DE69932635T2

DE69932635T2 - Hocheffiziente spannungsversorgung fuer eine zweidrahtschleifengespeisste vorrichtung

Info

Publication number: DE69932635T2
Application number: DE69932635T
Authority: DE
Inventors: Jonathan L. Warminster KRAMER; G. Kevin Mt. Penn HAFER
Original assignee: Ametek Inc
Current assignee: Ametek Inc
Priority date: 1998-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2019-11-04
Also published as: WO2000026739A1; CA2347890A1; EP1147463B1; CA2347890C; DE69932635D1; US6388431B1; EP1147463A1; AU1464000A; EP1147463A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mess- und Regeltechnik. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine hocheffiziente Vorrichtung, die Leistung zieht und ein Signal über die gleichen Leitungen überträgt.
Hintergrund der Erfindung
Zweileitungssender und Steuerungen sind auf dem Gebiet der Mess- und Regeltechnik wohl bekannt. Grundsätzlich ist ein Zweileitungssender eine Kleinleistungsvorrichtung, die einem Inhaltsstoff nachfolgend zugeordnet ist und für die Messung von einer oder mehreren Bedingungen dieses Stoffes verwendet wird (beispielsweise Flüssigkeitsstand, Temperatur, Druck, Durchfluss). Eine Zweileitungssteuerung ist eine Kleinleistungsvorrichtung, die für die Steuerung derartiger Bedingungen verwendet wird (beispielsweise ein ferngesteuertes Ventil). Der Sender und die Steuerung verwenden die gleichen Leitungen, beide um Strom von einer Stromquelle zu erhalten und zum Senden und/oder Empfangen von Signalen zu oder von einer oder mehreren Anzeigen und/oder Steuerungs vorrichtungen (beispielsweise Bildschirm, Instrument, programmierbare Steuerung, Computer).
Um diese Funktionen auszuführen, umfassen Zweileitungssender und Zweileitungssteuerungen traditionell gewisse Komponenten. Zweileitungsvorrichtungen sind typischerweise gekoppelt an eine außen liegende Stromversorgung durch ein Paar von Leitungen, die eine Schleife zwischen der Vorrichtung und der Stromversorgung bilden. Auch werden Zweidrahtvorrichtungen an eine Messwandlervorrichtung gekoppelt. Im Fall eines Senders überwacht der Messwandler die Bedingungen, die gemessen werden sollen. Der Messwandler stellt ein Signal für den Sender zur Verfügung, das proportional zu den Bedingungen der Substanz ist, die gemessen werden soll. Der effektive Serienwiderstand entlang des Senders wirkt als eine veränderbare Stromabsenkung und variiert derart, dass es einen Wechsel in den Stromabzug durch den Sendervertreter, dessen Bedingungen überwacht werden sollen, hervorruft. Im Fall des Reglers regelt der Messwandler den Zustand der Bedingungen. Der Regler stellt ein Signal dem Messwandler zur Verfügung, das proportional zu dem wünschenswerten Zustand der Bedingungen ist.
Derzeitige Industrienormen weisen gewisse Einschränkungen bei dem Betreiben von Zweidrahtvorrichtungen auf. Eine dieser Einschränkungen ist, dass der Strom in einer Zweidrahtschleife zwischen annäherungsweise 4 Milliampere und 20 Milliampere unter normalen Betriebsbedingungen aufweisen muss. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass ein 4 bis 20 Milliampere Sender geeignet ist, um bei weniger als 4 Milliampere verwendet werden kann und auch in der Lage ist, mehr als 20 Milliampere zu ziehen, um eine Kalibrierung zu ermöglichen. Beispielsweise für den Fall, dass ein Sender das HART^TM Protokoll verwendet, muss ein 1 Milliampere Spit zenwechselstrom den Betriebsstrom überlagern, was einen Sender bedarf, der tauglich ist, um bei Momentanströmen von weniger als 3,5 Milliampere tauglich zu sein.
Eine zweite Einschränkung bedarf Zweidrahtvorrichtungen, die geeignet sind, um von einer Standardstromversorgung, üblicherweise 24 Volt direkter Gleichstrom derartige Energieversorgungen Stromversorgungen haben häufig inhärente Sicherheitsbarrieren, die einen inneren Widerstand von einigen Hundert Ohm aufweisen können. Zusätzlich müssen Zweidrahtvorrichtungen in Schaltkreisschleifen betrieben werden, die einen Drahtwiderstand von einigen Hundert Ohm aufweisen können. Wenn beispielsweise eine Anzeigeneinheit verwendet wird, so erreicht der absolute Schleifenwiderstand häufig 600 Ohm, was die Klemmspannung der Zweidrahtvorrichtung auf 12 Volt Gleichstrom reduziert, sobald der Schleifenstrom 20 Milliampere beträgt. Als ein Ergebnis dieser Limitierung der Spannungsversorgung ist, dass die erhältliche Leistung aus Zweidrahtvorrichtungen mehrfache eingeschränkt ist.
Eine dritte Einschränkung bei Zweidrahtvorrichtungen ist, dass diese typischerweise elektronische Schaltkreise enthalten, die bei einer reduzierten Spannung (beispielsweise 3, 5, 10 Volt) betrieben werden müssen, was dazu führt, dass diese nicht schwanken kann, so wie die erhältlichen Spannungswechsel. Ein Ergebnis daraus ist, dass die Sender Schaltkreise umfassen, die die Spannung, die von der Schleife erhältlich ist, auf das benötigte Spannungsniveau zu reduzieren. Da der Betrag, der dem Schaltkreis zur Verfügung gestellten Leistung, sein Vermögen bezüglich der Geschwindigkeit und der Genauigkeit beeinflusst, muss die Schaltkreisregelung mit einem Leistungsverlust, der so klein wie möglich ist, arbeiten.
