EP0244808A1 - Anordnung zur Signalübertragung in einer Messanordnung - Google Patents

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EP0244808A1
EP0244808A1 EP87106454A EP87106454A EP0244808A1 EP 0244808 A1 EP0244808 A1 EP 0244808A1 EP 87106454 A EP87106454 A EP 87106454A EP 87106454 A EP87106454 A EP 87106454A EP 0244808 A1 EP0244808 A1 EP 0244808A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wire line
signal
transmitter
communication
interface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP87106454A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gustav Wetzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP0244808A1 publication Critical patent/EP0244808A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/16—Electric signal transmission systems in which transmission is by pulses
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for signal transmission in a measuring arrangement with a transmitter, which is connected to a remote evaluation device by a two-wire line, on the one hand the DC energy required for the operation of the transmitter from the evaluation device to the transmitter and on the other hand the measured value signal representing the measured variable from Transmitters are transmitted to the evaluation device, the transmitter being connected to the two-wire line via a transmitter interface, which takes the direct current energy required by the transmitter from the two-wire line and applies the measured value signal to the two-wire line, and the evaluation device with the two-wire line via an evaluation interface is connected, which is used to apply the DC supply voltage to the two-wire line and Reception of the measured value signal transmitted via the two-wire line is formed, and with at least one communication unit which can be connected to the two-wire line in parallel with the transmitter via a communication interface, in each case in the transmitter interface, in the evaluation interface and in each communication interface there is a communication interface circuit which contains a signal transmitter for transmitting a communication signal distinguishable from the measured value signal via the two-wire
  • the communication unit which can also be connected to the two-wire line and can send and receive communication signals via the two-wire line, makes it possible, in particular, to carry out adjustment, setting, checking or maintenance work at the location of the transmitter or from another location using the Perform evaluation device.
  • the communication unit is, for example, a calculator-like device with a keyboard and with a numeric or alphanumeric display. By actuating the keyboard, the operator can call up the required information from the evaluation device, and the information transmitted in response to the query from the evaluation device is made visible on the display of the communication unit.
  • the communication signals transmitted for this information exchange are pulse sequences which go over the two-wire line and are modulated in accordance with the information to be transmitted are.
  • the problem here is that the measured value signal can be impaired or disturbed by the communication signals. This applies in particular if the energy for the communication signals is taken from the same energy source contained in the evaluation device, which also supplies the direct current energy for the transmitter and the energy for the measured value signals, as is the case with the generally customary measuring arrangements in which the measured value signal is formed by a direct current which is variable between 4 and 20 mA and which also contains the supply direct current for the transmitter.
  • Another limitation of known arrangements of this type is the limited communication options; Usually, the communication units can only exchange information with a remote station, for example with the evaluation device.
  • the object of the invention is to provide an arrangement of the type specified in the introduction, in which any number of subscriber stations connected to the two-wire line, which also include the transmitter and the evaluation device, can exchange communication signals with one another, without the simultaneous transmission of the measured value signal over the same two-wire line is disturbed or impaired.
  • this object is achieved in that the signal transmitter of each communication interface circuit for pulse-shaped reduction of the DC supply voltage on the two-wire line is designed according to a pulse modulation representing the communication signal, and in that the signal receiver of each communication interface circuit is adapted to the pulse-shaped voltage changes on the two-wire line appeals.
  • the signal transmitter of each communication interface circuit impulses the voltage applied by the evaluation device to the two-wire line, and the pulse-shaped voltage changes that occur on the two-wire line can be received by the signal receivers of all communication interface circuits.
  • a communication unit can not only connect to the transmitter or the evaluation device, but also to other communication units connected to the same two-wire line.
  • the transmitter and the evaluation device regardless of the presence of a communication unit, can also exchange communication signals in both transmission directions in addition to the transmission of the measured value signal.
  • the transmitter can supply the evaluation device with additional information which can be used for evaluating the measurement signal and for monitoring the operation of the transmitter, and the evaluation device can influence the operation of the transmitter by means of control signals.
  • the pulsed voltage changes on the two-wire line can be generated and received with very simple and reliable circuits.
  • the amplitude of the pulse-shaped voltage changes can be very large, as a result of which a very high level of interference immunity for the signal transmission is achieved.
  • the voltage on the two-wire line can be brought to zero by a complete short circuit with each voltage pulse.
  • the transmitter 10 contains a sensor 13 for detecting a physical measured variable to be measured (eg temperature, pressure, humidity, fill level) and an electronic transducer 14 connected to the sensor 13 which emits an electrical signal representing the instantaneous value of the measured variable.
  • the transmitter 10 does not contain its own energy source, but obtains the direct current energy required for its operation via the two-wire line 11 from a voltage source 15 contained in the evaluation device 12.
  • a measured value signal representing the instantaneous value of the measured variable is transmitted from the transmitter 10 to the evaluation device 12 via the same two-wire line.
  • the transducer 10 is connected to the two-wire line 11 via a transducer interface 16, which on the one hand ensures the energy supply of the transducer 10 from the two-wire line 11 and on the other hand converts the output signal of the transducer 14 into a measured value signal suitable for transmission via the two-wire line 11.
  • the measured value signal is the direct current I M flowing via the two-wire line 11, which is composed of the direct current supply I 0 of the transmitter and a correction current I K.
  • the correction current I K is likewise taken from the voltage source 15 and set by the transmitter 10, taking into account the respective magnitude of the supply direct current I 0, so that the total current I M between the current values 4 and 20 mA represents the measured value to be transmitted.
  • the transmitter 10 also contains communication electronics 17, which is likewise connected to the two-wire line via the transmitter interface 16.
  • An evaluation interface 18 is used to connect the evaluation device 12 to the two-wire line 11, which on the one hand effects the transmission of the direct current energy required by the transmitter 10 from the voltage source 15 to the two-wire line 11 and on the other hand from the total current I M flowing via the two-wire line 11 for display purposes of the measured value or a signal suitable for further processing.
