EP1103038B1

EP1103038B1 - Schaltungsanordnung zur messwerterfassung, -übertragung und -auswertung

Info

Publication number: EP1103038B1
Application number: EP00943787A
Authority: EP
Inventors: Wilhelm Florin
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: BR0006657A; CN1313978A; CN1171186C; DK1103038T3; WO2000075904A1; CZ2001459A3; DE19925943A1; US6577989B2; US20010016802A1; JP4541615B2; JP2003501761A; EP1103038A1

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine Schaltungsanordnung zur Messwerterfassung, -übertragung und -auswertung, mit einem Messwerterfassungsteil (1), mit einem Messwertauswertungsteil (2) und mit einer nur aus einer Hinleitung (3) und aus einer Rückleitung (4) bestehenden Verbindung (5) zwischen dem Messwerterfassungsteil (1) und dem Messwertauswertungsteil (2), wobei das Messwerterfassungsteil (1) einen Messwertaufnehmer (6), eine Messwandlerschaltung (7), einen der Messwandlerschaltung (7) vorgeschalteten Schaltregler (8) und einen dem Schaltregler (8) vorgeschalteten Stromsteller (9) aufweist, wobei das Messwertauswertungsteil (2) eine Spannungsquelle (10) und eine Auswerteschaltung (11) aufweist und wobei der Schaltregler (8) eine konstante Betriebsspannung für die Messwandlerschaltung (7) liefert und der Stromsteller (9), gesteuert von der Messwandlerschaltung (7), einen den Messwert repräsentierenden, über die Hinleitung (3) und die Rückleitung (4) fliessenden Messwert- und Versorgungsstrom einstellt. Erfindungsgemäss ist die der Messwandlerschaltung (7) zur Verfügung stehende Leistung optimiert, und zwar dadurch, dass die Stromaufnahme der Messwandlerschaltung (7) steuerbar ist und so gesteuert wird, dass der Spannungsabfall über dem Stromsteller (9) so klein wie möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Meßwerterfassung, -übertragung und -auswertung, mit einem Meßwerterfassungsteil, mit einem Meßwertauswertungsteil und mit einer nur aus einer Hinleitung und aus einer Rückleitung bestehenden Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil, wobei das Meßwerterfassungsteil einen Meßwertaufnehmer, eine Meßwandlerschaltung, einen der Meßwandlerschaltung vorgeschalteten Schaltregler und einen dem Schaltregler vorgeschalteten Stromsteller aufweist, wobei das Meßwertauswertungsteil eine Spannungsquelle und eine Auswerteschaltung aufweist und wobei der Schaltregler eine konstante Betriebsspannung für die Meßwandlerschaltung liefert und der Stromsteller, gesteuert von der Meßwandlerschaltung, einen den Meßwert repräsentierenden, über die Hinleitung und die Rückleitung fließenden Meßwertund Versorgungsstrom einstellt, die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung steuerbar ist und durch eine kurzzeitige Verringerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung so gesteuert wird, daß der Spannungsabfall über dem Stromsteller so klein wie möglich ist und wobei parallel zum Eingang des Schaltreglers ein Kondensator geschaltet ist.
Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art sind vielfach bekannt (vgl, z. B. die deutsche Patentschrift 39 34 007 , die europäische Offenlegungsschrift 0 744 724 , die deutsche Offenlegungsschrift 197 23 645 und insbesondere die US 5,416,723 A ), Für diese Schaltungsanordnungen ist wesentlich, daß die Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil nur aus zwei Leitungen besteht und daß über diese beiden Leitungen ein Strom fließt, der sowohl den Meßwert repräsentiert als auch der leistungsmäßigen Versorgung des Meßwerterfassungsteils dient; der über die beiden Leitungen fließende Strom ist folglich einleitend mit Meßwert- und Versorgungsstrom bezeichnet worden.
Häufig sind Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art so konzipiert und ausgelegt, daß es sich bei der in dem Meßwertauswertungsteil befindenden Spannungsquelle um eine Gleichspannungsquelle handelt, der Meßwert- und Versorgungsstrom also ein Gleichstrom ist. Diese Schaltungsanordnungen sind auch häufig so konzipiert und ausgelegt, daß der Meßwert- und Versorgungsstrom zwischen einem unteren Grenzwert, nämlich 4 mA, und einem oberen Grenzwert, nämlich 20 mA, den Meßwert repräsentiert; der untere Grenzwert von 4 mA repräsentiert also den kleinsten Meßwert, der obere Grenzwert von 20 mA den größten Meßwert (vgl. die deutsche Patentschrift 39 34 007 , Seite 2, Zeilen 19 bis 24).
Nachfolgend wird immer davon ausgegangen, daß es sich bei der in Rede stehenden Schaltungsanordnung um eine solche handelt, bei der die in dem Meßwertauswertungsteil vorgesehene Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, der Meßwert- und Versorgungsstrom also ein Gleichstrom ist. Das ist auch der Grund dafür, daß bereits einleitend die Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil als aus einer Hinleitung und aus einer Rückleitung bestehend beschrieben worden ist. Nachfolgend wird im übrigen immer von der technischen Stromrichtung ausgegangen; in einem an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Stromkreis fließt also der Gleichstrom vom Pluspol der Gleichspannungsquelle über den Stromkreis zum Minuspol der Gleichspannungsquelle.