Bis heute werden diese Steuerungsprozesse durch einen linearen Steuerungsschaltkreis ausgeführt oder durch einen linearen Steuerungsschaltkreis in Serienschaltung in einen nicht linearen Steuerungsschaltkreis weiterverkauft. Diese linearen Steuerungsschalkreise reduzieren unnötigerweise die Leistung, die dem Schaltkreis zur Verfügung gestellt werden kann durch das Vergeuden von Leistung, das vielleicht dem Produkt des Stroms, der gebraucht wird, multipliziert mit der Differenz der Eingangsspannung und der Spannung, die benötigt wird, um den Messschaltkreis zu betreiben. So wird beispielsweise für einen Messschaltkreis von 10 Volt Gleichstrom, wobei der Sender 21 Volt Gleichstrom erhält, die Leistung mit zusätzlichen 11 Volt beaufschlagt, wobei diese in Form von Hitze verschwendet werden. Beispiele dieses Standes der Technik sind aus der US 4,420,753 , der US 4,812,721 , der US 5,635,896 und der US 5,684,451 bekannt.
Die EP 083 521 offenbart ein System, das lineare Steuerungsschaltkreise verwendet, wobei die Ausgangsleistung an den Untergrund abgegeben wird.
Die US 4,794,372 offenbart ein System mit einem 4 bis 20 mA Schleifenstrom, der verzerrt ist, wenn dieser am 0% Signalniveau steht, wobei das Verhältnis zwischen dem Minimalstrom und dem Maximalstrom im Wesentlichen größer als gewöhnlich ist. Hiernach wird ein aktiver Verteiler an der Empfangsstation benötigt, um das eingehende Stromsignal in ein passendes Signal zum Betreiben des Empfängers anzupassen. Dem entsprechend ist ein besonderes Merkmal eines Vergleichsstromes einen zufrieden stellenden und gewünschten Schleifenstrom zu verwenden, der eine komplexe Spannungssignalumformung benötigt.
Die US 5,416,723 offenbart ein Zweidrahtsystem mit einem selbst regelnden Schaltkreis, der einen Verlust in der Fähigkeit der Versorgung mit den integrierten Leistungsanforderungen der gewünschten Schaltkreiselementen wahrnimmt und die Ausführung eines gespeicherten Programms ausreichend verzögert in Erwiderung auf das Wahrnehmen eines derartigen Verlustes, um dadurch die integrierten Leistungsanforderungen zu reduzieren, um so den Verlust zu überwinden. Alternativ dazu reduziert es durch eine Mikroprozessoruhr den Anteil während eines solchen Leistungsverlustes. Demnach sind die Arbeitsprozesse der Komponenten während eines Leistungsverlustes eingeschränkt. Aus diesem Grund ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Zweidrahtvorrichtung zur Verfügung zu stellen, in welcher die erhältliche Leistung nicht als Folge der erforderlichen Leistungsumwandlung reduziert wird.
Viele Zweidrahtvorrichtungen speichern Energie, um dadurch hohe intermittierende Spitzenenergien zu ermöglichen, ohne dabei einen plötzlichen Anstieg im Schleifenstrom anzufordern. Sobald als erstes ein Strom an die Zweidrahtvorrichtung angelegt wird, kann die örtliche Energiespeichervorrichtung einen großen Schleifenstromfluss verursachen, den so genannten Einschaltstoßstrom. Hohe Einschaltstoßströme können einen Thyristor Typ inhärente Sicherheitssperren auslösen und können störend auf digitale Signalsysteme einwirken.
Aus diesem Grund ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine innen liegende Energiespeicherung zur Verfügung zu stellen, die keine hohen Einschaltstoßströme verursacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Prozesssteuerungsvorrichtung zur Verfügung, die nicht die erhältli che Leistung reduziert, während einer notwendigen Leistungsregulierung. Die Prozesssteuerungsvorrichtung umfasst einen Messschaltkreis und einen Leistungsregulierungsschaltkreis. Der Messschaltkreis, der mit dem Leistungsregulierungsschaltkreis gekoppelt ist, erzeugt ein Steuerungssignal, das indikativ für einen gemessenen Wert ist. Der Leistungsregulierungsschaltkreis ist so gebildet, dass er die erhältliche Leistung für den Messschaltkreis nicht einschränkt. Die Steuerungskontrollvorrichtung kann auch einen Leistungssteuerungsschaltkreis umfassen, der mit dem Messschaltkreis verbunden ist. Der Leistungssteuerungsschaltkreis leitet einen Teil der erhältlichen Leistung von dem Leistungsregulierungsschaltkreis in Proportion zu dem Steuerungssignal, das durch den Messschaltkreis erzeugt wird, um. Die Prozesssteuerungsvorrichtung umfasst auch zwei oder mehrere Leiterbahnen, die in elektrischer Kommunikation mit dem Leistungsregulierungsschaltkreis und dem Leistungssteuerungsschaltkreis stehen.
Diese Leiterbahnen geben die erhältlich Leistung an den Leistungsregulierungsschaltkreis und den Leistungssteuerungsschaltkreis ab, eben so, wie sie ein erstes elektrisches Signal von dem Leistungsregulierungsschaltkreis und ein zweites elektrisches Signal von dem Leistungssteuerungsschaltkreis empfangen. Das erste und zweite elektrische Signal können elektrische Ströme sein, die zusammen Werteabfälle in der Größenordnung von 4 bis 20 Milliampere umfassen. Zusätzlich kann die erhältliche Leistung durch eine Gleichstromleistungsquelle zur Verfügung gestellt werden.