  • the evaluation device 12 further includes communication electronics 19, which is connected to the two-wire line 11 via the asuvalue interface 18.
  • a communication unit 20 is also shown, which is connected in parallel to the transmitter 10 to the two-wire line 11 and is designed such that it can carry out an information exchange with the transmitter 10 or with the evaluation device 12 without the normal operation of the measuring arrangement thereby is affected.
  • the communication unit 20 is a calculator-like device with a keyboard 21 and a digital display 22 and with the electronics required for signal processing.
  • the connection to the two-wire line 11 takes place via a communication interface 23 and a two-wire connecting line 24, which can be connected to the two-wire line 11 as required by means of terminals 25, 26.
  • the communication unit 20 is equipped with its own energy source (e.g. battery).
  • its own energy source e.g. battery
  • Fig. 2 shows the circuit diagrams of the three interfaces 16, 18 and 23 of Fig. 1 in more detail.
  • the voltage of the two-wire line 11 is applied to the terminals of a capacitor 29 via a diode 27 and a constant current generator 28, to which a zener diode 30 is connected in parallel.
  • the Zener diode 30 determines the operating voltage U B for the electronics of the transmitter.
  • the capacitor 29 serves as an energy store, which bridges the energy supply in the event of a voltage reduction or a short circuit on the two-wire line 11.
  • the diode 27 prevents in In this case, the capacitor 29 is discharged via the two-wire line 11.
  • the transmitter interface 16 contains a shunt branch 31 which contains a controllable constant current generator 32.
  • a continuous direct current flows through the shunt branch 31, which is likewise taken from the voltage source 15 and is superimposed on the supply direct current I 0 on the two-wire line 11.
  • the constant current generator 32 is controlled by a continuously variable output signal of the measuring transducer 14 so that the direct current flowing through the shunt branch 31 forms the correction current I K which, together with the supply current I 0, forms the measuring current I M which varies between 4 and 20 mA.
  • the constant current generator 28 supplies the constant supply direct current I 0 for the electronics of the transmitter.
  • the current determined by the constant current generator 28 is controlled by the constant current generator 32 or is permanently set to the current value I 0 .
  • the constant current generators 28 and 32 can be combined in one unit. Instead of the constant current generator 28, a voltage regulator can also be used.
  • a voltage can thus be tapped at the resistor 33 which is proportional to the measuring current I M and contains the measured value information. This voltage can be used to display the measured value or processed in any way to evaluate the measured value information.
  • the parts of the transmitter interface 16 and the evaluation interface 18 described so far correspond to a customary configuration of measuring arrangements with a two-wire connection, in which the measured value information is transmitted by a direct current that varies between 4 and 20 mA.
  • the communication interface 23 of the communication unit 20 essentially consists of a communication interface circuit 40 connected to the electronics 34 of the communication unit.
  • a communication interface circuit 50 of completely the same type is arranged in addition to the usual components described above in the transmitter interface 16, and
  • the evaluation interface 18 contains a further communication interface circuit 60 of the same type. Since the three communication interface circuits 40, 50 and 60 have the same structure and the same mode of operation, the following description of the communication interface circuit 40 also applies to the two other communication Interface circuits 50 and 60.
  • the communication interface circuit 40 contains a signal transmitter 41 and a signal receiver 42, which are connected to the two-wire line 11 via the connecting line 24.
  • the communication interface circuit 50 of the transmitter 10 contains a signal transmitter 51 and a signal receiver 52
  • the communication interface circuit 60 of the evaluation device 12 contains a signal transmitter 61 and a signal receiver 62.
  • the signal generator 41 consists essentially of a controlled shunt branch 43, which bridges the connecting line 24 and thus also the two-wire line 11.
  • a switch which is a switching transistor 44 in the example shown.
  • the electronics 34 apply a control signal to the base of the switching transistor 44 which is pulse-modulated in accordance with the information to be transmitted.
  • a current limiter 35 is inserted in series with the voltage source 15 in the two-wire line 11 in the evaluation interface 18.
  • the current limiter 35 can be formed by a sufficiently high resistance, but for a reason which will be explained later, a controlled constant current generator is used as the current limiter in the embodiment shown.
  • each current pulse generated by the signal generator 41 thus corresponds to a negatively directed voltage pulse on the two-wire line 11, as shown in diagram A in FIG. 3, and the sequence of these voltage pulses is shaped by the control signal supplied to the switching transistor 44.
  • the signal receiver 42 of the communication interface circuit 40 is designed such that it responds to negatively directed pulse-shaped voltage changes of the type shown in diagrams A and B of FIG. 3.
  • it has a Schmitt trigger 46, to which the voltage of the two-wire line 11 is supplied via an RC element consisting of a capacitor 47 and a resistor 48.
  • the Schmitt trigger 46 therefore only responds to pulsed voltage changes on the two-wire line and converts this into a digital signal, which is fed to the electronics 34.
  • the signal generator 51 in the communication interface circuit 50 of the transmitter 10 under the control of the communication electronics 17 on the two-wire line 11, generates negatively directed pulse-shaped voltage changes, to which the signal receiver 42 in the communication unit 20 and the signal receiver 62 in the evaluation device 12 respond
  • the signal generator 61 in the communication interface circuit 60 of the evaluation device 12 generates, under the control of the communication electronics 19 on the two-wire line 11, negatively directed pulse-shaped voltage changes to which the signal receivers 42, 52 of the other two communication interface circuits 40, 50 respond.
  • All units connected to the two-wire line 11 can connect to one another at will and exchange information via the two-wire line.
  • All communication interface circuits are formed in an identical manner, and each interface can receive the communication signals sent by each other interface.
  • suitable coded address signals ensure that each subscriber station only evaluates the information intended for it.