Der Teil der in Rede stehenden Schaltungsanordnung, der zuvor und nachfolgend mit Meßwerterfassungsteil bezeichnet ist, wird auch als Sendestation (vgl. die deutsche Patentschrift 39 34 007 ) oder als Geberstelle (vgl. die europäische Offenlegungsschrift 0 744 724 und die deutsche Offenlegungsschrift 197 23 645 ) bezeichnet, während der hier als Meßwertauswertungsteil bezeichnete Teil der in Rede stehenden Schaltungsanordnung auch als Empfangsstation (vgl. die deutsche Patentschrift 39 34 007 ) oder als Empfangsstelle (vgl. die europäische Offenlegungsschrift 0 744 724 und die deutsche Offenlegungsschrift 197 23 645 ) bezeichnet wird. Die nach der hier verwendeten Terminologie aus einer Hinleitung und aus einer Rückleitung bestehende Verbindung zwischen dem Meßwerterfassungsteil und dem Meßwertauswertungsteil wird auch als Zweidrahtleitung bezeichnet (vgl. die deutsche Patentschrift 39 34 007 , die europäische Offenlegungsschrift 0 744 724 und die deutsche Offenlegungsschrift 197 23 645 ).
Da bei den hier in Rede stehenden Schaltungsanordnungen der - den Meßwert repräsentierende - Meßwertstrom - wie dargestellt, in der Regel zwischen 4 mA und 20 mA liegend - auch der Versorgungsstrom für den Meßwerterfassungsteil ist, ist die dem Meßwerterfassungsteil zur Verfügung stehende elektrische Leistung durch den unteren Grenzwert des Meßwert- und Versorgungsstroms, in der Regel also durch 4 mA, begrenzt, - was häufig problematisch ist (vgl. die deutsche Patentschrift 39 34 007 , Seite 2. Zeilen 25 bis 42).
Bei der in Rede stehenden Schaltungsanordnung ist die Meßwandlerschaltung - mit dem dazu gehörenden Meßwertaufnehmer - der eigentlich funktionswichtigste Teil. Bei der in Rede stehenden Schaltungsanordnung kann es zu einem Betriebszustand kommen, bei dem der Messwert- und Versorgungsstrom nicht dem Messwert proportional eingestellt werden kann. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die die zuvor beschriebene Problematik nicht aufweist.
Erfindungsgemäß ist die zuvor aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein, von der Meßwandlerschaltung gesteuerter, nur bei Bedarf aktivierter zweiter Stromsteller vorgesehen ist und der zweite Stromsteller mit seinem Eingang mit dem Eingang des ersten Stromstellers und mit seinem Ausgang mit der Rückleitung verbunden ist. Daß und warum mit dieser Maßnahme die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst ist, wird im folgenden anhand einer Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung,
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 3 bis 6: graphische Darstellungen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnungen sind bestimmt und geeignet zur Meßwerterfassung, -übertragung und -auswertung und bestehen in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Meßwerterfassungsteil 1, aus einem Meßwertauswertungsteil 2 und aus einer - nur aus einer Hinleitung 3 und aus einer Rückleitung 4 bestehenden - Verbindung 5 zwischen dem Meßwerterfassungsteil 1 und dem Meßwertauswertungsteil 2.
Wie die Fig 1 und 2 zeigen, gehören zu dem Meßwerterfassungsteil 1 ein nur angedeuteter Meßwertaufnehmer 6, eine Meßwandlerschaltung 7, ein der Meßwandlerschaltung 7 vorgeschalteter Schaltregler 8 und ein dem Schaltregler 8 vorgeschalteter Stromsteller 9. Zu dem Meßwertauswertungsteil 2 gehören eine Spannungsquelle 10 und eine Auswerteschaltung 11. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind noch zwei Widerstände 12, 13 vorgesehen. Die Auswerteschaltung 11 liegt parallel zum Widerstand 13; der Auswerteschaltung 11 wird also der am Widerstand 13 entstehende, dem Meßwert- und Versorgungsstrom proportionale Spannungsabfall zugeführt.
Der Schaltregler 8 liefert eine - zumindest im wesentlichen - konstante Betriebsspannung für die Meßwandlerschaltung 7. (Dazu, was ein Schaltregler ist und wie ein Schaltregler arbeitet, wird verwiesen auf die deutsche Patentschrift 39 34 007 , Seite 3, Zeile 64, bis Seite 4, Zeile 45, sowie auf die Literaturstellen Tietze . Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 10. Auflage, Springer-Verlag, Abschnitte 18.5 "Schaltnetzgeräte", 18.6 "Sekundär getaktete Schaltregler" und 18.7 "Primär getaktete Schaltregler", Seiten 565 bis 586, und "Lexikon Elektronik und Mikroelektronik", VDI-Verlag, Seite 733). Nachfolgend wird immer von einem idealen Schaltregler ausgegangen, d. h. von einem Schaltregler, der keine Verlustleistung hat und dessen Ausgangsspannung konstant ist.
Der Stromsteller 9 wird von der Meßwandlerschaltung 7 gesteuert. Durch den Stromsteller 9 wird ein den Meßwert repräsentierender, über die Hinleitung 3 und die Rückleitung 4 fließender Meßwert- und Versorgungsstrom eingestellt. (Das hier mit Stromsteller bezeichnete Schaltungsteil wird auch als steuerbare Stromquelle bezeichnet, so jedenfalls in der europäischen Offenlegungsschrift 0 744 724 und in der deutschen Offenlegungsschrift 127 23 645 . Statt des Ausdrucks Stromsteller wird auch der Ausdruck Stromregler verwendet.)
Bei den dargestellten und beschriebenen Schaltungsanordnungen sind die Spannungsquelle 10, der Widerstand 12, die Hinleitung 3, der Stromsteller 9, die Primärseite des Schaltreglers 8, die Rückleitung 4 und der Widerstand 13 in Reihe geschaltet; sie bilden einen ersten Stromkreis. Die Sekundärseite des Schaltreglers 8 und die Meßwandlerschaltung 7 bilden einen zweiten Stromkreis.
In den Fig. 1 und 2 ist noch ein den Widerstand der Hinleitung 3 verkörpernder Widerstand 14 und ein den Widerstand der Rückleitung 4 verkörpernder Widerstand 15 dargestellt.
Nachfolgend werden bezeichnet