Der Leistungsregulierungsschaltkreis kann einen nicht linearen Leistungsregulator umfassen, beispielsweise einen Schaltregler. Der Leistungssteuerungsschaltkreis kann einen Spannung-Strom-Konverter umfassen. Das Steuerungssignal, das durch den Messschaltkreis zur Verfügung gestellt wird, kann eine elektrische Spannung sein, und die gemessenen Werte können den Messschaltkreis durch einen Sensor zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise durch einen Messwandler. Der Leistungsregulierungsschaltkreis kann auch einen Strom limitierenden Schaltkreis zur Reduzierung der Stromzunahme, wie sie vorkommt im Augenblick, wo die Prozesssteuerungsvorrichtung anfängt zu arbeiten, umfassen.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das in einem Prozesssteuerungssystem verwendbar ist. Das Verfahren umfasst einen Fühler, der so ausgelegt ist, um einen Messwert zu bestimmen, eine Prozesssteuerungsvorrichtung, die in elektrischer Verbindung mit dem Messfühler steht und einer Stromquelle, die über zwei oder mehrere Leiter mit der Prozesssteuerungsvorrichtung verbunden ist. Die Leiter liefern die erhältliche Leistung von der Energiequelle zu der Prozesssteuerungsvorrichtung und erhalten ein elektrisches Signal von der Prozesssteuerungsvorrichtung, das Prozesssteuerungssystem umfasst weiterhin eine Anzeigenvorrichtung zum Beschreiben des elektrischen Signals. Die Anzeigenvorrichtung ist mit der Energiequelle und der Prozesssteuerungsvorrichtung verbunden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm ein Zweidrahtübermittlungs- und -Steuerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm einer Zweidrahtübermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine grafische Darstellung der Energieeinsparung durch Verwendung eines nicht linearen Energiewandlerschaltkreises in einer Zweidrahtvorrichtung;
4 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines nicht linearen Spannungsregelschaltkreises;
5 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Strom begrenzenden Schaltkreises;
6 ist eine schematische Darstellung des Verstärkerschaltkreisausgangs;
7 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine Transformatorvorrichtung in der Zweidrahtgebervorrichtung verwendet wird; und
8 ist ein Blockdiagramm einer Zweidrahtsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Wie in 1 dargestellt, kann ein Zweidrahtsystem einen Zweidrahtgeber 10 und einen Zweidrahtregler 24 umfassen. Der Zweidrahtgeber 10 ist mit einem programmierbaren Regler 32 über Leitungen 13 und 14 verbunden, wobei diese mit dem Anschlusspunkt 15 und 16 des Zweidrahtgebers 10 verbunden sind. Der Zweidrahtregler 24 ist ferner mit einem programmierbaren Regler 32 über Leitungen 25 und 26 verbunden. Der programmierbare Regler ist ferner mit einer Energiequelle 11 durch die Leitungen 33 und 34 verbunden. Die Energiequelle 11 stellte eine Spannung V_in, vorzugsweise in einer Größenordnung von 12 bis 40 Volt Gleichstrom (DC) liegt zur Verfügung, vorzugsweise 24 Volt Gleichstrom.
Der Zweidrahtgeber ist auch mit einem Verbraucher, der durch einen Widerstand 12 dargestellt wird, verbunden. Der Widerstand 12 verkörpert einen oder mehrere Anzeigevorrichtungen, einschließlich eines Leistungsmessers, einer visuellen Anzeige und einer HART^TM Übermittlungseinrichtung. Auch ist die Größe des Widerstandes stark abhängig von dem Typ und der Quantität der Anzeigeeinrichtung, ein 600 Ohm Verbraucher ist ein in der Industrie anerkannter Näherungswert. Deshalb erfolgt ein Spannungsabfall V_dr über den Widerstand 12 und hinterlässt eine Spannung V an dem Anschluss 15 und 16 der Zweidrahtgeber 10. Der Wert des Spannungsabfalls V_dr und der der Anschlussspannung V_t wird von dem Wert des Schleifenstroms I_I abhängen. Die Zweidrahtgeber 10 ist so angepasst, dass er den Schleifenstrom I_I in einer Größenordnung von 4 bis 20 Milliampere in Übereinstimmung mit dem Industriestandard für Anzeigevorrichtungen zieht. Der Wert des Schleifenstroms I_I zu einem beliebigen besonderen Zeitpunkt hängt ab von einem Signal, das von der Zweidrahtgeber 10 empfangen wird, und das von einem Messwandler 17 stammt.
Der Zweidrahtgeber 10 ist verbunden mit einem Messwandler 17 über die Leitungen 18 und 19, die mit den Anschlüssen 20 und 21 an den Zweidrahtgeber 10 angeschlossen sind. Der Messwandler 17 überwacht eine Bedingung der Substanz 20 (beispielsweise den Grad, Temperatur, Druck), die in einem Tank 23 vorfindbar sind. Sobald die überwachte Bedingung sich verändert, sendet der Messwandler 17 ein Signal S an den Zweidrahtgeber 10. In Übereinstimmung mit dem empfangenen Signal S_t passt der Zweidrahtgeber 10 die Menge des Stroms, der von der Energiequelle 11 gezogen wird, in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Abstimmung an. Industrie-Standard-Zweidraht Übermittler ziehen gewöhnlich 4 Milliampere, sobald sie Bedingungen an deren niedrigs ten Punkt (beispielsweise leerer Tank) überwachen und 20 Milliampere, sobald sie Bedingungen an deren höchstem Punkt (beispielsweise voller Tank) überwachen. Dem entsprechend wird der Zweidrahtgeber 10 vier Milliampere ziehen, sobald das Signal St von dem Messwandler 17 eine niedrige Punktbedingung anzeigt, und der Zweidrahtgeber 10 wird 20 Milliampere ziehen, sobald das Signal St von dem Messwandler 17 eine Hochpunktbedingung anzeigt.