  • All interfaces use the same energy source for the generation of the communication signals, namely the voltage source 15 in the evaluation device, and they generate the communication signals in the same way, namely by pulsed reduction of the voltage on the two-wire line.
  • the use of voltage pulses as communication signals allows a clear and unambiguous distinction from the measured value information, which is represented by a current value.
  • the information (data) to be transmitted by the communication signals can be contained, for example, in the repetition frequency of the voltage pulses (pulse frequency modulation), in coded pulse trains (pulse code modulation) or in a combination of these two types of modulation.
  • the measuring current I M transmitted via the two-wire line is interrupted during each negative voltage pulse of a communication signal.
  • an instantaneous value memory (“sample &hold") 36 is provided in the evaluation interface 18 of FIG. 2, which continuously stores the instantaneous value of the measuring current I M which flows over the two-wire line 11 when there are no communication signals.
  • a resistor 37 is inserted into the line to detect the value of the measuring current I M , and the voltage tapped at the resistor 37 is fed to the instantaneous value memory 36.
  • the output of the instantaneous value memory 36 is connected via a switch 38 controlled by the output of the signal receiver 62 of the communication interface circuit 60 to an actuator 39 which influences the setting of the constant current generator forming the current limiter 35.
  • the switch 38 is closed each time a voltage pulse is received, and the actuator 39 then sets the current value determined by the current limiter 35 to the current value stored in the instantaneous value memory 36.
  • the same current flows through the resistor 33 as before the voltage pulse arrived. Since the measuring current I M usually changes only slowly, the display is not noticeably falsified by the temporary bridging.
  • the signal transmission described with reference to FIG. 2 requires a minimum of components for the signal generation and the signal reception. Furthermore, due to the high signal level, relatively low susceptibility to interference is to be expected. Finally, signal transmission by reducing the normal voltage is particularly advantageous for use in potentially explosive environments, where signal transmission can cause problems due to pulsed voltage increases.

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Abstract

Die Anordnung dient zur Signalübertragung in einer Meß­anordnung, die einen Meßumformer und ein entfernt davon angeordnetes Auswertegerät enthält. Der Meßumformer ist mit dem Auswertegerät durch eine Zweidrahtleitung ver­bunden. über die einerseits die für dem Betrieb des Meß­umformers erforderlicher Gleichstromenergie vom Auswerte­gerät zum Meßumformer und andererseits das die Meßgröße darstellende Meßwertsignal vom Meßumformer zum Auswerte­gerät übertragen werden. Der Meßumformer ist mit der Zwei­drahtleitung über eine Meßumformer-Schnittstelle verbun­den, welche die vom Meßumformer benötigte Gleichstrom­energie aus der Zweidrahtleitung entnimmt und das Meß­wertsignal an die Zweidrahtleitung anlegt. Das Auswerte­gerät ist mit der Zweidrahtleitung über eine Auswerte-­Schnitstelle verbunden, die zum Anlegen der Versorgungs­gleichspannung an die Zweidrahtleitung und zum Empfang des über die Zweidrahtleitung übertragenen Meßwertsignals ausgebildet ist. Zusätzlich ist wenigstens eine Kommuni­kationseinheit vorgesehen, die bei Bedarf über die Kommu­nikations-Schnittstelle parallel zum Meßumformer an die Zweidrahtleitung anschließbar ist. In der Meßumformer-­Schnittstelle, in der Auswerte-Schnittstelle und in jeder Kommunikations-Schnittstelle ist jeweils eine Kommuni­kations-Schnittstellenschaltung vorhanden, die einen Signalgeber und einen Signalempfänger enthält. Der Signal­geber jeder Kommunikations-Schnittstellenschaltung ist so ausgebildet, daß er die Versorgungsgleichspannung auf der Zweidrahtleitung gemäß einer das Kommunikationssignal darstellenden Pulsmodulation impulsförmig verriugert. Der Signalempfänger jeder Kommunikations-Schnittstellenschal­tung spricht auf die impulsförmigen Spannungsänderungen auf der Zweidrahtleitung an. Dadurch können alle an die Zweidrahtleitung angeschlossenen Geräte miteinander Infor­mationen austauschen, ohne daß die Übertragung der Meß­wertsignale über die gleiche Zweidrahtleitung beeinträch­tigt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Signalübertragung in einer Meßanordnung mit einem Meßumformer, der mit einem entfernt davon angeordneten Auswertegerät durch eine Zwei­drahtleitung verbunden ist, über die einerseits die für den Betrieb des Meßumformers erforderliche Gleichstromener­gie vom Auswertegerät zum Meßumformer und andrerseits das die Meßgröße darstellende Meßwertsignal vom Meßumformer zum Auswertegerät übertragen werden, wobei der Meßumformer mit der Zweidrahtleitung über eine Meßumformer-Schnittstel­le verbunden ist, welche die vom Meßumformer benötigte Gleichstromenergie aus der Zweidrahtleitung entnimmt und das Meßwertsignal an die Zweidrahtleitung anlegt, und wo­bie das Auswertegerät mit der Zweidrahtleitung über eine Auswerte-Schnittstelle verbunden ist, die zum Anlegen der Versorgungsgleichspannung an die Zweidrahtleitung und zum Empfang des über die Zweidrahtleitung übertragenen Meß­wertsignals ausgebildet ist, und mit wenigstens einer Kommunikationseinheit, die über eine Kommunikations-­Schnittstelle parallel zum Meßumformer an die Zweidraht­leitung anschließbar ist, wobei in der Meßumformer-­Schnittstelle, in der Auswerte-Schnittstelle und in jeder Kommunikations-Schnittstelle jeweils eine Kommunikations-­Schnittstellenschaltung vorhanden ist, die einen Signal­geber zum Senden eines vom Meßwertsignal unterscheidbaren Kommunikationssignals über die Zweidrahtleitung und einen Signalempfänger zum Empfang der von anderen Kommunikations-­Schnittstellenschaltungen kommenden Kommunikationssignale enthält.