mit U₁ die Spannung der Spannungsquelle 10,
mit U₂ die Spannung am "Eingang" der aus der Hinleitung 3 und der Rückleitung 4 bestehenden Verbindung 5 zwischen dem Meßwertauswertungsteil 2 und dem Meßwerterfassungsteil 1,
mit U₃ die Spannung am Eingang des Meßwerterfassungsteils 1,
mit U₄ die Spannung am Eingang des Schaltreglers 8,
mit U₅ die Spannung am Ausgang des Schaltreglers 8, die gleich der Spannung am Eingang der Meßwandlerschaltung 7 ist,
mit I₁ der durch das Meßwertauswertungsteil 2 fließende Strom,
mit I₂ der über die Hinleitung 3 und über die Rückleitung 4 fließende Strom,
mit I₃ der durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließende Strom,
mit I₄ der primärseitig durch den Schaltregler 8 fließende Strom und
mit I₅ der sekundärseitig durch den Schaltregler 8 und durch die Meßwandlerschaltung 7 fließende Strom.

Mit dieser Festlegung gilt dann folgendes:

Die Leistung P₁, die die Spannungsquelle 10 im Meßwertauswertungsteil 2 zur Verfügung stellt, ist gegeben durch folgende Gleichung: $P_{1} = U_{1} \cdot I_{1}$
Setzt man R₁₂ für den Wert des Widerstandes 12 und R₁₃ für den Wert des Widerstandes 13, so gilt dann für die Verlustleistung P_V,₁ innerhalb des Meßwertauswertungsteils 2: $P_{V, 1} = {I_{1}}^{2} \cdot (R_{12} + R_{13})$
Setzt man R₁₄ für den Wert des Widerstandes 14 der Hinleitung 3 und R₁₅ für den Wert des Widerstandes 15 der Rückleitung 4, so gilt für die Verlustleistung P_V,₂ auf der Verbindung 5 zwischen dem Meßwertauswertungsteil 2 und dem Meßwerterfassungsteil 1: $P_{V, 2} = {I_{2}}^{2} \cdot (R_{14} + R_{15})$
Die Leistung P₃, die für das Meßwerterfassungsteil 1 zur Verfügung steht, ist durch die Spannung U₁ der Spannungsquelle 10, die Widerstände R₁₂, R₁₃, R₁₄ und R₁₅ sowie durch den aktuellen Meßwert- und Versorgungsstrom vorgegeben; für die Leistung P₃ gilt: $P_{3} = P_{1} - P_{V, 1} - P_{V, 2} = U_{3} \cdot I_{3}$
Für die Spannung U₃ am Meßwerterfassungsteil 1 gilt: $U_{3} = U_{1} - I_{1} \cdot (R_{12} + R_{13}) - I_{2} \cdot (R_{14} + R_{15})$
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, gilt weiter für die Ströme I₃, I₂ und I₁: $I_{3} = I_{2} = I_{1}$
Damit gilt für die Spannung U₃ am Meßwerterfassungsteil 1: $U_{3} = U_{1} - I_{3} \cdot (R_{12} + R_{13} + R_{14} + R_{15})$
Für die Leistung P₃, die für das Meßwerterfassungsteil 1 zur Verfügung steht, gilt: $P_{3} = U_{1} \cdot I_{3} - {I_{3}}^{2} \cdot (R_{12} + R_{13} + R_{14} + R_{15})$