Der programmierbare Regler stellt eine logische Kopplungsstelle zwischen dem Zweidrahtgeber 10 und dem Zweidrahtregler 24 zur Verfügung. Sobald der Messwandler 17 den Grad der Substanz 22 in dem Tank 23 überwacht, variiert der Schleifenstrom I_I (wie oben beschrieben) in dem Zweidrahtgeber 10. Der programmierbare Regler 32 stellt ein Spannungssignal in Übereinstimmung mit dem Wert des Schleifenstroms I_I dem Zweidrahtregler 24 zur Verfügung. Der Zweidrahtregler 24 misst die Spannung, die in einer Schleife erhältlich ist und durch die Leitungen 25, 26 gebildet wird. Der Zweidrahtregler 24 sendet dann ein Signal an den Messwandler 27 über die Leitungen 29 und 28. Der Messwandler 27 kann dann agieren, um den Grad in der Substanz 22 im Tank 23 anzupassen. Beispielsweise kann der Messwandler 27 ein Ventil (nicht dargestellt) bedienen, das sodann eine Füllleitung 30 öffnet und die es dem Tank ermöglicht eine zusätzliche Substanz 22 durch die Versorgungsleitung 31 zu erhalten.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Zweidrahtgebers 10. Der Zweidrahtgeber 10 umfasst einen Leistung regelnder Schalkreis 100, einen Ausgang für einen Leistung steuernden Schaltkreis 101 und einen Messschalkreis 102. Der Leistung regelnde Schalkreis 100 und der Leistung steuernde Schaltkreis 101 sind direkt mit dem Anschluss 15 des Zweidrahtgeber 10 verbunden und über einen Abtastwiderstand 103 mit dem Anschluss 16 des Zweidrahtgeber 10 verbunden. Zusätzlich sind der Leistung regelnde Schalkreis 100 und der Leistung steuernde Schaltkreis 101 mit dem Messschaltkreis 102 verbunden. Der Messschaltkreis 102 ist mit den Anschlüssen 20 und 21 des Zweidrahtgebers 10 verbunden.
Sobald der Messschaltkreis 102 ein Signal St von dem Messwandler 17, wie er in der 1 dargestellt ist, empfängt, stellt der Messschaltkreis 102 eine Ausgangskontrollspannung V_c des Leistung steuernden Schaltkreises 101 zur Verfügung. Der Leistung steuernde Schaltkreis 101 agiert als ein variabler Verbraucher und zieht einen Anteil des Schleifenstroms I_I (wie in 1 dargestellt) von der Leitung 106 proportional zu dem Wert der Ausgangskontrollspannung V_c. Der genaue Wert des Anteils des Schleifenstroms I_I, der durch den Leistung steuernden Schaltkreis 101 gezogen wird, ist abhängig von dem Anteil des Schleifenstroms I_I, der von dem Leistung regelnden Schaltkreis 100 gezogen wird. Beispielsweise wird bei der Verwendung eines 70 Milliwatt Messschaltkreises, der mit 10 Volt Gleichstrom und 7 Milliampere betrieben wird, ein Schleifenstrom I_I von 20 Milliampere in einem Leistung regelnden Schaltkreis 100 verursacht, der 6,13 Milliampere zieht. Demgemäß wird in dem Bemühen, den Schleifenstrom von 20 Milliampere aufrecht I_I zu erhalten, der Leistung steuernde Schaltkreis 101 die verbleibenden 13,87 Milliampere ziehen.
Da die Anschlussspannung V_t im Schleifenstrom I_I variiert, verwendet der Zweidrahtgeber 10 einen Leistung regelnden Schaltkreis 100, um eine konstante Spannung und einen konstanten Strom zur Verfügung zu stellen, die notwendig sind, um den Messschaltkreis 102 zu betreiben. Vorzugsweise ist für einen 70 Milliwatt Messschaltkreis 102 eine konstante Spannung von 10 Volt Gleichstrom und ein konstanter Strom von 7 Milliampere durch den Leistung regelnden Schaltkreis 100 über den Messschaltkreis 102 bereitgestellt.
Nicht lineare Schaltkreise regulieren Spannung und Strom effizienter als lineare Regelschaltkreise, und derartige nicht lineare Regler schränken die Leistung, die durch den Messschaltkreis 102 über die gesamten 4 bis 20 Milliampere Reichweite des zugelassenen Schleifenstroms nicht ein.
3 ist die Darstellung eines Diagramms, das die erhältliche Leistung für den Messschaltkreis 102 (linke vertikale Achse), den Schleifenstrom I_I (horizontale Achse) und die Anschlussspannung V_t (rechte vertikale Achse) bei einem Zweidrahtgeber 10 zeigt (wie in 1 dargestellt).
3 zeigt eine Kurve 301, die die erhältliche Leistung mit einem nicht linearen Regler wiedergibt, eine Linie 302, die die erhältliche Leistung mit einem linearen Regler darstellt, und eine Linie 303, die den Wert der Anschlussspannung V_t anzeigt.
Bezug nehmend eines Beispiels, bei dem der Schleifenstrom I_I 4 Milliampere und die Anschlussspannung V_t 21,6 Volt betragen, führt der Leistung regelnde Schaltkreis eine Leistung von 40,6 Milliwatt ab, demnach werden für den Messschaltkreis 102 45,8 Milliwatt zur Verfügung gestellt. Indes beim selben Schleifenstrom I_I von 4 Milliampere und derselben Anschlussspannung V_t von 21,6 Volt, führt ein 95% effizienter nicht linearer Regelschaltkreis nur 1,75 Milliwatt der Leistung ab, dadurch werden 85,65 Milliwatt der Leistung des Messschaltkreises zur Verfügung gestellt. Auch zeigt dieses Diagramm die erhaltene Leistung von 24 Volt der Energiequelle und einen 6 Ohm Serienwiderstand an. Es sollte beachtet werden, dass nicht lineare Regulatoren in Abhängigkeit von der Energiequelle oder den Serienwiderständen effizienter als lineare Regulatoren sind.
Die zusätzliche Leistung, die mit einem nicht linearen Regelschaltkreis erhältlich sind, erlaubt es einem Messschaltkreis 102, eine Erhöhung seiner Kapazität zu ermöglichen. Mit einer 24 Volt Energieversorgung und einem 600 Ohm Serienwiderstand, einem nicht linearen Regler mit 95 % Leistungseffizienz kann beispielsweise die Verwendung eines 70mW Messschaltkreises ermöglicht werden. Auf der anderen Seite kann ein linearer Regelschaltkreis nur die Verwendung eines 35mW Messschaltkreises für die gleiche 24 Volt Energieversorgung und 600 Ohm Serienwiderstand ermöglichen. Verglichen mit dem 35mW Messschaltkreis hat der 70mW Messschaltkreis das Leistungsvermögen der Fähigkeit, die äußeren Reichweiten der Bedingungswerte (z. B. größere Flüssigkeitstiefen) bei noch schnelleren und noch genaueren Messungen der Anzeigevorrichtungen zur Verfügung zu stellen.