  • Meßanordnungen, bei welchen der Meßumformer und das Aus­wertegerät räumlich voneinander getrennt und nur durch eine Zweidrahtleitung miteinander verbunden sind, werden sehr weitgehend verwendet. Durch die Kommunikationsein­heit, die zusätzlich an die Zweidrahtleitung anschließbar ist und Kommunikationssignale über die Zweidrahtleitung senden und empfangen Kann, ist es isbesondere möglich, am Ort des Meßumformers order auch von einer anderen Stel­le aus Abgleich-, Einstell-, Überprüfungs- oder Wartungs­arbeiten unter Ausnutzung des Auswertegeräts durchzufüh­ren. Die Kommunikationseinheit ist beispielsweise ein ta­schenrechnerähnliches Gerät mit einer Tastatur und mit einer numerischen oder alphanumerischen Anzeige. Durch Betätigung der Tastatur kann die Bedienungsperson die be­nötigten Informationen vom Auswertegerät abrufen, und die als Antwort auf die Abfrage vom Auswertegerät übermittel­ten Information werden auf der Anzeige der Kommunika­tionseinheit sichtbar gemacht. Die für diesen Informa­tionsaustausch übertragenen Kommunikationssignale sind Impulsfolgen, die über die Zweidrahtleitung gehen und entsprechend den zu übertragenden Informationen moduliert sind. Dabei besteht das Problem, daß das Meßwertsignal durch die Kommunikationssignale beeinträchtigt oder ge­stört werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Energie für die Kommunikationssignale aus der gleichen, im Auswertegerät enthaltenen Energiequelle entnommen wird, die auch die Gleichstromenergie für den Meßumformer und die Energie für die Meßwertsignale liefert, wie es bei den allgemein üblichen Meßanordnungen der Fall ist, bei denen das Meßwertsignal durch einen zwischen 4 und 20 mA verän­derlichen Gleichstrom gebildet ist, der auch den Versor­gungsgleichstrom für den Meßumformer enthält. Eine weitere Einschränkung bekannter Anordnungen dieser Art besteht in den begrenzten Kommunikationsmöglichkeiten; gewöhnlich können die Kommunikationseinheiten nur mit einer Gegen­stelle, beispielsweise mit dem Auswertegerät, Informatio­nen austauschen.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs angegebenen Art, bei welcher beliebig viele an die Zweidrahtleitung angeschlossen Teilnehmerstellen, zu denen auch der Meßumformer und das Auswertegerät gehö­ren, miteinander Kommunikationssignale austauschen können, ohne daß dadurch die gleichzeitige Übertragung des Meß­wertsignals über die gleiche Zweidrahtleitung gestört oder beeinträchtig wird.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Signalgeber jeder Kommunikations-Schnittstellenschal­tung zur impulsförmigen Verringerung der Versorgungsgleich-­spannung auf der Zweidrahtleitung gemäß einer das Kommuni­kationssignal darstellenden Pulsmodulation ausgebildet ist, und daß der Signalempfänger jeder Kommunikations-Schnitt­stellenschaltung auf die impulsförmigen Spannungsänderun­gen auf der Zweidrahtleitung anspricht.
  • Bei der Signalübertragungsanordnung nach der Erfindung be­einflußt der Signalgeber jeder Kommunikations-Schnittstel­lenschaltung impulsweise die vom Auswertegerät an die Zweidrahleitung angelegte Spannung, und die dadurch auf der Zweidrahtleitung auftretenden impulsförmigen Spannungs­änderungen können von den Signalempfängern aller Kommuni­kations-Schnittstellenschaltungen empfangen werden. Es be­steht somit keine Einschränkung hinsichtlich der Anzahl und der Art der an die Zweidrahtleitung angeschlossenen Teilnahmerstellen. Insbesondere kann eine Kommunikations­einheit nicht nur mit dem Meßumformer oder dem Auswerte-­gerät in Verbindung treten, sondern auch mit weiteren, an die gleiche Zweidrahtleitung angeschlossenen Kommunika­tionseinheiten. Es ist besonders vorteilhaft, daß auch der Meßumformer und das Auswertegerät, unabhängig vom Vorhan­densein einer Kommunikationseinheit, zusätzlich zu der Übertragung des Meßwertsignals noch Kommunikationssignale in beiden Übertragungsrichtungen austauschen können. Da­durch kann der Meßumformer zum Auswertegerät zusätzliche Informationen liefern, die für die Auswertung des Meßwert­signals und für die Überwachung des Betriebs des Meßumfor­mers verwendet werden können, und das Auswertegerät kann den Betrieb des Meßumformers durch Steuersignale beein­flussen.
  • Da alle Kommunikationssignale impulsförmige Spannungsände­rungen sind, können sie vom Meßwertsignal eindeutig unter­schieden werden, wenn das Meßwertsignal durch ein Strom­signal gebildet ist, wie es insbesondere bei dem genorm­ten Meßwertsignal in Form eines zwischen 4 und 20 mA ver­änderlichen Gleichstroms der Fall ist. Die Übertragung des Meßwertsignals kann daher ohne Störung oder Beeinträchti­gung gleichzeitig mit der Übertragung von Kommunikations­signalen erfolgen.
