EP1495379A1 - Messeinrichtung für die prozesstechnik mit zentraler stromversorgung - Google Patents

Messeinrichtung für die prozesstechnik mit zentraler stromversorgung

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EP1495379A1
EP1495379A1 EP03718747A EP03718747A EP1495379A1 EP 1495379 A1 EP1495379 A1 EP 1495379A1 EP 03718747 A EP03718747 A EP 03718747A EP 03718747 A EP03718747 A EP 03718747A EP 1495379 A1 EP1495379 A1 EP 1495379A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
supply
module
power supply
voltage
Prior art date
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Ceased
Application number
EP03718747A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Gehrke
Stefan Beuel
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 Conducta GmbH and Co KG
Endress and Hauser Group Services Deutschland AG and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Endress and Hauser Conducta GmbH 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 Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG, Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG filed Critical Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Publication of EP1495379A1 publication Critical patent/EP1495379A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device for process technology, with a central unit for connecting various measuring modules, the central unit containing a central power supply to which the measuring modules can be connected.
  • the present invention also relates to an operating method for a measuring device for process technology, with a central unit for connecting various measuring modules.
  • measurement modules that can be connected to the central unit must also be supplied by such a power supply.
  • these measuring modules have a wide variety of sensor types, which often require special supply voltages.
  • This object is achieved according to the invention in a measuring device of the type mentioned at the outset by providing a module supply in the measuring module which generates one or more supply voltage (s) required by the measuring module from the central power supply.
  • the central power supply can be designed to be relatively simple and, in particular, does not have to provide suitable supply voltages for each measuring module that can possibly be connected to and supplied by the measuring device. This reduces the cost of such a measuring device and reduces its susceptibility to errors because of the much less complex structure of the central power supply.
  • the measuring device according to the invention is particularly suitable for use in measuring and / or cleaning and / or calibration systems, also in the field of
  • Process automation intended for measuring pH values and / or redox potentials and / or other process variables.
  • the central power supply can provide an alternating voltage from which connected measuring modules generate the required supply voltages with the aid of their respective module supply.
  • a very simple variant of a module supply sees a transformer and possibly a rectifier circuit the module supply so that direct and alternating voltages can be generated in the measuring module.
  • the rectifier circuit can contain, for example, a conventional bridge rectifier and filter networks and, if appropriate, voltage converters.
  • the module supply expediently has its own fuse, so that an error state in a measuring module cannot disrupt the entire central supply of the measuring unit.
  • the voltage required in the measuring module can be set by the choice of the transformation ratio of the transformer, in principle the generation of both a smaller and a larger secondary voltage compared to the voltage of the central supply is conceivable.
  • a transmission ratio with the value one is also conceivable, whereby there is only a galvanic separation between the central supply and the measuring module or its module supply.
  • the frequency of the supply voltage provided by the central supply can be, for example, 50 Hz, it being possible for the supply voltage to be obtained directly from a public power grid.
  • Supply voltages of a higher frequency can also be used very advantageously in order to enable smaller designs for transformers which may be used with the same supply power.
  • a further advantageous embodiment of the measuring device according to the invention provides that the central power supply can provide a DC voltage. This is particularly so then very useful if measuring modules contain microprocessors or other integrated electronic components that require a common supply voltage of, for example, 5 volts.
  • the module supply has a switching power supply.
  • switched-mode power supplies are particularly well suited, in particular, for supplying loads with high power consumption.
  • Switched-mode power supplies also have a very wide input voltage range, so that the central power supply does not require a large amount of circuitry to generate the supply voltage in order to ensure the operation of a measuring module with a switched-mode power supply in the module supply.
  • the switching power supply For use in measuring modules with sensitive sensors, the switching power supply must be shielded to reduce interference emissions.
  • the operating frequency of the switched-mode power supply can also be selected significantly above the cut-off frequency of measurement signals or a filter network can be provided for the measurement signals.
  • another embodiment of the invention provides that the central power supply has a first induction device and that the module supply has a second induction device. Since the electrical energy transmission in this variant of the invention is based on the induction principle, no electrical contacts have to be actuated in order to connect the measuring module to the central supply. This eliminates the risk of sparking if the contact is broken.
  • a small distance between the first and the second is particularly useful in this embodiment Induction device, which is achieved, for example, by correspondingly interlocking housing sections of the central unit or the measuring module.
  • a variant of the invention is also very advantageous, in which the voltage provided by the central power supply can be modulated with a useful signal in order to enable data communication between the central unit and the measuring module without having to provide separate transmission lines.
  • the bandwidth of the useful signal must be selected taking into account the transfer function of the transformer.