4 ist ein detailliertes Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des hocheffizienten nicht linearen Regelschaltkreises 100. In diesem Schaltkreis wird die Energie zu einer Induktionsspule 400 übertragen, wann immer der Ausgang des Transistors 401 sich abschwächt. Wann immer der Ausgang des Transistors 401 es erlaubt, dass der Strom durch die Induktionsspule 400 fließt, wird die regulierte Spannung 402 ansteigen. Die Energie ist in der Induktionsspule 400 gespeichert und die Ladung wird wieder über eine Schottky Diode 420 eingespeist, sobald der Transistor 401 abgeschaltet ist. Sobald die regulierte Spannung 402 eine Führungsgröße erreicht, wird sich der Ausgang des Transistors 401 abschalten und der nicht lineare Regelschaltkreis 100 wird die benötigte Energie von der Induktionsspule 400 beziehen, was bewirkt, dass die regulierte Spannung 402 anfängt nachzulassen. Sobald die regulierte Span nung 402 unterhalb einer bestimmten Führungsgröße sinkt, wird sich der Ausgang des Transistors 402 wieder einschalten und der oben beschriebene Kreislauf wird von vorne beginnen. Die Induktionsspule 400 schaltet schnell von der Versorgungslinie 403 des Transistors 402 zu dem gemeinsamen Anschluss 430 der Schottky Diode 420 um.
Die Widerstände 427 und 428 richten die Basis des Transistors 402 nach einem Drittel der Spannung an dem Anschluss 402 aus. Die Widerstände 425 und 426 laden den Kondensator 424 bis die Spannung an dem Emitter des Transistors 423 ein Halb der Spannung der oben genannten Basis ansteigt, was es wiederum dem Transistor 422 erlaubt, zu leiten. Die Spannung an dem Emitter des Transistors 422 steigt, der Strom, der durch den Transistor 422 fließt, steigt so lange an, bis der Transistor 423 leitet. Ein ansteigender Strom in dem Transistor 423 verursacht einen Anstieg des Spannungsabfalls in den Widerständen 426 und 431. Da die Widerstände 426 und 431 mit dem Kondensator 432 der Basis des Transistors 422 verbunden sind, steigt der Strom in dem Transistor 422 schnell an und sättigt die Transistoren 422 und 423. Die Spannung an dem Emitter des Transistors 422 ist mit der Spannung an der Basis des Transistors 423 (annäherungsweise bei 0,6 Volt) angeklemmt. Sobald sich der Kondensator 432 entladen hat, beginnt die Spannung an der Basis des Transistors 422 anzusteigen. Der Kondensator 424 verhindert, dass die Spannung des Emitters des Transistors 422 genauso schnell ansteigt wie an der Basis, dadurch werden die Transistoren 422 und 423 abgeschaltet. Der Prozess wiederholt sich dann, wobei annäherungsweise eine 4 Volt Sägezahnwelle entsteht.
Eine Anforderung für einen nicht linearen Regelschaltkreis 100 ist, dass die Gleichspannung 402 bevorzugt bei 9,45 Volt aufrechterhalten wird. Der Arbeitsverstärker 404 erfüllt diese Anforderungen. Der Arbeitsverstärker 404 vergleicht die Spannung an der Diode 405 mit der Spannung von dem Spannungsteiler, der durch die Widerstände 406, 407, 433 und 408 gebildet wird. Der Kondensator 434 stellt eine Nullspannung in einer geschlossenen Schleifenerwiderung zur Verfügung, um partiell einen der Pole von dem Filter zu streichen, die durch die Induktionsspule 400 und den Kondensator 420, 421 gebildet worden sind. Der Widerstand 433 stellt ein negatives Feedback zur Verfügung, limitiert den Zuwachs und unterhält die Stabilität der Kontrollschleifen. Der nicht lineare Regelschaltkreis 100 ist so ausgelegt, dass der Ausgang des Arbeitsverstärkers 404 von 1 Volt, sobald die Spannung am Anschluss 402 9,56 Volt beträgt, bis 6 Volt variiert, sobald die Spannung am Anschluss 402 9,5 Volt beträgt.
Der Widerstand 416, der Kondensator 417 und der Transistor 411 bilden eine Komparatorfunktion. Wenn die Spannung an der Quelle des Transistors 411 positiver ist, dann ist die Spannung des Grenzwertes an dessen Ausgang des Transistors 411 abgeschaltet. Der Transistor 411 fängt an zu Leiten, sobald die Spannung an seiner Quelle weniger positiv als die Spannung des Grenzwertes an seinem Ausgang ist. An diesem Punkt ist sein Strom durch die Referenzdiode 435 auf weniger als 90mA an den Widerständen 413 und 436 und dem Transistor 414 limitiert. Der Kondensator 417 stellt eine niedrige Widerstandsquelle für den gepulsten Stromfluss des Transistors 411 zur Verfügung. Der Widerstand 416 schaltet den Kondensator 417 von dem arbeitenden Verstärker 404 frei.
Die Widerstände 419 und 437 und der Transistor 412 treiben den Transistor 401 an. Stromimpulse von dem Transistor 411 sättigen den Transistor 412 und schlie ßen die Anschlussansteuerung des Transistors 401 kurz. Wenn der Transistor 412 sich abschaltet, zieht der Widerstand 437 den Anschluss des Transistors 401 hinunter zu dem gemeinsamen Anschluss 430. Da die Spannung über dem Widerstand 437 mehrmals den Grenzwert der Spannung des Transistors 401 überschreitet, schaltet sich der Transistor 401 schnell ein. Auf die gleiche Weise wird ein sich schnell ausschaltender Transistor 401 durch den geringen Widerstand des gesättigten Transistors 412 gewährleistet, wobei dadurch die Schaltverluste minimiert sind. Die Schottky Diode 429 stellt einen niedrigen Verlustpfad für den Induktionsspule 400 zur Verfügung, um den Strom zu speisen, sobald sich der Transistor 401 abschaltet. Die Kondensatoren 438 und 415 stellen eine kleine Widerstandsquelle des Stromes von dem Transistor 401 zur Verfügung. Auf die gleiche Weise stellen die Kondensatoren 420 und 421 dem Filter einen kleinen Widerstand über die gesamte Frequenzbandbreite des Ausganges des nicht linearen Regelschaltkreises 100 zur Verfügung.