  • Schließlich lassen sich die impulsförmigen Spannungsände­rungen auf der Zweidrahtleitung mit sehr einfachen und betriebssicheren Schaltungen erzeugen und empfangen. Die Amplitude der impulsförmigen Spannungsänderungen kann sehr groß sein, wodurch eine sehr hohe Störsicherheit der Si­gnalübertragung erzielt wird. Im Grenzfall kann die Span­nung auf der Zweidrahtleitung bei jedem Spannungsimpuls durch vollständigen Kurzschluß auf den Wert Null gebracht werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1 das Prinzipschema einer Meßanordnung, bei der die Erfindung anwendbar ist,
    • Fig. 2. das Schaltbild der drei Schnittstellen der Meß­anordnung von Fig. 1 in näheren Einzelheiten und
    • Fig. 3 Diagramme des zeitlichen Verlaufs von Signalen.
  • Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung mit einem Meßumformer 10, der durch eine Zweidrahtleitung 11 mit einem entfernt da­von angeordneten Auswertegerät 12 verbunden ist. Der Meß­umformer 10 enthält einen Sensor 13 zur Erfassung einer zu messenden physikalischen Meßgröße (z.B. Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Füllstand) und einen mit dem Sensor 13 verbundenen elektronischen Meßwandler 14, der ein den Augenblickswert der Meßgröße darstellendes elektrisches Signal abgibt. Der Meßumformer 10 enthält keine eigene Energiequelle, sondern bezieht die für seinen Betrieb er­forderliche Gleichstomenergie über die Zweidrahtleitung 11 von einer im Auswertegerät 12 enthaltenen Spannungsquelle 15. Über die gleiche Zweidrahtleitung wird ein den Augen­blickswert der Meßgröße darstellendes Meßwertsignal vom Meßumformer 10 zum Auswertegerät 12 übertragen. Der Meßum­former 10 ist mit der Zweidrahtleitung 11 über eine Meßum­former-Schnittstelle 16 verbunden, die einerseits die Ener­geiversorgung des Meßumsetzers 10 aus der Zweidrahtleitung 11 sicherstellt und andererseits das Ausgangssignal des Meßwandlers 14 in ein zur Übertragung über die Zweidraht­leitung 11 geeignetes Meßwertsignal umsetzt. Einer üblichen Technik entsprechend ist das Meßwertsignal der über die Zweidrahtleitung 11 fließende Gleichstrom IM, der sich aus dem Versorgungsgleichstrom I0 des Meßumformers und einem Korrekturstrom IK zusammensetzt. Der Korrekturstrom IK wird gleichfalls der Spannungsquelle 15 entnommen und vom Meßumformer 10 unter Berücksichtigung der jeweiligen Größe des Versorgungsgleichstroms I0 so eingestellt, daß der Ge­samtstrom IM zwischen den Stromwerten 4 und 20 mA den zu übertragenden Meßwert darstellt. Schließlich enthält der Meßumformer 10 noch eine Kommunikations-Elektronik 17, die ebenfalls über die Meßumformer-Schnittstelle 16 mit der Zweidrahtleitung verbunden ist.
  • Zur Verbindung des Auswertegeräts 12 mit der Zweidrahtlei­tung 11 dient eine Auswerte-Schnittstelle 18, die einer­seits die Übertragung der vom Meßumformer 10 benötigten Gleichstromenergie von der Spannungsquelle 15 zur Zwei­drahtleitung 11 bewirkt und andereseits aus dem über die Zweidrahtleitung 11 fließenden Gesamtstrom IM ein für die Anzeige des Meßwerts oder für eine Weiterverarbeitung ge­eignetes Signal ableitet. Das Auswertegerät 12 entchält ferner eine Kommunikations-Elektronik 19, die über die Asuwerte-Schnittstelle 18 mit der Zweidrahtleitung 11 ver­bunden ist.
  • In Fig. 1 ist weiterhin eine Kommunikationseinheit 20 dargestellt, die parallel zum Meßumformer 10 an die Zwei­drahtleitung 11 angeschlossen und so ausgebildet ist, daß sie mit dem Meßumformer 10 oder mit dem Auswertegerät 12 einen Informationsaustausch durchführen kann, ohne daß der normale Betrieb der Meßanordnung dadurch beeinträch­tigt wird. Die Kommunikationseinheit 20 ist ein taschen­rechnerähnliches Gerät mit einer Tastatur 21 und einer Digitalanzeige 22 sowie mit der erforderlichen Elektronik für die Signalverarbeitung. Die Verbindung mit der Zwei­drahtleitung 11 erfolgt über eine Kommunikations-Schnitt-­stelle 23 und eine zweiadrige Anschlußleitung 24, die mittels Anschlußklemmten 25,26 nach Bedarf an die Zwei­drahtleitung 11 angeklemmt werden kann.
  • Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Kommunikationseinheit 20 mit einer eigenen Ener­giequelle (z.B. Batterie) ausgestattet ist. Es wäre je­doch auch möglich, den zur Energieversorgung der Komu­nikationseinheit erforderlichen Gleichstrom ebenfalls der Spannungsquelle 15 im Auswertegerät 12 über die Zwei­drahtleitung zu entnehmen.
  • Fig. 2 zeigt die Schaltbilder der drei Schnittstellen 16, 18 und 23 von Fig. 1 in nähreren Einzelheiten.
  • In der Meßumformer-Schnittstelle 16 ist die Spannung der Zweidrahtleitung 11 über eine Diode 27 und einen Konstant­stromgenerator 28 an die Klemmen eines Kondensators 29 an­gelegt, dem eine Zenerdiode 30 parallelgeschaltet ist. Die Zenerdiode 30 bestimmmt die Betriebsspannung UB für die Elektronik des Meßumformers. Der Kondensator 29 dient als Energiespeicher, der bei einer Spannungsverringerung oder einem Kurzschluß auf der Zweidrahtleitung 11 die Energie­versorgung überbrückt. Die Diode 27 verhindert, daß in diesem Fall der Kondensator 29 über die Zweidrahtleitung 11 entladen wird.