Die für das Meßwerterfassunasteil 1 zur Verfügung stehende Leistung P₃ ist damit vom Meßwert, nämlich vom Meßwert- und Versorgungsstrom I₃, abhängig. Bei einem kleinen Meßwert, wenn der Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ z. B. 4 mA beträgt, steht folglich weniger Leistung zur Verfügung als bei einem großen Meßwert, wenn der Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ z. B. 20 mA beträgt. Es ist nun dafür gesorgt, daß von der dem Meßwerterfassungsteil 1 zur Verfügung stehenden Leistung P₃ ein möglichst großer Anteil der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht, - was sich aus folgendem ergibt:

Für den Stromsteller 9 gilt: $I_{3} = I_{4}$

und $U_{3} > U_{4}$
Für die Verlustleistung P_V,₃ im Stromsteller 9 gilt: $P_{V, 3} = I_{3} \cdot U_{3} - I_{4} \cdot U_{4} = I_{3} \cdot (U_{3} - U_{4})$
Da vorausgesetzt ist, daß der Schaltregler 8 keine Verlustleistung hat, gilt am Schaltregler 8 für die eingangsseitige Leistung P₄ und für die ausgangsseitige Leistung P₅, die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht: $P_{4} = U_{4} \cdot I_{4} = P_{5} = U_{5} \cdot I_{5}$
Betrachtet man die Leistung P₅, die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht, so gilt: $P_{5} = P_{3} - I_{3} \cdot (U_{3} - U_{4}) = P_{3} - I_{3} \cdot U_{3} + I_{3} \cdot U_{4}$

Die Gleichung 13 zeigt, daß sich die Leistung P₅, die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung steht, durch eine möglichst große Spannung U₄ optimieren läßt. Da die Spannung U₄ nicht größer als die Spannung U₃ werden kann, muß die Differenz zwischen der Spannung U₃ und der Spannung U₄ so klein wie möglich sein. "So klein wie möglich" - statt "Null" - berücksichtigt, daß der Stromsteller 9 funktionsnotwendig, um, gesteuert von der Meßwandlerschaltung 7, einen den Meßwert repräsentierenden Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ einstellen zu können, eine minimale Differenz zwischen der Spannung U₃ und der Spannung U₄ benötigt.
Da voraussetzungsgemäß der Schaltregler 8 keine Verlustleistung hat, die primärseitige Leistung P₄ also gleich der sekundärseitigen Leistung P₅ ist, da der primärseitige Strom I₄ des Schaltreglers 8 im stationären Zustand vorgegeben ist, nämlich gleich dem durch die Meßwandlerschaltung 7 vorgegebenen Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ ist, und da die sekundärseitige Spannung U₅ des Schaltreglers 8 konstant ist, führt eine kurzzeitige Verringerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7, also eine kurzzeitige Verringerung des durch die Meßwandlerschaltung 7 und sekundärseitig durch den Schaltregler 8 fließenden Stromes I₅, zu einer Erhöhung der Spannung U₄ auf der Primärseite des Schaltreglers 8, da der Strom I₃, nun größer als der Strom I₄, nicht mehr vom Schaltregler 8 aufgenommen werden kann. Über die Differenz der Ströme I₃ und I₄ - nämlich I₃ - 14 > 0 - wird eine fiktive Kapazität aufgeladen und die Spannung U₄ steigt. Sobald die Spannung U₄ die gewünschte Größe - "so groß wie möglich" - erreicht hat, muß der Stromverbrauch der Meßwandlerschaltung 7 wieder so erhöht werden, daß der Strom I₃ gleich dem Strom I₄ ist, Da jetzt die Spannung U₄ aber größer ist als vorher, ist jetzt auch die Leistung P₄ = U₄ - I₄ größer als vorher. Da die Spannung U₅ am Ausgang des Schaltreglers 8 konstant ist, wird auch der Strom I₅ größer als vorher, folglich auch die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung stehende Leistung P₅ = U₅ · I₅, Damit ist gezeigt, daß die Maßnahme, die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7 so zu steuern, daß der Spannungsabfall über dem Stromsteller 9, also die Differenz zwischen der Spannung U₃ und der Spannung U₄, so klein wie möglich ist, zu einer Optimierung der der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung stehenden Leistung P₅ führt.
In den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist angedeutet, daß der Schaltregler 8 eingangsseitig einen Kondensator 16 aufweist. Ein solcher Schaltregler 8 ist beispielsweise der Schaltregler LT 1176-5 der Firma Linea Technology. Der Kondensator 16 vereinfacht die Steuerung der Spannung U₄, da hierdurch die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung U₄ bei einer Einstellung von I₃ ungleich I₄ stark reduziert werden kann.
Ist, wie das für die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele gilt, der Schaltregler 8 eingangsseitig mit einem Kondensator 16 versehen, kann es zu einem Betriebszustand kommen, bei dem der Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ nicht dem Meßwert proportional eingestellt werden kann:

Ausgehend von einem kleinen Meßwert und damit einem kleinen Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ von z. B. 4 mA, stellt sich ein relativ großer Wert für die Spannung U₄ ein, da die Spannung U₃ auch relativ groß ist, - weil die Spannungsabfälle an den Widerständen 12, 13, 14 und 15 relativ gering sind. Ergibt sich nun sprunghaft ein relativ großer Meßwert und soll folglich ein relativ großer Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ eingestellt werden, z. B. 20 mA, so ist das dann nicht möglich, wenn die durch den Kondensator 16 gepufferte Spannung U₄ größer ist als die Spannung U₃, die sich wegen der relativ großen Spannungsabfälle an den Widerständen 12, 13, ₁₄ und 15 einstellen müßte. Da der Stromsteller 9 nur arbeiten kann, wenn die Spannung U₃ größer ist als die Spannung U₄, kann der dem großen Meßwert entsprechende Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ von 20 mA nicht eingestellt werden.

Zur Lösung des zuvor aufgezeigten Problems ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein zweiter, von der Meßwandlerschaltung 7 gesteuerter, nur bei Bedarf aktivierter Stromsteller 17 vorgesehen, der mit seinem Eingang mit dem Eingang des ersten Stromstellers 9 und mit seinem Ausgang mit der Rückleitung 4 verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel setzt sich der Meßwert- und Versorgungsstrom I₃, der dem Meßwert proportional sein soll, zusammen aus dem Strom I₄ über den ersten Stromsteller 9 und dem Strom I₆ über den zweiten Stromsteller 17. Folglich läßt sich auch bei dem zuvor beschriebenen Betriebszustand der geforderte Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ einstellen.
Bei dem zuvor beschriebenen, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung trägt der Strom I₆ über den zweiten Stromsteller 17 nicht zur Leistung P₅ für die Meßwandlerschaltung 7 bei; der Strom I₆ über den zweiten Stromsteller 17 ist also im Prinzip unerwünscht. Folglich wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der hier zusätzlich vorgesehene zweite Stromsteller 17 nur "bei Bedarf" aktiviert, nämlich nur dann und nur solange, wie das zuvor aufgezeigte Problem existent ist.
Im übrigen kann, was in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt ist, die Meßwandlerschaltung 7 zur Steuerung ihrer Stromaufnahme oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers 17 parametrierbar sein, z. B. über die Spannung U₁ der Spannungsquelle 10 oder/und über die Widerstände 12 und 13 in dem Meßwertauswertungsteil 2 oder/und über die Widerstände 14, 15 der Hinleitung 3 oder/und der Rückleitung 4 oder/und über die Kapazität des dem Eingang des Schaltreglers 8 parallel geschalteten Kondensators 16. Auch besteht die Möglichkeit, den Spannungsabfall über dem ersten Stromsteller 9, z. B. über einen nicht dargestellten A/D-Wandler, zur Steuerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7 oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers 17 in die Meßwandlerschaltung 7 einzuführen.
Nunmehr soll die Erfindung nochmals anhand der graphischen Darstellungen in den Fig. 3 bis 6 erläutert werden:

Zunächst soll die Spannung U₃ am Eingang des Meßwerterfassungsteils 1, also die Spannung U₃ am Eingang des Stromreglers 9, betrachtet werden. Diese hängt von der Spannung U₁ der Spannungsquelle 10, der Summe der Widerstände 12, 13, 14 und 15 sowie dem durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließenden Strom I₃ ab. In der Praxis können sich hier sehr unterschiedliche Charakteristiken durch unterschiedliche Meßwertauswertungsteile 2 und unterschiedliche Verbindungen 5 zwischen dem Meßwerterfassungsteil 1 und dem Meßwertauswertungsteil 2 ergeben. Diese sind bei der Auslieferung des Meßwerterfassungsteils 1 nicht bekannt; das Meßwerterfassungsteil 1 muß sich daher auf die vorgefundenen Verhältnisse automatisch adaptieren.