  • a further, very advantageous embodiment of the invention is characterized in that a feedback unit is provided in the measuring module, which generates a feedback signal from the supply voltage applied to the measuring module, which feedback signal can be fed to a central power supply controller and influences the supply voltage.
  • the feedback unit has, for example, a voltage divider or another circuit for forming the feedback signal, which is designed in such a way that the feedback signal, when the supply voltage generated by the central unit matches the voltage required by the measuring module, corresponds to a reference voltage of the controller.
  • the supply voltage can be adjusted using the control difference be readjusted.
  • an operating method is specified for a measuring device for process technology, with a central unit for connecting various measuring modules, in which the central unit contains a central power supply to which the measuring modules can be connected, and in which one in the measuring module Module supply is provided, one or more supply voltage (s) required by the measuring module being generated by the module supply from the central power supply.
  • An advantageous variant of the operating method according to the invention is characterized in that the supply voltage (s) are changed during operation. This can be done, for example, by a measuring module connecting a second transformer provided in its module supply to the central power supply, or also by changing control variables of a switching power supply.
  • the second transformer can be, for example, a transformer with a large rated power that is only used temporarily. Switching off the second transformer during operation helps to keep the load on the central power supply as low as possible.
  • the function of the measurement module is not limited to the acquisition of measured values.
  • a measuring module can also have calculation units, output units or other data processing devices or devices that enable the measuring device to be expanded.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the measuring device according to the invention
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the measuring device according to the invention.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the measuring device according to the invention.
  • FIG. 1 In the embodiment of the measuring device according to the invention shown in FIG. 1, a central unit 1 and two measuring modules 2, 3 are shown.
  • the central unit 1 has a central power supply 4, which is used to supply the measuring modules 2, 3 with electrical energy.
  • the central power supply 4 consists, for example, of a mains transformer, which may be protected with a self-healing overload protection or a fuse, and supplies an AC voltage with a frequency of 50 Hz.
  • the measuring module 2 has a module supply 2 'and the measuring module 3 has a module supply 3'.
  • the module supplies 2 ', 3' are connected to the central power supply 4 and process the AC voltage provided by the central power supply 4 in accordance with the supply voltages V_2, V_3 required in the measuring modules 2, 3.
  • the module supply 2 has a transformer, which is directly connected to the central power supply 4.
  • the transformer has a transmission ratio of one to two, ie the supply voltage V_2 on the secondary side of the transformer is twice as high as the AC voltage provided by the central supply 4, which is present on the primary side of the transformer.
  • a measuring module can also have actuators.
  • the measuring module 2 shown in FIG. 1 accordingly has a heating element (not shown) which is operated directly with the supply voltage V_2 of the module supply 2 '.
  • a microprocessor also arranged in the measuring module 2 requires a stabilized direct voltage of five volts as the supply voltage, which is obtained from the supply voltage V_2 with the aid of a rectifier circuit and further components.
  • the use of a voltage converter to generate / stabilize the DC voltage is also particularly favorable.
  • the central power supply 4 can also provide the stabilized DC voltage that is often required for integrated circuits.
  • the measuring module 3 requires a supply voltage V_3 which does not correspond to the supply voltage V_2 of the measuring module 2.
  • the module supply 3 ' therefore has a transformer with a different transmission ratio. On the primary side, however, this transformer is connected in parallel to the transformer of the module supply 2 ', so that the same AC voltage is present on the primary side of both transformers.
  • the module supply 3 ′ additionally has an auxiliary transformer (not shown), which is connected to the central power supply 4 in special process steps and controlled by the measuring module 3.
  • the auxiliary transformer is thus only active when it is required, as a result of which unnecessary power loss is avoided in the measuring module 3.
  • the measuring device it is possible to connect further measuring modules to the central unit 1 in addition to the measuring modules 2, 3. Since, according to the invention, the supply voltage required by a measuring module is provided by the module supply, supply voltage requirements of further measuring modules need not be taken into account when manufacturing or installing a measuring device.
  • the embodiment of the invention shown in Figure 2 has a central unit 1 and a measuring module 2.
  • the central power supply 4 of the central unit 1 has a first induction device 5, which can cooperate with a second induction device 6.
  • the second induction device 6 is part of the module supply 2 ′ of the measuring module 2.
  • the energy transmission according to the invention enables the measuring device to be operated even in potentially explosive environments since, in principle, there is no spark formation, e.g. when disconnecting electrical contacts is possible.
  • the housings of the central unit 1 or the measuring modules 2 are encapsulated in a gas-tight manner in accordance with the legally prescribed degree of protection and advantageously have intermeshing housing sections in the area of the induction devices 5, 6, which enable particularly close arrangement of the induction devices 5, 6 relative to one another.
