DE4312841C2 - Vorrichtung zur Meßübertragung zwischen Sensoren und einer Überwachungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Meßwert­ übertragung zwischen Sensoren und einer Überwachungsein­ richtung mit einem ersten Operationsverstärker, dessen Ausgangsstrom durch die Dioden eines ersten und eines zweiten Optokopplers an Masse geleitet ist und dessen invertierender Eingang am Emitter des Transistors des zweiten Optokopplers, dessen Kollektor an Potential ge­ führt ist, an einem ersten an Masse liegenden Widerstand und an einem ersten Kondensator, der zu seinem Ausgang führt, angeordnet ist.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE 40 24 002 A1 bekannt.

Die 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 gefähr­ det sind und deshalb eine eigene Stromversorgung benötigen.

Aus der o.g. DE 40 24 002 A1 ist ein NF-Übertrager mit galvanischer Trennung bekannt. Ein Frequenzsignal mit einer Frequenz von 300-3000 kHz wird von einem Operationsverstärker verstärkt und steuert zwei in Reihe liegende Fotodioden an, die ein dem NF-Signal entspre­ chendes Signal abgeben, das von zwei Fototransistoren empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Am ersten Fototransistor steht das Ausgangssignal an. Das elektrische Signal des zweiten Transistors wird auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zurückgeführt und wirkt sich verstärkend auf die Kenn­ linie des NF-Übertragers aus.

Nachteilig ist, daß mit dem NF-Übertrager keine Über­ tragung der von weit entfernten Sensoren aufgenommenen Meßwerte zu einer Übertragungseinrichtung möglich ist. Zwar wird durch die Fotodioden und Transistoren das Signal entkoppelt. Sie werden aber für die Realisierung einer steuerbaren Stromsenke genutzt. Der Verstärker hat lediglich die Aufgabe, durch seine gegenkoppelnde Wir­ kung die Kennlinie des NF-Übertragers zu linearisieren.

Weiterhin ist aus der DE 37 20 996 C1 eine Schaltungs­ anordnung für einen potentialmäßig abgekoppelten Drehzahlregler bekannt. Auf den invertierten Eingang eines Operationsverstärkers wird ein Vergleichswert eines Drehzahl-Soll- und eines Drehzahl-Ist-Wertes gegeben. Im Ausgangskreis des Operationsverstärkers sind zwei in Reihe geschaltete Luminiszenzdioden angeordnet. Ein Optokoppler dient der Signalübertragung, der andere wirkt mit seinem Fototransistor, der einen Arbeitswider­ stand im Kollektorstrang hat, über einen Rückführweg, in den ein RC-Glied eingefügt ist, auf den invertierten Eingang des Verstärkers.

Auch diese Lösung eignet sich nicht für eine Übertragung von Meßwerten von weit entfernt angeordneten Sensoren zu einer Überwachungseinrichtung, auch wenn eine Potential­ trennung vorgenommen wird. Die gegenkoppelnde Wirkung des Verstärkers dient hier lediglich der Linearisierung des Signals. Dabei wird das rückgeführte Steuersignal für einen die Regelcharakteristik bestimmende Aufberei­ tung verwendet.

Die DE 40 16 400 A1 gibt eine Einrichtung zur Überwa­ chung von Sensorstellen mit einer drahtlosen Übertragung von Daten an, bei der die Überwachung zwischen Sendern und Empfängern durch Infrarot-Licht erfolgt. Die Einrichtung wird dabei als Sicherheitseinrichtung eingesetzt. Sie eignet sich zur Übertragung von Daten zwischen beweglichen Teilen, die sich im Abstand von wenigen Metern zueinander befinden.

Aus der DE 34 45 521 A1 ist ein Schnittstellenbaustein zur symmetrischen Übertragung von Datenstationen in einem Datennetzwerk mit separaten Stromversorgungen für die einzelnen Busstationen bekannt. Hier werden die Signale von einem Schnittstellenbaustein über ein Zwei­ draht-Bus-System Übertragen. Als Mittel zur Überbrückung der Busstation wird eine ODER-Schaltung, die von einem vom Differenzempfänger des Schnittstellenbausteins abgelei­ teten, über ein RC-Glied verzögerten Signal und von einem durch einen parallel zum Eingang des Differenz­ verstärkers geschalteten Optokoppler erzeugten Signal beaufschlagt ist. Diese Schnittstelle eignet sich nur für die Übertragung digitaler Signale.

Demnach stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung für eine potentialfreie Übertragung so weiterzuentwickeln, daß eine einfache und genaue Übertragung der Meßwerte von weit entfernt angeordneten Sensoren zu einer Über­ wachungseinheit möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst,
daß der nichtinvertierende Eingang des ersten Verstär­ kers über einen zweiten Widerstand und ein Tiefpaßfilter eine Signalleitung und über einen dritten Widerstand an eine Steuerleitung geführt ist,
daß der Emitter des Transistors des ersten Optokopplers mit den in Reihe geschalteten Dioden eines zweiten und eines dritten Optokopplers verbunden ist, deren Emitter an Masse und deren Kollektoren auf eine SYNC-Leitung geführt sind,
daß ein Bussystem über ein Netzteil am Kollektor des Transistors des ersten Optokopplers und am Ausgang der Diode des vierten Optokopplers liegt und mit einer Synchronisationsspannung beaufschlagt ist,
daß an einer Mikrorechnereinheit ein Sensor, die SYNC-Leitung, die Signalleitung und die Steuerleitung an­ geordnet sind und mit der Mikrorechnereinheit

• a) der Sensor abgefragt wird und ein Meßwert mit einer pulsweiten-modulierten Spannung im Zeitfenster entsprechend seiner zugeordneten Adresse auf die Signalleitung gelegt wird und
• b) anhand eines mit Hilfe des zweiten und des drit­ ten Widerstandes erzeugten Zählstroms über die SYNC-Leitung das Anliegen der Synchronisations­ spannung erkannt wird, so daß dem Bussystem ein Sendestrom entnehmbar und als der die Meßgröße darstellende Wechselstromanteil des Meßwertes zur Überwachungseinrichtung übertragbar ist.