In der Fig. 3 sind Kennlinien dargestellt, die die Spannung U₃ am Eingang des Stromreglers 9 in Abhängigkeit von dem durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließenden Strom I₃ zeigen. Dabei liegen zugrunde
der Kennlinie a eine Spannung U₁ von 24 V und ein Widerstand der Verbindung 5 von 300 Ω,
der Kennlinie b eine Spannung U₁ von 24 V und ein Widerstand der Verbindung 5 von 50 Ω und
der Kennlinie c eine Spannung U₁ von 17 V und ein Widerstand der Verbindung 5 von 50 Ω.
Die Kennlinie a - für eine Spannung U₁ von 24 V und einen Widerstand der Verbindung von 300 Ω - ist besonders verbreitet, da diese Kennlinie den Anforderungen der Eigensicherheit bei Explosionsschutz entspricht.
Idealerweise liegt die Spannung U₄ am Ausgang des Stromreglers 9 um ein Volt unter der Spannung U₃ am Eingang des Stromreglers 9. Die entsprechende Kennlinie d ist in Fig. 4 - zusammen mit der Kennlinie a aus Fig. 3 - dargestellt.
Der Stromregler 9 ist auch notwendig, weil der durch die Meßwandlerschaltung 7 fließende Strom I₅ nicht so genau gesteuert werden kann, wie dies für den den Meßwert darstellenden Strom I₃ erforderlich ist.
Wie bereits ausgeführt, wird der Stromsteller 9 von der Meßwandlerschaltung 7 so gesteuert, daß er einen den Meßwert repräsentierenden, über die Verbindung 5 fließenden Meßwert- und Versorgungsstrom einstellt, den Strom I₃. Dazu weist die Meßwandlerschaltung 7 einen im einzelnen nicht dargestellten Mikrokontroller 18 auf, der auch von dem durch das Meßwerterfassungsteil 1 fließenden Strom I₃ versorgt wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist verwendbar für eine Vielzahl von ganz unterschiedlichen Meßwertaufnehmern 6. Der Meßwertaufnehmer 6 kann z. B. zur Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits-, Füllstands- oder Durchflußerfassung ausgelegt sein. Insbesondere kann der Meßwertaufnehmer 6 getaktet betrieben werden, wodurch die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung 7 insgesamt beeinflußt werden kann. Ein solcher taktweiser Betrieb ist z. B. bei einem magnetisch-induktiven Durchflußmesser bekannt (vgl. die USA-Patentschrift 4,766,770 ); auch ein Mikrowellenradar als Meßwertaufnehmer 6 kann getaktet betrieben werden.
Weist der durch die Meßwandlerschaltung 7 fließende Strom I₅ eine pulsartige Charakteristik auf, so muß der Stromsteller 9 für eine Glättung sorgen; eine pulsartige Charakteristik des Stromes I₃, also des den Meßwert repräsentierenden Meßwert- und Versorgungsstroms, ist nämlich nicht erwünscht. Das Ausmaß der notwendigen Glättung bestimmt auch den für den Betrieb notwendigen Spannungsabfall über dem Stromsteller 9, also die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung U₃ und der Spannung U₄.
Die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorliegende Problematik wird besonders deutlich, wenn man zwei Extremfälle betrachtet, einerseits den Extremfall, daß sich der Meßwert schlagartig von 100 % auf 0 % ändert, andererseits den Extremfall, daß sich der Meßwert schlagartig von 0 % auf 100 % ändert. Diesen Extremfällen gleichgestellt sind die sogenannten Ausfallinformationen, die durch einen Strom I₃ charakterisiert sind, der entweder kleiner als 3,6 mA oder größer als 21 mA ist. Dazu wird verwiesen auf die NAMUR-Empfehlung NE 43 "Vereinheitlichung des Signalpegels für die Ausfallinformation von Digitalen Meßumformern mit analogem Ausgangssignal", Version: 18.01 1994, Erstausgabe: 18.01.1994, vertrieben durch die NAMUR-Geschäftsstelle, c/o Bayer AG, Gebäude K 9, 51368 Leverkusen.
Für den ersten Extremfall, bei dem sich der Meßwert schlagartig von 100 % auf 0 % ändert, wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung in Fig. 5, die zunächst die Kennlinien a und d zeigt, in der darüber hinaus Arbeitspunkte 1, 2 und 3 eingezeichnet sind.
Ausgegangen wird vom Arbeitspunkt 1. Durch den Stromsteller 9 kann sich der Strom I₃ schlagartig ändern. Wegen des Kondensators 16 kann sich jedoch die Spannung U₄ nicht schlagartig ändern. Es ergibt sich also eine Verschiebung vom Arbeitspunkt 1 zum Arbeitspunkt 2.
Geht man von einem idealen Schaltregler 8 aus, also einem solchen, der keine Verlustleistung hat, dann ergibt sich für die der Meßwandlerschaltung 7 zur Verfügung stehende Leistung (siehe die Gleichung 12): $P_{5} = P_{4} = U_{4} \cdot I_{4} = 17 V . 4 mA = 68 mW .$
Erwünscht ist jedoch der Arbeitspunkt 3. Dort würde die folgende Leistung zur Verfügung stehen: $P_{5} = P_{4} = U_{4} \cdot I_{4} = 21, 8 V . 4 mA = 87, 2 mW .$
Nimmt man für die Spannung U₅, also die Spannung am Ausgang des Schaltreglers 8, die gleich der Spannung am Eingang der Meßwandlerschaltung 7 ist, einen konstanten Wert von z. B. 5 V an, so ergibt sich bei den beiden zuvor errechneten Leistungen für den Strom I₅ folgendes: $I_{5} = P_{5} = U_{5} = 68 mW : 5 V = 13, 6 mA$

