DE69214291T2

DE69214291T2 - Schnittstellevorrichtung zum detektieren von kommunikationssignalen

Info

Publication number: DE69214291T2
Application number: DE69214291T
Authority: DE
Inventors: Richard Nelson
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-08-08
Also published as: EP0598798B1; EP0598798A1; WO1993004452A1; US5227782A; EP0598798A4; CA2113420A1; DE69214291D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die es einer hydrostatischen Schnittstelleneinheit (HIU) ermöglicht, digitale Kommunikationssignale zu erfassen, während sie die durch die Einheit benötigte Eingangsleistung minimiert. Insbesondere liefert eine aktive Last innerhalb der hydrostatischen Schnittstelleneinheit bei Wechselstromfrequenzen eine hohe Impedanz zur Erfassung digitaler Kommunikationssignale, während sie bei Gleichstromfrequenzen eine niedrige Impedanz liefert, wodurch die für die hydrostatische Schnittstelleneinheit benötigte Eingangsleistung minimiert wird.
Die hydrostatische Schnittstelleneinheit (HIU) ist eines von einer Reihe von Instrumenten, die bei einem Tank-Meßsystem verwendet werden. Bei diesem System sind zahlreiche mit Flüssigkeit gefüllte Tanks in einer Tankanlage angeordnet. Mit jedem Tank sind verschiedene Meßwertgeber verbunden. Diese Meßwertgeber sind in einer "Mehrpunkt"-Anordnung elektrisch parallel miteinander gekoppelt und liefern einer HIU Eingangssignale. Die HIU akkumuliert Daten von verschiedenen Meßwertgebern, die mit dieser verbunden sind, und kombiniert deren Ausgangssignale, die Druck und Temperatur der Flüssigkeit in den Tanks wiedergeben, um ein einziges Ausgangssignal zu erzeugen, das einen Flüssigkeitspegel angibt. Die HIU gibt über einen Übersetzer ein digitales Signal an eine Steuerwarte aus. Die Steuerwarte überwacht die Flüssigkeitspegel zahlreicher Tanks und stellt Anzeigevorrichtungen, Steuer-Ausgangssignale oder Alarme, wie es notwendig ist, ein.
Bei herkömmlichen HIUs wird ein Widerstand als eine Last verwendet, über die Kommunikationssignale erscheinen und erfaßt werden können. Um bei solchen Frequenzen genug Impedanz zu erzeugen, bei welchen digitale Kommunikationssignale zuverlässig erfaßbar sind, weist der Widerstand ein Minimum von 500 Ohm auf. Dieser 500-Ohm-Widerstand war für die HIU ausreichend, die nicht zur Verwendung in sogenannten "ausgewiesenen Feldsicherheitsbereichen" geeignet waren, bei denen eine Verkabelung bestimmte niedrige Leistungsniveaus haben muß, um Anforderungen an die Eigensicherheit zu genügen.
Wenn eine Anlage (wie z.B. eine Tankanlage) explosive Dämpfe verwendet oder erzeugt, müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen mit elektrischen Schaltkreisen in Bereichen der Anlage, in denen sich explosive Gemische befinden, getroffen werden. Diese Bereiche werden "ausgewiesene Feldsicherheitsbereiche" genannt und sind Bereiche, in denen die Dämpfe Konzentrationen erreichen können, die explodieren können, wenn es einen Zündfunken gibt. Auch weisen einige Funken genug Energie auf, um ein explosives Gemisch zu entzünden, und andere Funken weisen nicht genug Energie auf 1 um ein explosives Gemisch zu entzünden. Somit muß eine elektrische Schaltkreistechnik, die in "ausgewiesene Feldsicherheitsbereiche" eintritt, eine bestimmte niedrige Spannung, einen niedrigen Strom und eine solche Energie-Speicherkapazität aufweisen, daß, wenn ihre Drähte versehentlich kurzgeschlossen werden und ein Funke auftritt, der Funke nicht genug Energie aufweist, um ein expiosives Gemisch zu entzünden. Die Grenzen wurden experimentell entwickelt und sind in verschiedenen Sicherheitnormen definiert. Dies ist der Gegenstand der Konstruktion für die Eigensicherheit.