Da der arbeitende Verstärker 404 nahezu sinken muss, da aller Strom, der durch den Transistor 411, den Transistor 412 durchfließt, kann dieser nicht angeschaltet werden, bis die Speisung reguliert ist. Daher ist die Einspeisung selbst startend.
Es ist wünschenswert den Transistor 401 zu verwenden, wobei der Transistor 401 so eingerichtet ist, dass er seine zulässige maximale Anschlussspannung an die maximale Lieferspannung an die Vorrichtung überschreitet. Wie auch immer, wenn dies nicht erreicht werden kann, kann ein optionaler Strombegrenzer der Anschlussspannung eine Lawinendiode 440 umfassen, die in Serie mit einer Schaltdiode 439 geschaltet ist, hinzugefügt sein. Die Schaltdiode 439 isoliert die Anschlussspannung von der Hochkapazität der Lawinendiode 440, wobei das das Abbremsen der Antriebsschwingung verhindert, während der Anschluss nach wie vor geschützt ist.
5 ist ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Strom begrenzenden Schaltkreises 500, welcher ein integraler Bestandteil des Spannung regulierenden Schaltkreises 100 ist. Grundsätzlich wird der Strom begrenzende Schaltkreis 500 für die Inbetriebnahme benutzt, um sicherzustellen, dass der Einschaltstoßstrom nicht die vorgegebenen Systemspezifikationen überschreitet. Bei der Inbetriebnahme wird der Feldeffekttransistor mit Verarmungsschicht 506 gesättigt und schaltet den Transistor 507 an. Die Spannung an dem Kondensator 518 steigt an, ebenso steigt die Spannung an dem Kondensator 519 an, bis der Transistor 505 eingeschaltet ist. Der Stromfluss durch den Widerstand 516 in die Zehnerdiode 504 ist ein Ergebnis davon und startet das Abschalten des Transistors 506. Der Transistor 506 agiert dabei als ein quellenmitlaufender Verstärker durch den Transistor 507, um die Spannung an dem Kondensator 518 annäherungsweise bei 7 Volt aufrechtzuerhalten. Der Transistor 505 wird gesättigt und hält eine Spannung an dem Kondensator 520 aufrecht. Dadurch wird die Spannung an dem Kondensator 520 bei annähernd der gleichen Spannung wie der gleiche Kondensator 521 aufrecht erhalten. Ein negativer Eingang 509 des Arbeitsverstärkers 502 wird bei derselben Spannung wie die des Kondensators 520 gehalten, während die Spannung bei einem positiven Eingang 510 des Arbeitsverstärkers 501 zwischen der Spannung am Anschluss 522 (Schleife) und der Spannung am Kondensator 519 durch die Spannungsteilungswiderstände 502 und 503 unausgewogen ist.
Solange ein Stromzug des Zweidrahtgeber 10 zu klein ist, um einen Spannungskreuzstrom messende Widerstand 103 zu verursachen, um sich dem Produkt aus der Span nungskreuzung der Zehnerdiode 504 multipliziert mit Anteil des Widerstands 503 zum Widerstand 502 anzunähern, wird die Spannung am positiven Eingang 510 des arbeitenden Verstärkers 501 mit Rücksicht auf die Spannung am Kondensator 521 positiv sein. Als ein Ergebnis wird der Ausgang 502 des arbeitenden Verstärkers 501 hoch sein und 513 anschalten. Wie auch immer, wenn ein Stromzug durch den Zweidrahtprozesssteuerung 10 groß genug wird, um eine positive Spannung am positiven Eingang 510 des arbeitenden Verstärkers 501 zu verursachen und die Spannung am Kondensator 520 anzunähern, wird der arbeitende Verstärker 501 in die aktive Region eintreten, wodurch die Spannung an dem Anschluss des Transistors 523 reduziert wird, und wobei der Strom in den Widerständen 524, 525 und 526 reduziert wird. Der Abfall in dem Spannungskreuzwiderstand 526 führt zu einer Entladung des Transistors 513. Als ein Ergebnis wird der gezogene Strom durch den verbleibenden Schaltkreis des Zweidrahtgebers 10 beschränkt und die Spannung am positiven Eingang 510 des arbeitenden Verstärkers 501 wird annähernd gleich zu der Spannung an den Kondensatoren 520 und 521 sein. Dadurch wird der gezogene Strom durch in den Zweidrahtgeber 10 auf einem vorherbestimmten Niveau gehalten (wie vorher durch die Zehnerdiode 504 und die Widerstände 103, 502 und 503 bestimmt), bis der Strom, der von der Zweidrahtgeber benötigt wird, unter ein vorherbestimmtes Niveau fällt. Wenn die Spannung am Abgang 527 auf ein halbes Volt über der Spannung am Kondensator 518 der Diode 514 ansteigt, beginnt dieser zu leiten. Als ein Ergebnis ist die Spannung am Kondensator 518 ein halbes Volt unter dem am Anschluss 527. Da die Spannung am Abgang des Transistors 506 durch die Zehnerdiode 504 und emittiert ist, ist der Transistor 506 wie der Transistor 507 abgeschaltet. Dadurch wird der Strom begrenzende Schaltkreis 500 von dem hocheffizienten Leistung steuernden Schaltkreis 100 mit Energie versorgt, und zwar ausschließlich. Der vorherbestimmte begrenzende Strom wird wie folgt berechnet:
I_limit = V_ref·R503/(R103·R502), wobei V_ref die Zehnerdiodenspannung ist und R103, R502 und R503 die Widerstandswerte der Widerstände 103, 502 und 503 sind. Es ist wünschenswert I_limit ausreichend kleiner als 20mA zu machen, um den schlimmsten Fall, nämlich dass der Startstrom dieses Niveaus überschreitet, zu verhindern. Es ist deshalb wie auch immer notwendig, dass der Schleifenstrom es ermöglicht, 20 mA während eines normalen Betriebes zu übersteigen, um eine Kalibrierung (wie oben diskutiert) zu ermöglichen. Das wird durch das Verwenden einer positiven Spannung am Anschuss 528 erreicht, nachdem die normale Betriebsbereitschaft erreicht worden ist. Das schaltet den Transistor 515 an, dadurch schaltet sich der Transistor 505 aus. Als ein Ergebnis hiervon ist, dass die Spannung an dem Kondensator 520 angestiegen, bis sie annäherungsweise die Spannung des Kondensators 518 erreicht hat. Die Spannung am Kondensator 519 wird ebenso ansteigen, bis sie ausreichend kleiner als die Spannung am Kondensator 518 ist, um die Leitung der Transistoren 506 und 507 einzuschränken. Ohne Energieanschluss an den arbeitenden Verstärker 501 ist dessen Ausgang 502 ein offener Schaltkreis. Der Widerstand 529 zieht am Anschluss des Transistors 523 hoch, was wiederum den Transistor 513 sättigt.
