromleitung R-EIN, die PWM-Leitung PWM und die SYNC-Leitung SYNC sind mit einer Mikroprozessoreinheit MP verbunden. An diese Mikro­ prozessoreinheit ist der Sensor S1 angeschlossen.

Für Sensoren S1, . . . Sn, die sich in einer großen Entfer­ nung zu der Überwachungseinheit ÜE befinden, bietet sich vorteilhafterweise das 2-Draht-Bussystem BUS an. An das 2-Draht-Bussystem BUS können damit bis 127 Sensoren S1, . . . Sn parallel angeschlossen werden, die in einem Zeitmultiplexverfahren ihre Meßergebnisse übertragen. Die Meßwertübertragung erfolgt dabei mit Hilfe eines Wechselstroms, dessen Frequenz die Meßgröße darstellt. Der Wechselstrom wird dem 2-Draht-Bussystem entnommen. Die Übertragung der Frequenzen erfolgt im Zeit­ multiplexverfahren. Dazu wird jedem der Sensoren S1, . . . SN eine andere Adresse zugeordnet, die den Zeit­ punkt der Übertragung (Zeitfenster) definiert. Die Länge eines Zeitfensters wird mit einer bestimmten Zeitdauer, z. B. zwei Sekunden, bestimmt. Danach beträgt der Beginn des Zeitfensters Adresse x Zeitdauer. Die Synchronisa­ tion aller Sensoren S1, . . . Sn wird durch ein Anlegen einer Spannung UATX ausgelöst.

Jeder der Sensoren ist S1, . . . Sn verursacht einen Strom in dem 2-Draht-Bussystem BUS. Dabei wird unterschieden:

• a) Zählstrom,
  das ist der Strom, der von jedem Sensor S1, . . . Sn verursacht wird, wenn er nicht sendet. Er addiert sich entsprechend der Anzahl der Sensoren S1, . . . Sn und verursacht einen Spannungsabfall auf dem 2-Draht-Bussystem BUS und begrenzt u. a. die Reichweite. Er sollte möglichst klein sein, z. B. zwischen 50 und 200 µA je Schnittstellenheit.
• b) Sendestrom,
  er tritt nur während des oben beschriebenen Zeitfensters auf und setzt sich zusammen aus einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil. Der Gleichstromanteil kann zur Stromversorgung des Sensors S1, . . . Sn genutzt werden. Der Wechselstroman­ teil hingegen stellt die Meßgröße dar. Der Sendestrom wird dem 2-Draht-Bussystem entnommen und tritt immer im Zeitfenster nur einmal auf.

Bei Sensoren S1, . . . Sn, bei denen der Gleichstromanteil des Sendestroms nicht zur Versorgung der Elektronik ausreicht, muß eine zusätzliche Spannungsversorgung vorgesehen werden. Hierzu bildet der Operationsverstär­ ker N116A eine spannungsgesteuerte Stromquelle, dessen Ausgangsstrom durch die Dioden der Optokoppler U117 und U117A geleitet wird. Die Spannung am Anschluß 6 des Optokopplers U117B folgt der Spannung am Anschluß 5. Der Strom durch den Widerstand R40 beträgt damit
Der Strom durch den Widerstand R41 ist nicht linear, weil der Optokoppler U117A einen nichtlinearen Stromwand­ ler darstellt. Der nichtlineare Strom durch R41 wird durch den Optokoppler U117 übertragen und erscheint linear am Ausgang, wenn er die gleiche Nichtlinearität besitzt wie U117A. Dies ist hinreichend gegeben, weil sich alle vier Optokoppler U117, U117A, U117B und U117C in einem integrierten Schaltkreis befinden und außerdem die Spannung am Kollektor von U117 mit Hilfe des durch V75, V76, V77, V78, V94, V95, R43, R44, C64 so groß gewählt ist, wie die Spannung am Kollektor des Optokopp­ lers U117A. Mit Hilfe dieses so beschriebenen Schaltungs­ teils der Schnittstellenanordnung können also Ströme übertragen werden. Dieses Teil stellt somit eine spannungsgesteuerte, potentialfreie Stromsenke dar.