Das Problem der Konstruktion für die Eigensicherheit wird bei einem Mehrpunkt-Schaltkreis, wie z.B. einem Tank-Meßsystem mit mehreren Meßwertgebern, die mit einer einzigen HIU verbunden sind, noch verstärkt, da die HIU und jeder mit ihr verbundene Meßwertgeber innerhalb der Leistungsgrenze für einen Schaltkreis erregt werden muß. Geringe Energieverluste, die bei anderen Konstruktionen normalerweise ignoriert werden würden, werden extrem wichtig, und es werden große Anstrengungen unternommen, um sie zu verringern. Wenn geringe Energieverluste in einem Mehrpunkt-Schaltkreis addiert werden, übersteigt die sich ergebende Energieverlustmenge oft die zulässige Grenze für Eingangsenergie zu einer HIU.
Somit besteht Bedarf an einer HIU mit einer Last, die nicht nur zur Erfassung digitaler Kommunikationssignale bei Wechselstromfrequenzen hohe Impedanzen liefert, sondern auch bei niedrigen Frequenzen (im wesentlichen Gleichstrom) niedrige Impedanzen liefert, wodurch eine Eigensicherheitszulassung möglich wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Schnittstelleneinheit überträgt Signale auf und empfängt Signale von einer Vielzahl von Meßwertgebern. Die Schnittstelleneinheit weist erste und zweite Anschlüsse, eine Übertragungs-/Empfangs-Schaltkreisvorrichtung, eine Gleichstrom-Versorgungsvorrichtung und eine aktive Last auf.
Die ersten und zweiten Anschlüsse verbinden die Schnittstelleneinheit mit den Meßwertgebern. Die Übertragungs-/Empfangs- Schaltkreisvorrichtung ist zum Übertragen von Signalen auf und Empfangen von Signalen von den Meßwertgebern mit dem ersten Anschluß verbunden.
Die Gleichstrom-Versorgungsvorrichtung und die aktive Last sind zwischen dem ersten und zweiten Anschluß in Reihe geschaltet. Die aktive Last weist bei niedrigen Frequenzen (Gleichstrom) eine erste Impedanz und innerhalb eines Frequenzbereichs, der durch Frequenzen der auf die Meßwertgeber übertragenen und von diesen empfangenen Signale definiert ist, eine zweite, höhere Impedanz auf, Die hohe Impedanz bei Wechselstromfrequenzen ermöglicht es der Schnittstelleneinheit, digitale Kommunikationssignale von den Meßwertgebern richtig zu erfassen, während die kleinere Impedanz bei Gleichstrom eine Eigensicherheitszulassung erlaubt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Tank-Meßsystems, das die erfindungsgemäße verbesserte hydrostatische Schnittstelleneinheit aufweist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Schnittstelleneinheit;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen aktiven Last;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Wechselstromimpedanz der aktiven Last als eine Funktion der Frequenz gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Gleichstromimpedanz der aktiven Last als eine Funktion der Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Tank-Meßsystems 10. In Fig. 1 ist ein relativ kleines Tank-Meßsystem dargestellt, wobei gestrichelte Linien zusätzliche Verbindungen für Systeme anzeigen, die mehrere Tanks und mehr zugehörige Ausstattung aufweisen als in Fig. 1 gezeigt ist. Das Tank- Meßsystem 10 weist Tanks 12, 13, 14 und 15, hydrostatische Schnittstelleneinheiten (HIUs) 16, 17, 18 und 19, Pegelstandsmesser 20, 21, 22 und 23, Anwendungs-Schnittstellenmodule (AIMs) 24 und 25, Übersetzer 26 und 27 und eine Steuerwarten- Ausstattung 28 auf. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Tank 12 mit drei Sensoren ausgestattet: einem RTD-Temperatursensor 29, einem Druck-Meßwertgeber 30 auf mittlerem Niveau und einem Druck-Meßwertgeber 31 auf unterem Niveau. Ähnlich ist der Tank 13 mit drei Sensoren ausgestattet: einem RTD-Temperatursensor 32, einem mittlerem Druck-Meßwertgeber 33 und einem unteren Druck-Meßwertgeber 34. Die HIUs 16, 17, 18 und 19 sind je mit den Sensoren auf einem Tank verbunden, um die Sensor-Ausgangssignale zu empfangen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Die HIUs 16, 17, 18 und 19 übertragen Informationen über den Tankfüllstand und andere Parameter über lange Kabel zu den AIMs 24 und 25, wobei eine serielle Kommunikation, wie z.B. die SP-50-(Normentwurf) Bus-Kommunikation verwendet wird. Die AIMs 24 und 25 empfangen von den HIUs 16, 17, 18 und 19 Informationen über den Tankstand und übertragen die Information über einen RS-485-Bus zurück auf die Steuerausstattung 28, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Die Pegelstandsmesser 20, 21, 22 und 23 erfassen Tankstände in Tanks, wie z.B. den Tanks 14 und 15, und übertragen Pegelstands-Informationen über Zeichen/Pausen-Busse zu den Übersetzern 26 und 27, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Übersetzer 26 und 27 übersetzen die Pegelstands-Informationen in ein RS- 485-Format und übertragen die Informationen über den RS-485- Bus zur Steuerwarten-Ausstattung 28.
Zusätzlich zur Informationsleitung können Busse auch Erregerstrom für die verschiedenen Teile der Ausstattung führen.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verbesserten HIU 16. Der mittlere Druck-Meßwertgeber 30 und der untere Druck-Meßwertgeber 31 des Tanks 12 und, falls notwendig, zusätzliche Meßwertgeber 35 und 36 sind elektrisch parallel mit Mehrpunkt-Busleitern 38 und 40 in einer Mehrpunkt-Anordnung gekoppelt. Bei der Mehrpunkt-Anordnung führen die Leiter 38 und 40 Erregerstrom für die Meßwertgeber 30, 31, 35 und 36 und leiten auch serielle digitale Kommunikationssignale, die zwischen der HIU 16 und den Meßwertgebern 30, 31, 35 und 36 fließen. Die seriellen digitalen Kommunikationssignale sind zweiseitig und überlagern den Erregerstrom. Ein Gleichstromwandler 70 in der HIU 16 führt durch eine aktive Last 72 den Leitern 38 und 40 den Erregerstrom zu. Der Gleichstromwandler 70 speist auch einen 5 Volt-Versorgungsschaltkreis 68 in der HIU 16. Der 5 Volt-Versorgungsschaltkreis 68 erregt eine digitale und analoge Schaltkreistechnik in der HIU, wie z.B. einen digitalen Übertragungs- und Empfangsschaltkreis 74. Der digitale Übertragungs- und Empfangsschaltkreis 74 kommuniziert mit den Meßwertgebern 30, 31, 35 und 36, indem er serielle Kommunikationssignale durch einen Kondensator 76 leitet. Die Schaltkreistechnik in der HIU erregt über Leiter 42 und 46 auch den RTD-Temperatursensor 29 und erfaßt ein Temperatursignal auf einer Leitung 44.
Eine externe Gleichstromversorgung 78 erregt über Leiter 48 und 50 den Gleichstromwandler 70. Der Gleichstromwandler 70 wiederum erregt die Schaltkreistechnik in der HIU 16 und die Meßwertgeber auf dem Mehrpunktbus. Eine Eigensicherheitsschranke 80 herkömmlicher Bauweise beschränkt den Strom und die Potentiale, die den Leitern 48 und 50 zugeführt werden, auf ein Niveau, das nicht in der Lage ist, einen Funken mit genug Energie zum Entzünden eines brennbaren Gemisches zu erzeugen.
Damit die HIU 16 von den Meßwertgebern 30, 31, 35 und 35 übertragene digitale Kommunikationssignale richtig erfassen kann, muß die aktive Last 72 bei Wechselstromfrequenzen, die von etwa 1,2 Kilohertz bis 2,2 Kilohertz reichen, was der normale Frequenzbereich des digitalen Kommunikationssignals ist, eine hohe Impedanz von mehr als 500 Ohm erzeugen. Da jedoch die Eigensicherheitsschranke 80 die Spannung und den Strom, der die HIU 16 erregt, beschränkt, muß die aktive Last 72 bei niedrigen Frequenzen (insbesondere bei Gleichstrom und Niederfrequenzuständen, wie z.B. dem Gleichstrom-Erregerstrom, der dem Mehrpunktbus zugeführt wird) auch eine niedrige Impedanz von weniger als etwa 150 Ohm erzeugen.