bzw. $I_{5} = P_{5} = U_{5} = 87, 2 mW : 5 V = 17, 4 mA .$
Man erreicht jetzt vom Arbeitspunkt 2 aus den Arbeitspunkt 3, jedoch nicht durch eine Erhöhung des Stromes I₅. Der Strom I₄ würde sofort größer als der Strom I₃, und es würde aus dem Kondensator 16 Ladung entnommen. Dies wiederum würde zu einer Reduzierung der Spannung U₄ und damit zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes 2 in die nicht erwünschte Richtung gehen, nämlich zu einer kleineren Spannung U₄. Der erwünschte Arbeitspunkt 3 wird erreicht, wenn der Strom I₅ reduziert wird. Der Strom I₄ wird sofort kleiner als der Strom I₃. Der Kondensator 16 am Eingang des Schaltreglers 8 wird aufgeladen und die Spannung U₄ erhöht sich.
Für den zweiten Extremfall, bei dem sich der Meßwert schlagartig von 0 % auf 100 % ändert, wird Bezug genommen auf die graphische Darstellung in Fig. 6, die, wie die Fig. 5, die Kennlinien a und d zeigt, in der darüber hinaus Arbeitspunkte 1, 2 und 3 eingezeichnet sind.
Wie in dem ersten Extremfall ist auch in dem zweiten Extremfall eine schlagartige Änderung der Spannung U₄, also eine schlagartige Änderung der Spannung am Eingang des Schaltreglers 8 nicht möglich. Der Stromsteller 9 ist nun nicht in der Lage, den dem Meßwert 100 % zukommenden Strom I₃ einzustellen, da selbst dann, wenn die Spannung U₄ gleich der Spannung U₃ würde, am Stromsteller 9 also kein Spannungsabfall entstehen würde, das Meßwertauswertungsteil 2 über die Verbindung 5 den entsprechenden Strom nicht liefern kann; der Arbeitspunkt 2 ist also kein möglicher Arbeitspunkt.
Um nun den zweiten Extremfall beherrschen zu können, ist der in Fig. 2 dargestellte zweite Stromsteller 17 erforderlich, der den entsprechenden Strom I₃, vorliegend also 20 mA, einstellen kann. Mit dem zusätzlichen Stromsteller 17 ist also der Arbeitspunkt 3 möglich. Der zweite Stromsteller 17 ist also nicht unbedingt notwendig, sondern nur dann, wenn die Spannung U₄ nicht mit derselben Änderungsgeschwindigkeit reduziert werden kann, wie sich der Meßwert ändern kann.
Für die in dem Mikrokontroller 18 bzw. mit dem Mikrokontroller 18 realisierte Regelung gilt nun folgendes:

Vorrangige Regelung: $I_{3} = 4 mA + M \cdot 16 mA,$

wobei sich M als Faktor für den Meßwert von 0 bis 1 ändert.