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 Operationsverstärkers und dem ersten Eingang der ersten Diode des ersten Optokopplers ein erster Widerstand angeordnet ist.

An der SYNC-Leitung kann ein an Masse liegender zweiter Kondensator und ein an Potential liegender fünfter Widerstand angeordnet sein.

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 nichtinvertierenden Eingang liegen,
• - der dritte Kondensator zwischen diesen beiden Wider­ ständen und dem invertierenden Eingang und
• - der vierte Kondensator am nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers liegt,

wobei der invertierende Eingang zum Ausgang des zweiten Operationsverstärkers führt, der mit dem vor dem invertierenden Eingang 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 C64 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 stärker N116A verbunden. Am Anschluß 5 ist über einen Widerstand R39 über einen Ausgang 1 ein weiterer Operationsverstärker N116B 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 × 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. Dieser Strom 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.

Der Strom durch den Widerstand R41 ist nicht linear, weil der Optokoppler U117A einen nichtlinearen Stromwandler 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 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 C 60 gebildet wird, wandelt eine pulsweitenmodulierte 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 Operationsverstärkers 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 gute 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 Synchronisations­ 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 darüber hinaus 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 (7)

1. Vorrichtung zur Meßwertübertragung zwischen Sensoren und einer Überwachungseinrichtung mit einem ersten Operationsverstärker (N116A), dessen Ausgangsstrom durch die Dioden eines ersten und eines zweiten Opto­ kopplers (U117, U117A) an Masse (GND) geleitet ist und dessen invertierender Eingang (6′′) am Emitter des Transistors des zweiten Optokopplers (U117A), dessen Kollektor an Potential (+VCC) geführt ist, an einem ersten an Masse (GND) liegenden Widerstand (R40) und an einem ersten Kondensator (C61), der zu seinem Ausgang (7′′) führt, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtinvertierende Eingang (5′′) des ersten Verstärkers (N116A) über einen zweiten Widerstand (R39) und ein Tiefpaßfilter (N116B, R36, R37, C59, C60) an eine Signalleitung (PWM) und über einen dritten Widerstand (R38) an eine Steuerleitung (R-EIN) geführt ist,
daß der Emitter des Transistors des ersten Opto­ kopplers (U117) mit den in Reihe geschalteten Dioden eines zweiten und eines dritten Optokopplers (U117B, U117C) verbunden ist, deren Emitter an Masse (GND) und deren Kollektoren auf eine SYNC-Leitung (SYNC) geführt sind,
daß ein Bussystem (BUS) Über ein Netzteil (V75, V76, V77, V78, V94, V95, V96, R43, R44, C64) am Kollektor des Transistors des ersten Optokopplers (U117) und am Ausgang der Diode des vierten Optokopplers (U117C) liegt und mit einer Synchronisationsspannung (UATX) beaufschlagt ist,
daß an einer Mikrorechnereinheit (MP) ein Sensor (S) die SYNC-Leitung (SYNC), die Signalleitung (PWM) und die Steuerleitung (R-EIN) angeordnet sind und mit der Mikrorechnereinheit (MP)

• a) der Sensor (S) abgefragt wird und ein Meßwert mit einer pulsweiten-modulierten Spannung im Zeitfenster entsprechend seiner zugeordneten Adresse auf die Signalleitung (PWM) gelegt wird und
• b) anhand eines mit Hilfe des zweiten und des drit­ ten Widerstandes (R39, R38) erzeugten Zählstroms über die SYNC-Leitung (SYNC) das Anliegen der Synchronisationsspannung (UACX) erkannt wird, so daß dem Bussystem (BUS) ein Sendestrom entnehmbar und als der die Meßgröße darstellende Wechsel­ stromanteil des Meßwertes zur Überwachungsein­ richtung (ÜE) übertragbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Eingang (1′) der Diode des ersten Optokopplers (U117) ein vierter Widerstand (R41) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der SYNC-Lei­ tung (SYNC) ein an Masse (GND) liegender zweiter Kondensator (C62) und ein an Potential (+VCC) liegen­ der fünfter Widerstand (R42) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter aus einem zweiten Operationsverstärker (N116B) einem sechsten und einem siebenten Wider­ stand (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 nichtinvertierenden Eingang (3′′) liegen,
• - der dritte Kondensator (C59) zwischen diesen bei­ den Widerständen (R36, R37) und dem invertierenden Eingang (2′′) und
• - der vierte Kondensator (C60) am nichtinvertieren­ den Eingang (3′′) des zweiten Operationsverstärkers (N116B) liegt,

wobei der invertierende Eingang (2′′) zum Ausgang (1) des zweiten Operationsverstärkers (N116B) führt, der mit dem vor dem nicht invertierenden Eingang (5′′) des er­ sten Operationsverstärkers (N116A) liegenden zweiten Widerstand (R39) verbunden ist.