Die HIU 16 kann auch mit einer anderen Schaltkreistechnik, wie z.B. einer Schleife mit 4-20 Milliampère, die durch Leiter 52 und 54 angedeutet ist, eine Schnittstelle bilden.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der aktiven Last 72. Ein Widerstand 82 leitet Strom elektrisch vom positiven (+) Anschluß der aktiven Last 72 zum negativen (-) Anschluß der Last 72. Ein Widerstand 84 verbindet den negativen (-) Anschluß der Last 72 elektrisch mit dem Emitter eines NPN-Transistors 86. Ein Widerstand 88 und ein Kondensator 90 verbinden den negativen (-) Anschluß der Last 72 elektrisch mit der Basis eines NPN-Transistors 92. Ein Widerstand 94 verbindet die Basis des NPN-Transistors 92 elektrisch mit dem positiven (+) Anschluß der Last 72. Die Basis des NPN-Transistors 86 ist elektrisch mit dem Emitter des NPN-Transistors 92 verbunden, während die Kollektoren der NPN-Transistoren 86 und 92 elektrisch mit dem positiven (+) Anschluß der Last 72 verbunden sind.
Der Widerstand 94 führt dem Transistor 92 Basisstrom zu, so daß er leitet. Der Transistor 92 wiederum führt dem Transistor 86 Basisstrom zu, so daß er leitet und einen Ausgang mit niedriger Impedanz aufweist. Die Transistoren 86 und 92 sind in einer Darlington-Transistoranordnung verbunden, um ein hohes ß oder Verstärkung zu erzeugen. Der Widerstand 84 erzeugt einen Potentialabfall, wenn Strom fließt, und der sich ergebende Potentialabfall ermöglicht eine Energiespeicherung im Kondensator 90 und stabilisiert auch den Arbeitspunkt der Transistoren 86 und 92. Der Widerstand 82 stabilisiert die Impedanzen der Last 72 bei Wechselstromfrequenzen und flacht die Impedanz (Fig. 4) bei hohen Wechselstromfrequenzen ab. Bei den höheren Frequenzen fließt Strom durch den Kondensator 90, um den Treiberstrom zur Basis des Transistors 92 zu verringern. Der Widerstand 88 schafft einen Eigensicherheitsschutz und beschränkt den Stromfluß vom Kondensator 90, wenn ein Fehler auftritt.
Fig. 4 zeigt die Wechselstrom-Impedanz der aktiven Last 72 als eine Funktion der Frequenz. Beim normalen Betriebs-Frequenzbereich von 1,2 Kilohertz bis 2,2 Kilohertz weist die aktive Last 72 eine konstante Impedanz von etwa 540 Ohm auf. Diese hohe Wechselstrom-Impedanz ermöglicht es der HIU 16, digitale Kommunikationssignale von den Meßwertgebern, die zwischen ihrem positiven (+) Eingangsleiter 38 und ihrem negativen (-) Eingangsleiter 40 angeschlossen sind, richtig zu erfassen.
Fig. 5 zeigt die Gleichstrom-Impedanz der aktiven Last 72 als eine Funktion der Zeit. Wie es aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die Gleichstrom-Impedanz der aktiven Last 72 ein konstanter Wert; etwa 115 Ohm. Diese Gleichstrom-Impedanz mit minimaler Last ermöglicht eine Eigensicherheitszulassung, während sie auch die Anzahl an HIUs erhöht, die von einer bestimmten Leistungsversorgung gespeist werden können. Sie erhöht auch die Drahtlänge, die zwischen der HIU und ihrer Leistungsversorgung ohne einen übermäßigen Spannungsabfall verlaufen kann.
Die erfindungsgemäße verbesserte HIU ist in der Lage, digitale Kommunikationssignale von einer Reihe von Meßwertgebern, die zwischen ihrem positiven (+) Eingangsanschluß und ihrem negativen (-) Eingangsanschluß parallel geschaltet sind, zu erfassen, während sie zugleich Spannungs- und Strombeschränkungen der Eigensicherheit erfüllt.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennen Fachleute, daß Form und Details verändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Schnittstelleneinheit (16) zur Übertragung von Signalen auf und Empfangen von Signalen von einer Vielzahl von Meßwertgebern (30, 31, 35, 36), wobei die Schnittstelleneinheit folgendes aufweist:

erste und zweite Anschlüsse (38, 40) zur Verbindung mit den Meßwertgebern;

eine Übertragungs-/Empfangs-Schaltkreisvorrrichtung (74), die zum Übertragen von Signalen auf und Empfangen von Signalen von den Meßwertgebern mit dem ersten Anschluß verbunden ist;

eine Gleichstrom-Versorgungsvorrichtung (70); und

eine aktive Last (72), die zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß mit der Gleichstrom-Versorgungsvorrichtung (70) in Reihe geschaltet ist, wobei die aktive Last bei Gleichstrom eine erste Impedanz und innerhalb eines Frequenzbereichs, der durch Frequenzen der auf die Meßwertgeber übertragenen und von diesen empfangenen Signale definiert ist, eine zweite, höhere Impedanz aufweist.

2. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Last folgendes aufweist:

einen ersten Lastanschluß (-);

einen zweiten Lastanschluß (+);

eine Transistorvorrichtung (86, 92), die eine erste hauptstromführende Elektrode, die mit dem ersten Lastanschluß verbunden ist, eine zweite hauptstromführende Elektrode, die mit dem zweiten Lastanschluß verbunden ist, und eine Steuerelektrode aufweist;

eine erste Widerstandsvorrichtung (94), die zwischen dem zweiten Lastanschluß und der Steuerelektrode angeschlossen ist; und

eine Kapazitätsvorrichtung (90), die zwischen der Steuerelektrode und dem ersten Lastanschluß angeschlossen ist.

3. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Last weiterhin folgendes aufweist:

eine zweite Widerstandsvorrichtung (88), die zwischen der Steuerelektrode und dem ersten Lastanschluß mit der Kapazitätsvorrichtung in Reihe geschaltet ist.

4. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Last weiterhin folgendes aufweist:

eine dritte Widerstandsvorrichtung (84), die zwischen der ersten hauptstromführenden Elektrode und dem ersten Lastanschluß angeschlossen ist.

5. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Last weiterhin folgendes aufweist:

eine vierte Widerstandsvorrichtung (82), die zwischen dem ersten und zweiten Lastanschluß angeschlossen ist.

6. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorvorrichtung folgendes aufweist:

ein Paar Transistoren (86, 92), die eine Darlington-Transistoranordnung bilden.

70 Schnittstelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Last weiterhin folgendes aufweist:

8. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Last weiterhin folgendes aufweist:

9. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorvorrichtung folgendes aufweist:

ein Paar Transistoren (86, 92), die eine Darlington-Transistoranordnung bilden.

10. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanz weniger als etwa 150 Ohm beträgt.

11. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impedanz mehr als etwa 500 Ohm beträgt.

12. Schnittstelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich zwischen etwa 1,2 Kilohertz und etwa 2,2 Kilohertz liegt.