Wenn die Spannung U₄ gleich der Spannung U₃ wird, geht die Regelung automatisch vom Stromsteller 9 auf den zweiten Stromsteller 17 über. Dies kann über den Mikrokontroller 18 oder durch eine entsprechende Hardware erfolgen.
Nachrangige Regelung: $U_{4} = U_{3} - U_{reserve};$
Ist die Spannung U_reserve zu groß, wird der Strom I₅ reduziert, ist die Spannung Ureserve zu klein, wird der Strom I₅ erhöht.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Verbindung mit einer als Gleichspannungsquelle ausgeführten Spannungsquelle 10 im Meßwertauswertungsteil 2 beschrieben worden ist, der Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ also als Gleichstrom vorliegt. Die Lehre der Erfindung läßt sich jedoch ohne weiteres auch auf Ausführungsformen anwenden, bei denen als Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle verwendet wird und folglich der Meßwert- und Versorgungsstrom I₃ als Wechselstrom vorliegt.
Schließlich wird noch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das, was zuvor in Verbindung mit den Fig. 3 bis 6 erläutert worden ist, auch zur Erfindung gehört bzw. auch erfindungswesentlich ist. Soweit die Patentansprüche dies nicht vollständig oder nicht enthalten, bleibt vorbehalten, die Patentansprüche entsprechend zu ergänzen.

Claims

Schaltungsanordnung zur Meßwerterfassung, -übertragung und -auswertung, mit einem Meßwerterfassungsteil (1), mit einem Meßwertauswertungsteil (2) und mit einer nur aus einer Hinleitung (3) und aus einer Rückleitung (4) bestehenden Verbindung (5) zwischen dem Meßwerterfassungsteil (1) und dem Meßwertauswertungsteil (2), wobei das Meßwerterfassungsteil (1) einen Meßwertaufnehmer (6), eine Meßwandlerschaltung (7), einen der Meßwandlerschaltung (7) vorgeschalteten Schaltregler (8) und einen dem Schaltregler (8) vorgeschalteten Stromsteller (9) aufweist, wobei das Meßwertauswertungsteil (2) eine Spannungsquelle (10) und eine Auswerteschaltung (11) aufweist, wobei der Schaltregler (8) eine konstante Betriebsspannung für die Meßwandlerschaltung (7) liefert und der erste Stromsteller (9), gesteuert von der Meßwandlerschaltung (7), einen den Meßwert repräsentierenden, über die Hinleitung (3) und die Rückleitung (4) fließenden Meßwert- und Versorgungsstrom einstellt, die Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung (7) steuerbar ist und durch eine kurzzeitige Verringerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung (7) so gesteuert wird, daß der Spannungsabfall über dem Stromsteller (9) so klein wie möglich ist und wobei parallel zum Eingang des Schaltreglers (8) ein Kondensator (16) geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein, von der Meßwandlerschaltung (7) gesteuerter, nur bei Bedarf aktivierter zweiter Stromsteller (17) vorgesehen ist und der zweite Stromsteller (17) mit seinem Eingang mit dem Eingang des ersten Stromstellers (9) und mit seinem Ausgang mit der Rückleitung (4) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwandlerschaltung (7) zur Steuerung ihrer Stromaufnahme oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers (17) parametrierbar ist, z. B, über die Spannung der Spannungsquelle (10) oder/und Widerstände (12, 13) in dem Meßwertauswertungsteil (2), oder/und über die Widerstände (14, 15) der Hinleitung (3) oder/und der Rückleitung (4) oder/und die Kapazität des dem Eingang des Schaltreglers (8) parallel geschalteten Kondensators (16).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall über dem ersten Stromsteller (9), z. B. über einen A/D-Wandler, zur Steuerung der Stromaufnahme der Meßwandlerschaltung oder/und zur Steuerung des zweiten Stromstellers in die Meßwandlerschaltung eingeführt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwandlerschaltung (7) einen den Stromsteller (9) und ggf. den zweiten Stromsteller (17) steuernden Mikrokontroller (18) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Meßwert "schlagartig" geringer wird, z. B. von 100 % auf 0 % zurückgeht, kurzzeitig der durch die Meßwandlerschaltung (7) fließende Strom (I₅) verringert wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Meßwert "schlagartig" größer wird, z. B. von 0 % auf 100 % ansteigt, der zweite Stromsteller (17) aktiviert wird,
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Spannung (U₄) am Ausgang des ersten Stromstellers (9) die Spannung (U₃) am Eingang des ersten Stromstellers (9) erreicht, die von der Meßwandlerschaltung (7) bzw. dem Mikrokontroller (18) in der Meßwandlerschaltung (7) kommende Stromsteuerung vom Stromsteller (9) auf den zweiten Stromsteller (17) übergeht.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des in der Meßwandlerschaltung (7) vorgesehenen Mikrokontrollers (18) vorrangig der Strom (I₃), der durch das Meßwerterfassungsteil (1) fließt, und nachrangig die Spannung (U₄) am Ausgang des Stromstellers (9) gesteuert wird.