  • Zur Erzeugung eines den Meßwert darstellenden Meßstroms IM enthält die Meßumformer-Schnittstelle 16 einen Nebenschluß­zweig 31, der einen steuerbaren Konstantstromgenerator 32 enthält. Über den Nebenschlußzweig 31 fließt ein kontinu­ierlicher Gleichstrom, der gleichfalls aus der Spannungs­quelle 15 entnommen wird und sich auf der Zweidrahtleitung 11 dem Versorgungsgleichstrom I0 überlagert. Der Konstant­stromgenerator 32 wird durch ein stetig veränderliches Ausgangssignal des Meßwandlers 14 so gesteuert, daß der über den Nebenschlußzweig 31 fließende Gleichstrom den Korrekturstrom IK bildet, der zusammen mit dem Versorgungs­gelichstrom I0 den zwischen 4 und 20 mA veränderlichen Meß­strom IM bildet.
  • Der Konstantstromgenerator 28 liefert den konstanten Ver­sorgungsgleichstrom I0 für die Elektronik des Meßumformers. Der vom Konstantstromgenerator 28 bestimmte Strom wird durch den Konstantsromgenerator 32 kontrolliert oder ist fest auf den Stromwert I0 eingestellt. Die Konstantstrom­generatoren 28 und 32 können in einer Einheit zusammenge­faßt werden. Anstelle des Konstantstromgenerators 28 kann auch ein Spannungsregler eingesetzt werden.
  • In der Auswerte-Schnittstelle 18 ist in den einen Leiter der Zweidrahtleitung 11 ein Widerstand 33 eingefügt, über den der Meßstrom IM=I0+IK fließt. Am Widerstand 33 kann somit eine Spannung abgegriffen werden, die dem Meßstrom IM proportional ist und die Meßwertinformation enthält. Diese Spannung kann zur Anzeige des Meßwerts verwendet oder in beliebiger Weise zur Auswertung der Meßwertinformation verarbeitet werden. Im einfachsten Fall wäre es auch mög­lich, anstelle des Widerstands 33 in die Zweidrahtleitung einen entsprechend geeichten Strommesser einzufügen, der dann direkt den Meßwert anzeigen würde.
  • Die bisher beschriebenen Teile der Meßumformer-Schnitt­stelle 16 und der Auswerte-Schnittstelle 18 entsprechen einer üblichen Ausbildung von Meßanordnungen mit Zweidraht­verbindung, bei denen die Meßwertinformation durch einen zwsichen 4 und 20 mA veränderlichen Gleichstrom übertragen wird.
  • Die Kommunikations-Schnittstelle 23 der Kommunikationsein­heit 20 besteht im wesentlichen aus einer mit der Elektro­nik 34 der Kommunikationseinheit verbundenen Kommunika­tions-Schnittstellenschaltung 40. Eine Kommunikations-­Schnittstellenschaltung 50 völlig gleicher Art ist zusätz­lich zu den zuvor beschriebenen üblichen Bestandteilen in der Meßumformer-Schnittstelle 16 angeordnet, und die Aus­werte-Schnittstelle 18 enthält eine weitere Kommunikations-­Schnittstellenschaltung 60 der gleichen Art. Da die drei Kommunications­Schnittstellenschaltungen 40, 50 und 60 den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise haben, gilt die folgende Beschreibung der Kommunikations-Schnittstel­lenschaltung 40 auch für die beiden anderen Kommunikations-­Schnittstellenschaltungen 50 und 60.
  • Die Kommunikations-Schnittstellenschaltung 40 enthält einen Signalgeber 41 und einen Signalempfänger 42, die über die Anschlußleitung 24 mit der Zweidrahtleitung 11 verbunden sind. In entsprechender Weise enthält die Kommu­nikations-Schnittstellenschaltung 50 des Meßumformers 10 einen Signalgeber 51 und einen Signalempfänger 52, und die Kommunications-Schnittstellenschaltung 60 des Auswer­tegeräts 12 enthält einen Signalgeber 61 und einen Signal­empfänger 62.
  • Der Signalgeber 41 besteht im wesentlichen aus einem gesteuerten Nebenschlußzweig 43, der die Anschlußleitung 24 und somit auch die Zweidrahtleitung 11 überbrückt. In dem Nebenschlußzweig 43 liegt ein Schalter, der bei dem darge­stellten Beispiel ein Schalttransistor 44 ist. An die Basis des Schalttransistors 44 wird von der Elektronik 34 ein Steuersignal angelegt, das entsprechend der zu sendenden Information pulsmoduliert ist.
  • Wenn der Schalttransistor 44 des Signalgebers 41 stromfüh­rend ist, ist die Zweidrahtleitung 11 praktisch kurzge­schlossen, und über den Nebenschlußzweig 43 fließt ein Strom, der aus der Spannungsquelle 15 entnommen wird. Da­mit dieser Kurzschlußstrom auf einen zulässigen Wert be­grenzt wird, ist in der Auswerte-Schnittstelle 18 ein Strombegrenzer 35 in Reihe mit der Spannungsquelle 15 in die Zweidrahtleitung 11 eingefügt. Der Strombegrenzer 35 kann im einfachsten Fall durch einen ausreichend hochoh­migen Widerstand gebildet sein, doch wird aus einem spä­ter noch erläuterten Grund bei der dargestellten Ausfüh­rungsform ein gesteuerter Konstantstromgenerator als Strombegrenzer verwendet.
  • Infolge des Kurzschlusses bricht die Spannung U auf der Zweidrahtleitung 11 zusammen, so daß sie vom Ruhewert U0 auf den Wert 0 geht. Jedem vom Signalgeber 41 erzeugten Stromimpuls entspricht somit ein negativ gerichteter Span­nungsimpuls auf der Zweidrahtleitung 11, wie im Diagramm A von Fig. 3 dargestellt ist, und die Folge dieser Span­nungsimpulse ist durch das dem Schalttransistor 44 zuge­führte Steuersignal gestaltet.