Wenn notwendig kann der Strom begrenzende Schaltkreis 500 durch ein Signal am Anschluss des Transistors 515 deaktiviert werden, was wiederum den Transistor 505 dazu bringt, sich abzuschalten. Das Abschaltend des Transistors 505 verursacht, dass die gemeinsame Schaltkreisleitung 511 von dem Strom begrenzenden Schaltkreis 500 und demnach von dem Restbetrag des Zweidrahtgebers übermittelten Schaltkreises entfernt wird. Wenn der gemeinsame Schaltkreis 511 von dem Transistor 506 entfernt ist, wird sich dieser abschalten, weil eine Spannungsteilung zwischen den Widerständen 508 und 516 gebildet wird. Wenn der Transistor 506 abgeschaltet ist, ist auch der Transistor 507 abgeschaltet. Der Widerstand 517 entlädt dann die Basis des Transistors 507 und ermöglicht so ein schnelles Abschalten.
6 ist eine detaillierte schematische Darstellung eines gemeinsamen Ausgangsverstärkers 404, wie er aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist. Der arbeitende Verstärker 601 überwacht die Kreuzströme des Messwiderstandes 103. Wenn die Spannung am positiven Anschluss 602 des arbeitenden Verstärkers 601 größer als die Kreuzspannung am Messwiderstand 103 ist, richtet der Transistor 603 den arbeitenden Verstärker 601 aus, so dass der Strom durch die Versorgungsleitung 403 fließen kann. Der Transistor 604 ist immer an, wenn der Transistor 603 an ist, da die Basis des Transistors 604 verbunden ist, um die Spannung 402 zu regulieren.
7 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Stromwandler 701 verwendet wird. In diesem Fall sind zwei Energieversorgungen (nicht dargestellt) vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Schleifenspannung schalten. Wenn der Schleifenstrom I_I (wie in 1 gezeigt) ansteigt, verringert sich die Anschlussspannung V_t und die Leistung wird durch den Hauptenergieschalter 702 gezogen. Da die Eingangsspannung dicht an der Klemmspannung liegt und ein wenig Energie verschwendet wird, wenn die Schleifenspannung fällt, die Eingangsspannung ansteigt und die Leistung durch den Treiberschalter 703 in dem Stromwandler 701 gezogen wird. Beispielsweise mit einem 24 Volt Energieanschluss und einem 500 Ohm Serienwiderstand und der Übermittler signalisiert einen 4mA Widerstand V_t, dann würden annäherungsweise 20 Volt vorhanden sein. Aus diesem Grund ist, wenn der Stromwandler 701 ein 2:1 umgekehrtes Verhältnis zu zwei hat, würde die Spannung im Messschaltkreis 102 dann 10 Volt betragen und der Strom würde 7mA bei einer absoluten Leistung von 70mW betragen. Der Schalter 702 kann ein erhöhter Betriebstransistor sein, während der Schalter 703 ein Abreicherungstransistor sein kann, so dass nur ein Vorregler beim Anschalten eingeschaltet ist. Die arbeitenden Verstärker (nicht dargestellt) können das Schalten der zwei Vorregler durch Messen der Spannung mit einem den Kreuzstrom messenden Widerstand 103 steuern. Eine Energieversorgung 704 für den Schaltkreis wird bevorzugt, um die Energie zur Verfügung zu stellen.
8 zeigt ein Blockdiagramm eines Zweidrahtreglers 800. Der Zweidrahtregler 800 umfasst einen Spannung regulierenden Schaltkreis 801 und einen Messfühlerschaltkreis 802. Der Spannung regulierende Schaltkreis 801 ist direkt mit dem Anschluss 804 des Zweidrahtreglers 800 verbunden, und verbunden über einen Messwiderstand 805 mit dem Anschluss 803 des Zweidrahtreglers 800. Zusätzlich ist der Spannung regulierende Schaltkreis 801 mit dem Messfühlerschaltkreis 802 verbunden. Der Messfühlerschaltkreis 802 ist parallel mit dem Messwiderstand 805 verbunden. Der Messfühlerschaltkreis 802 ist auch mit den Anschlüssen 806 und 807 des Zweidrahtreglers verbunden.
Wenn der Zweidrahtregler 24 ein Signal von dem programmierbaren Regler 32 (wie in 1 dargestellt) erhält, misst der Messfühlerschaltkreis 802 eine korrespondierende Spannung V_t über den Messfühlerwiderstand 805. Der Messfühlerschaltkreis 802 erhält seine Spannung von dem Spannung regulierenden Schaltkreis 801, wie er für den Zweidrahtgeber 10 oben beschrieben worden ist, und einen nicht linearen Regler umfasst. Da nicht lineare Schaltkreise Spannung und Strom mehr effizient regulieren als lineare Regelschaltkreise, kann mehr Leistung für den Messfühlerschaltkreis 802 zur Verfügung gestellt werden. Dem entsprechend hat der Messfühlerschaltkreis 802 einen Anstieg in seiner Kapazität um die Messung der Spannung V_t über den Messfühlerwiderstand 805 vorzunehmen.