Das Tiefpaßfilter, das durch den Operationsverstärker N116B, die Widerstände R36 und R37 sowie die Kondensa­ toren C59 und C60 gebildet wird, wandelt eine Pulsweiten modulierte Spannung in eine sinusförmige Spannung zwischen 0 und 1000 bzw. 200 und 2000 Hz um, die über den Widerstand R39 an die durch den Operations­ verstärker N116A gebildete Stromquelle geleitet wird. Mit Hilfe der Widerstände R38 und R39 wird eine Gleichspannung am Anschluß 5 des Optokopplers N116A erzeugt, deren Größe den Zählstrom definiert. Die PWM-Leitung PWM hat dann das Potential +VCC und die Ruhe­ stromleitung R-EIN das Potential GND.

Mit den Optokopplern U117B und U117C wird erkannt, ob der Zählstrom fließt, also UATX aufgeschaltet ist. Deren Dioden sind in Reihe geschaltet, während deren Kollek­ toren parallel geschaltet sind. Daraus ergibt sich eine größere Empfindlichkeit. Da alle Optokoppler U117, U117A, U117B und U117C zu einem integrierten Schaltkreis gehören, ergibt sich eine gut Fehlerkompensation auch bezüglich von Temperaturfehlern.

Der Brückengleichrichter V76, die Zenerdiode V77, der Kondensator C64, die Zenerdiode V75 und die Diode V78, der Widerstand R43 und die Transistoren V94, V95 und V96 bilden ein Netzteil. Der PTC-Widerstand R44 dient dabei als Kurzschlußschutz, der Brückengleichrichter V76 als Verpolungsschutz, die Zenerdiode V77 im Zusammenwirken mit R44 und dem Brückengleichrichter V76 als Über­ spannungsschutz. Die Spannungsreferenz wird aus der Zenerdiode V75, dem Widerstand R43 und dem Kondensator C64 gebildet. Die Transistoren V94 bis V96 sind als Emitterfolger geschaltet.

Die Mikroprozessoreinheit MP kann deshalb potentialfrei Meßergebnisse von den Sensoren S1, . . . Sn auf das 2-Draht-Bussystem übertragen. Das ist nur deshalb mög­ lich, weil die Schnittstellenanordnung eine Potential­ trennung mit folgenden Eigenschaften vornimmt:

• 1. Erkennung der Aufschaltung der Sychronisations­ spannung UATX bei möglichst kleinem Zählstrom, und
• 2. Übertragung des Wechselstromanteils des Sendestroms mit konstanter Amplitude und geringem Klirrfaktor.
• 3. Im Gegensatz zu einer Transformatorkopplung ist nicht nur eine Übertragung der Wechselströme vom Sensor zur Überwachungseinheit, sondern in Gegenrichtung eine Übertragung der Synchronisationsgleichspannung möglich.

Durch die Optokoppler ergeben sich darüberhinaus folgende Vorteile:

• - genaueste Übertragungsmöglichkeit kleinster Ströme (ca. 50 mA), da starke Unlinearitäten der Optokoppler, z. B. aufgrund von Temperaturfehler der Optokoppler- Halbleiter im Gesamtsystem, über den Optokoppler U117A kompensiert werden und
• - bidirektionale galvanische Trennung vom Zwei-Draht- Bussystem.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Meßwertübertragung zwischen Sen­ soren und einer Überwachungseinheit mit einem Bussystem (BUS), dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein erster Operationsverstärker (N116A)
  • - mit seinem ersten Anschluß (5) an einem Tiefpaßfilter (N166B; R36; R37; C59; C60), zu dem eine Signalleitung (PWM) führt, und an einer Ruhestromleitung (R-EIN),
  • - mit einem Ausgang (7) am ersten Anschluß (1) eines ersten Optokopplers (U117) und
  • - mit seinem zweiten Anschluß (6) am ersten Anschluß (13) eines zweiten Optokopplers (U117A) anliegt,
  • - wobei der erste und der zweite Optokoppler (U117; U117A) über ihre zweiten Anschlüsse (2; 3) mitein­ ander verbunden sind, während der dritte Anschluß (4) des zweiten Optokopplers (U117A) an Masse (GND) und der vierte an Potential (+ VCC) geführt und
• - daß ein Netzteil (V75; V76; V77; V78; V94; V95; V96; R43; R44; C64)
  • - mit seinem einen Eingang am dritten Anschluß (16) des ersten Optokopplers (U117), dessen vierter An­ schluß (15) am ersten Anschluß (5) eines dritten Optokopplers (U117B) angeordnet ist, und
  • - mit seinem anderen Eingang am ersten Anschluß (8) eines vierten Optokopplers (U117C) anliegt, der mit seinem zweiten Anschluß (7) mit einem zweiten Anschluß (6) des dritten Optokopplers (U117B) verbunden ist,
  • - wobei deren dritte Anschlüsse (11; 9) an Masse und deren vierte Anschlüsse (10; 12) sowohl an Potential (+ VCC) als auch eine SYNC-Leitung (SYNC) zugeführt sind,
• - so daß mit einer Mikroprozessoreinheit (MP) über die Leitungen (R-EIN; PWM; SYNC)
  • - mit den von dem als spannungsgesteuerten Strom­ quelle arbeitenden ersten Operationsverstärker (116 A) ausgehenden Strömen an den Ausgängen des Netzteiles (V75; V76; V77; V78; V93; V94; V95;, V96; R43; R44; C64) durch eine angelegte Spannung (UTAX) ein Modulationsstrom auslösbar ist, daß von dem an die Mikroprozessoreiheit (MP) angeschlos­ senen Sensor (S1) abgegebenen Meßwerte auf das Bussystem (BUS) potentialfrei übertragbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Bussystem (BUS) ein 2-Draht-Bussystem ist, über das die Sensoren (S1; . . . Sn) im Zeitmultiplex­ verfahren ihre Meßwerte zur Überwachungseinheit über­ tragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die vier Optokoppler (U117; U117A; U117B; U117C) in einem integrierten Schaltkreis befinden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (7) des ersten Operationsverstärkers (N116A) und dem ersten Anschluß (1) des ersten Optokopplers (U117A) ein erster Wider­ stand (R41) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am zweiten Anschluß (6) des ersten Operationsverstärkers (N116A) ein zweiter Widerstand (R40) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (7) und dem zweiten Anschluß (6) des ersten Operationsverstärkers (N116A) ein erster Kondensator (C61) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ruhestrom­ leitung (R-EIN) vor dem ersten Anschluß (5) des ersten Operationsverstärkers (N116A) ein dritter Widerstand (R38) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tiefpaßfilter (N117B; R36: R37; C59; C60) und dem ersten Anschluß (5) des ersten Operationsverstärkers (N116A) ein vierter Widerstand (R39) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß den vierten Anschlüssen (12; 10) des ersten und des vierten Opto­ kopplers (U117B; U117C) vor der Null-Potential (GND) darstellenden Masse ein zweiter Kondensator (C62) vor dem Potential (+VCC) ein fünfter Widerstand (R42) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter aus einem zweiten Operationsverstärker (N116B) einem sechsten und einem siebente Widerstand (R36; R37) und einem dritten und einem vierten Kondensator (C59; C60) besteht, wobei

• - der sechste und der siebente Widerstand (R36; R37) in der PWM-Leitung (PWM) am ersten Anschluß (3) liegen,
• - der dritte Kondensator (C59) zwischen diesen beiden Widerständen (R36; R37) und dem zweiten Anschluß (2) und
• - der vierte Kondensator (C60) am ersten Anschluß (3) des zweiten Operationsverstärkers (N116B) liegt,

wobei der zweite Anschluß (2) zum Ausgang (1) des zweiten Operationsverstärkers (N116B) führt, der mit dem vor dem ersten Anschluß (5) des ersten Operationsver­ stärkers (N116A) liegenden vierten Widerstand (R39) verbunden ist.