  • Anstatt die Zweidrahtleitung 11 durch den Schalttransistor 44 vollständig kurzzuschließen, ist es auch möglich, in Reihe mit dem Schalttransistor 44 einen Widerstand 45 an­zuordnen, wie in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Die Spannung auf der Zweidrahtleitung 11 fällt dann bei jedem Stromimpuls vom Ruhewert U0 auf einen vorgegbenen Span­nungswert U₁ ab, der von 0 verschieden ist, wie das Dia­gramm B von Fig. 3 zeigt.
  • Der Signalempfänger 42 der Kommunikations-Schnittstellen­schaltung 40 ist so ausgebildet, daß er auf negativ ge­richtete impulsförmige Spannungsänderungen der in den Dia­grammen A und B von Fig. 3 dargestaellten Art anspricht. Er weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Schmitt-Trigger 46 auf, dem die Spannung der Zweidraht-­leitung 11 über ein aus einem Kondensator 47 und einem Widerstand 48 bestehendes RC-Glied zugefürht wird. Der Schmitt-Trigger 46 spricht daher nur auf impulsförmige Spannungsänderungen auf der Zweidrahtleitung an und setzt diese in ein Digitalsignal um, das der Elektronik 34 zuge­führt wird.
  • In gleicher Weise erzeugt der Signalgeber 51 in der Kommu­nikations-Schnittstellenschaltung 50 des Meßumformers 10 unter Steuerung durch die Kommunikations-Elektronik 17 auf der Zweidrahtleitung 11 negativ gerichtete impulsförmige Spannungsänderungen, auf welche der Signalempfänger 42 in der Kommunikationseinheit 20 und der Signalempfänger 62 im Auswertegerät 12 ansprechen, und der Signalgeber 61 in der Kommunikations-Schnittstellenschaltung 60 des Auswer­tegeräts 12 erzeugt unter Steuerung durch die Kommunika­tions-Elektronik 19 auf der Zweidrahtleitung 11 negativ gerichtete impulsförmige Spannungsänderungen, auf welche die Signalempfänger 42, 52 der beiden anderen Kommunika­tions-Schnittstellenschaltungen 40, 50 ansprechen.
  • Somit können alle an die Zweidrahtleitung 11 angeschlosse­nen Einheiten nach Belieben miteinander in Verbindung tre­ten und über die Zweidrahtleitung Informationen austau­schen. Alle Kommunikations-Schnittstellenschaltungen sind in identischer Weise ausgebildet, und jede Schnittstelle kann die von jeder anderen Schnittstelle gesendeten Kommu­nikationssignale empfangen. Nach einer an sich bekannten Technik wird durch geeignete codierte Adressensignale er­reicht, daß jede Teilnehmerstelle nur die für sie bestimm­ten Informationen auswertet. Alle Schnittstellen verwenden für die Erzeugung der Kommunikationssignale die gleiche Energiequelle, nämlich die Spannungsquelle 15 im Auswerte­gerät, und sie erzeugen die Kommunikationssignale in der gleichen Weise, nämlich durch impulsförmige Verringerung der Spannung auf der Zweidrahtleitung. Die Verwendung von Spannungsimpulsen als Kommunikationssignale erlaubt eine klare und eindeutige Unterscheidung von der Meßwertinfor­mation, die durch einen Stromwert dargestellt ist. Die durch die Kommunikationssignale zu übertragenden Informa­tionen (Daten) können z.B. in der Wiederholfrequenz der Spannungsimpulse (Pulsfrequenzmodulation), in codierten Impulsfolgen (Pulscodemodulation) oder auch in einer Kom­bination dieser beiden Modulationsarten enthalten sein.
  • Die Anzahl der Teilnehmerstellen, die auf diese Weise mit­einander in Verbindung treten können, ist nicht beschränkt. Es ist ohne weiteres möglich, mehrere Kommunikationsein­heiten nach Art der Kommunikationseinheit 20 gleichzeitig an die Zweidrahtleitung 11 anzuklemmen. Alle Kommunika­tionseinheiten können dann mit dem Meßumformer 10, mit dem Auswertegerät 12 und miteinander Informationen austauschen. Die Kommunikationseinheiten machen es insbesondere möglich, von jeder beliebigen Stelle aus Abgleich-, Einstell- oder Überprüfungsarbeiten vorzunehmen, ohne daß der normale Betrieb der Meßanordnung dadurch beeinträchtigt wird. Zu­sätzlich ist es möglich, den Betrieb des Meßumformers durch Steuersignale zu beeinflussen, die in Form von Kommunika­tionssignalen vom Auswertegerät kommen, und der Meßumfor­mer kann zum Auswertegerät Datensignale liefern, die es dem Auswertegerät ermöglichen, den Betrieb des Meßumfor­mers zu überwachen. Diese Steuer- und Datensignale können auch von jeder Kommunikationseinheit empfangen werden, die an die Zweidrahtleitung 11 angeklemmt wird.
  • Der in der Meßumformer-Schnittstelle 16 vorhandene Konden­sator 29, der als Energiespeicher wirkt, verhindert in Ver­bindung mit der Diode 27, daß die kurzen, impulsförmigen Spannungsänderungen auf der Zweidrahtleitung 11 den Betrieb des Meßumformers 10 stören.