Der Fachmann wird bemerken, dass die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vollständige Offenbarung und Beschreibung ist, wobei Verbesserungen und Modifikationen möglich sind, ohne dass dadurch der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird und nach wie vor die Voraussetzungen des Standes der Technik als Gegenstand der Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, einhält. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht einschränkend ausgelegt werden durch die vorstehenden exemplarischen nun folgenden Ansprüche.

Claims

Vorrichtung zur Zweidrahtprozesssteuerung (10) mit: einem Messschaltkreis (102), der ein Steuersignal (Vc) entsprechend einem Messwert abgibt; einem Leistung regelnden Schaltkreis (100), der mit dem Messschaltkreis (102) so gekoppelt ist, dass erstere die für den Messschaltkreis (102) verfügbare Leistung nicht begrenzt; und zwei oder mehr Leitern (104, 105), die elektrisch mit dem Leistung regelnden Schaltkreis (100) verbunden sind und die verfügbare Leistung dem Leistung regelnden Schaltkreis (100) zuführen, wobei die Leiter (104, 105) aus dem Leistung regelnden Schaltkreis (100) ein von dem Steuersignal (Vc) abhängiges erstes elektrisches Signal aufnehmen, das folglich den Messwert angibt, wobei ein Leistungssteuerschaltkreis (101) mit dem Messschaltkreis (102) und den Leitern (104, 105) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Leistung regelnden Schaltkreis (100) ein nicht linearer Leistungsregelschaltkreis (100) ist, dass der Leistungssteuerschaltkreis (101) einen zum Steuersignal (Vc) proportionalen Teil der verfügbaren Leistung aus dem Leistung regelnden Schaltkreis (100) umlenkt und dass der Leistungssteuerschaltkreis (101) ein zweites elektrisches Signal auf die Leiter (104, 105) gibt. grenzenden Schaltkreis (500) aufweist, mit dem Stromspitzen bei Arbeitsbeginn der Prozesssteuerung abschwächbar sind.
Vorrichtung zur Prozesssteuerung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der der Leistungsregelschaltkreis (100) ein induktives Element aufweist.
Vorrichtung zur Prozesssteuerung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der der Leistungsregelschaltkreis (100) einen Schaltregler aufweist.
Vorrichtung zur Prozesssteuerung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der der Leistungsregelschaltkreis (100) einen elektrischen Transformator aufweist, der eine Wahl zwischen zwei elektrischen Stromquellen treffen kann.
Vorrichtung zur Prozesssteuerung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der das Steuersignal (Vc) eine elektrische Spannung ist.
System zur Prozesssteuerung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der das erste und das zweite elektrische Signal elektrische Ströme im Bereich von 4 bis 20 mA sind.
System zur Prozesssteuerung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der die verfügbare Leistung von einer Gleichstrom-Leistungsquelle geliefert wird.
System zur Prozesssteuerung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der der Leistungsteuerschaltkreis einen Spannung-Strom-Wandler aufweist.
Ein System zur Prozesssteuerung mit: einem Fühler (17), mit dem ein Messwert bestimmbar ist; einer Prozesssteuerung (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche in elektrischer Verbindung mit dem Fühler mit: einer Stromquelle (11), die mittels zwei oder mehr Leitern (13, 14) mit der Prozesssteuerung verbunden ist, wobei die Leiter die verfügbare Leistung aus der Stromquelle der Prozesssteuerung zuführen und die Leiter aus der Prozesssteuerung ein elektrisches Signal erhalten; und einer Anzeigeeinrichtung (12), die mit der Stromquelle (11) und der Zweidrahtprozesssteuerung (10) gekoppelt ist und das elektrische Signal anzeigt.
System zur Prozesssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Messwert von einem Fühler geliefert wird.
System zur Prozesssteuerung nach Anspruch 11, bei der der Fühler ein Wandler ist.
Ein Verfahren zum Einsatz in einen System zur Prozesssteuer mit folgenden Schritten: Aufnahme von Strom auf zwei oder mehr Leitern (104, 105); Regeln der Leistung mit einem Leistungsregelschaltkreis (100) auf einen ersten Wert, um einen Messschaltkreis (102) zu veranlassen, ein einen Messwert anzeigendes Steuersignal zu liefern, wobei die Regelung die dem Messschaltkreis (102) zugeführte Leistung nicht begrenzt; und Bereitstellen des von dem Messschaltkreis (102) gelieferten Steuersignals, um eine Anzeigeeinrichtung (12) zur Anzeige von Werten zu veranlassen und so die Anzeige des Messwerts bereit zu schalten, Aufnehmen eines ersten elektrischen Signals aus dem Leistungsregelschaltkreis auf den zwei oder mehr Leitern abhängig vom Steuersignal (Vc), gekennzeichnet durch das Umleiten eines Teils der Leistung mittels eines Leistungssteuerschaltkreises proportional dem Steuersignal und Abgabe eines zweiten elektrischen Signals aus dem Leistungssteuerschaltkreis an die Leiter; wobei de Leistungsregelschaltkreis (100) ein nicht linearer Leistungsregelschaltkreis (100) ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem man weiterhin ein von dem Messschaltkreis erzeugtes zweites Steuersignal an den Leistungssteuerschaltkreis gibt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem man weiterhin bei Arbeitsbeginn des Prozesssteuersystems auftretende Stromspitzen begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, bei dem der Leistungsregelschaltkreis eines oder mehrere der folgenden Komponenten aufweist: ein induktives Element; einen Schaltregler; einen elektrischen Transformator, mit dem sich zwischen zwei elektrischen Stromquellen wählen lässt; und einen Spannung-Strom-Wandler.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das zweite Steuersignal eine elektrische Spannung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das erste Steuersignal eine elektrische Spannung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem das elektrische Signal ein elektrischer Strom im Bereich von 4 bis 20 mA ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei dem der Strom von einer Gleichstromquelle geliefert wird.