  • In manchen Fällen kann es als Nachteil angesehen werden, daß der über die Zweidrahtleitung übertragene Meßstrom IM während jedes negativen Spannungsimpulses eines Kommuni­kationssignals unterbrochen ist. Zur Vermeidung dieser Erscheinung ist in der Auswerte-Schnittstelle 18 von Fig. 2 ein Momentanwertspeicher ("sample & hold") 36 vorgesehen, der fortlaufend den Augenblickswert des Meßstroms IM spei­chert, der über die Zweidrahtleitung 11 fließt, wenn keine Kommunikationssignale vorhanden sind. Zur Erfassung des Wertes des Meßstroms IM ist in die Leitung ein Widerstand 37 eingefügt, und die am Widerstand 37 abgegriffene Span­nung wird dem Momentanwertspeicher 36 zugeführt. Der Aus­gang des Momentanwertspeichers 36 ist über einen vom Aus­gang des Signalempfängers 62 der Kommunikations-Schnitt­stellenschaltung 60 gesteuerten Schalter 38 mit einem Stellglied 39 verbunden, das die Einstellung des den Strom­begrenzer 35 bildenden Konstantstromgenerators beeinflußt. Der Schalter 38 wird bei jedem Empfang eines Spannungsim­pulses geschlossen, und das Stellglied 39 stellt dann den vom Strombegrenzer 35 bestimmten Stromwert auf den im Momentantwertspeicher 36 abgespeicherten Stromwert ein. Somit fließt während jedes Spannungsimpulses über den Wi­derstand 33 der gleiche Strom wie vor dem Eintreffen des Spannungsimpulses. Da sich der Meßstrom IM in der Regel nur langsam ändert, wird die Anzeige durch die kurzzeiti­gen Überbrückungen nicht merklich verfälscht.
  • Die anhand von Fig. 2 beschriebene Signalübertragung benötigt ein Minimum an Bauteilen für die Signalerzeu­gung und den Signalempfang. Ferner ist wegen des hohen Signalpegels mit relativ geringer Störanfälligkeit zu rechnen. Schließlich ist die Signalübertragung durch Verringerung der normalen Spannung besonders für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen vorteilhaft, wo eine Signalübertragung durch impulsförmige Spannungs­erhöhungen Probleme verursachen kann.

Claims (7)

1. Anordnung zur Signalübertragung in einer Meßanord­nung mit einem Meßumformer, der mit einem entfernt davon angeordneten Auswertegerät durch eine Zweidrahtleitung verbunden ist, über die einerseits die für den Betrieb des Meßumformers erforderliche Gleichstromenergie vom Auswertegerät zum Meßumformer und andrerseits das die Meßgröße darstellende Meßwertsignal vom Meßumformer zum Auswertegerät übertragen werden, wobei der Meßumformer mit der Zweidrahtleitung über eine Meßumformer-Schnitt­stelle verbunden ist, welche die vom Meßumformer benötig­te Gleichstromenergie aus der Zweidrahtleitung entnimmt und das Meßwertsignal an die Zweidrahtleitung anlegt, und wobei das Auswertegerät mit der Zweidrahtleitung über eine Auswerte-Schnittstelle verbunden ist, die zum Anle­gen der Versorgungsgleichspannung an die Zweidrahtleitung und zum Empfang des über die Zweidrahtleitung übertragenen Meßwertsignals ausgebildet ist, und mit wenigstens einer Kommunikationseinheit, die über eine Kommunikations-­Schnittstelle parallel zum Meßumformer an die Zweidraht­ leitung anschließar ist, wobei in der Meßumformer-­Schnittstelle, in der Auswerte-Schnittstelle und in jeder Kommunikations-Schnittstelle jeweils eine Kommunikations-­Schnittstellenschaltung vorhanden ist, die einen Signal­geber zum Senden eines vom Meßwertsignal unterscheidbaren Kommunikationssignals über die Zweidrahtleitung und einen Signalempfänger zum Empfang der von anderen Kommunika­tions-Schnittstellenschaltungen kommenden Kommunikations­signale enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal­geber jeder Kommunikations-Schittstellenschaltung zur impulsförmigen Verringerung der Versorgungsgleichspannnung auf der Zweidrahtleitung gemäß einer das Kommunikations­signal darstellenden Pulsmodulation ausgebildet ist, und daß der Signalempfänger jeder Kommunikations-Schnittstel­lenschaltung auf die impulsförmigen Spannungsänderungen auf der Zweidrahtleitung anspricht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber jeder Kommunikations-Schnittstelle einen die Zweidrahtleitung überbrückenden Nebenschluß­zweig enthält, in dem ein entsprechend der Pulsmodulation des zu sendenden Kommunikationssignals betätigter Schal­ter liegt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußzweig des Signalgebers bei geschlosse­nem Schalter im wesentlichen den Widerstand Null hat, so daß die Zweidrahtleitung durch das Schließen des Schal­ters kurzgeschlossen ist und die Spannung auf der Zwei­drahtleitung im wesentlichen auf Null gebracht ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußzweig des Signalgebers bei geschlosse­nem Schalter einen von Null verschiedenen Widerstand hat, so daß die Spannung auf der Zweidrahtleitung durch das Schließen des Schalters auf einen vorgegebenen konstanten Wert verringert wird.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerte-Schnittstelle ein Strombegrenzer in Reihe mit der Versorgungs-Gleichspan­nungsquelle angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, bei welcher der Meßumset­zer den zu übertragenden Meßwert in einen zweischen zwei Grenzwerten veränderlichen Meßwert-Gleichstrom umsetzt, der den Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtlei­tung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aus­werte-Schnittstelle ein Momentanwertspeicher vorgesehen ist, der fortlaufend den Augenblickswert des bei fehlen­dem Kommunikationssignal auf der Zweidrahtleitung fließen­den Gesamtstroms speichert, und daß der Strombegrenzer einstellbar ist und bei jedem Empfang eines von einem Signalgeber auf der Zweidrahtleitung erzeugten Spannungs­impulses so eingestellt wird, daß er den über die Zwei­drahtleitung fließenden Strom auf den im Momentanwert­speicher festgehaltenen Stromwert begrenzt.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßumsetzer-Schnittstelle einen die Auswirkungen von Spannungsänderungen auf der Zweidrahtleitung auf die Energieversorgung unterdrücken­den Spannungsregler oder Energiespeicher enthält.
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