  • circuits of the central unit 1 and / or of the measuring module 2 are designed intrinsically safe as so-called “Ex-i” circuits. In this case, no gas-tight housing is required .
  • Central power supply 4 to modulate the voltage provided with a useful signal.
  • Data communication between the central unit 1 and a measuring module 2, 3 can thus be implemented without having to provide additional lines for transmitting the useful signal.
  • the embodiment of the invention depicted in FIG. 3 is characterized in that a feedback unit 7 is provided in the measuring module 2, which generates a feedback signal 7a from the supply voltage V_4 applied to the measuring module 2, which can be fed to a controller (not shown) of the central power supply 4 and affects the supply voltage V_4 or its generation in the controller of the central power supply 4.
  • the feedback unit 7 has a voltage divider (not shown) which generates the feedback signal 7a.
  • the regulator of the central power supply 4 has a reference voltage source (not shown), the reference voltage of which is compared with the feedback signal 7a.
  • the voltage divider is designed such that the feedback signal 7a matches the reference voltage of the controller if the supply voltage V_4 generated by the central power supply 4 matches the voltage required by the measuring module 2.
  • the voltage divider is to be designed differently for different measuring modules 2, for example only one element of the voltage divider being different from measuring module 2 to measuring module 2 depending on the supply voltage requirement.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für die Prozesstechnik, mit einer Zentraleinheit (1) zum Anschluss verschiedener Messmodule (2, 3), wobei die Zentraleinheit (1) eine Zentralstromversorgung (4) enthält, an die die Messmodule (2, 3) anschliessbar sind.In dem Messmodul (2, 3) ist eine Modulversorgung (2', 3') vorgesehen, die eine oder mehrere vom Messmodul benötigte Versorgungsspannung(en) (V 2, V 3) aus der Zentralstromversorgung (4) erzeugt. Dazu weist die Modulversorgung einen Transformator, eine Gleichrichterschaltung oder auch ein Schaltnetzteil auf.

Description

MESSEINRICHTUNG FÜR DIE PROZESSTECHNIK MIT ZENTRALER STROMVERSORGUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für die Prozesstechnik, mit einer Zentraleinheit zum Anschluss verschiedener Messmodule, wobei die Zentraleinheit eine Zentralstromversorgung enthält, an die die Messmodule anschließbar sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Betriebsverfahren für eine Messeinrichtung für die Prozesstechnik, mit einer Zentraleinheit zum Anschluss verschiedener Messmodule.
Bekannte Messeinrichtungen sind häufig mit technisch sehr aufwendigen Stromversorgungen ausgestattet, die eine Vielzahl von verschiedenen Versorgungsspannungen bereitstellen müssen.
Neben der Zentraleinheit selbst müssen auch mit der Zentraleinheit verbindbare Messmodule von einer solchen Stromversorgung versorgt werden. Diese Messmodule weisen - je nach Einsatzzweck - die unterschiedlichsten Sensortypen auf, welche oftmals spezielle Versorgungsspannungen benötigen.
Darüber hinaus ist die elektrische Leistungsaufnahme der Messmodule durchaus unterschiedlich, weshalb es mit herkömmlichen Ansätzen nicht möglich ist, eine Stromversorgung für eine Zentraleinheit bereitzustellen, die in sämtlichen Betriebspunkten einen guten Wirkungsgrad hat.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinheit für die Prozesstechnik mit Zentralstromversorgung und ein Betriebsverfahren dafür anzugeben, bei der unter Vermeidung der angeführten Nachteile des Standes der Technik eine Vielzahl verschiedener Messmodule verwendbar sind, und bei der der schaltungstechnische Aufwand in der Zentralstromversorgung verringert und die Flexibilität der Messeinheit erhöht ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Messeinrichtung der eingangs genanten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Messmodul eine Modulversorgung vorgesehen ist, die eine oder mehrere vom Messmodul benötigte Versorgungsspannung (en) aus der Zentralstromversorgung erzeugt.
Ein großer Vorteil der Modulversorgung liegt darin, dass die Zentralstromversorgung verhältnismäßig einfach ausgelegt sein kann und insbesondere nicht für jedes möglicherweise an die Messeinrichtung anschließbare und von dieser zu versorgende Messmodul geeignete Versorgungsspannungen bereitstellen muss. Dadurch werden die Kosten für eine solche Messeinrichtung verringert, und ihre Fehleranfälligkeit sinkt wegen des wesentlich weniger komplexen Aufbaus der Zentralstromversorgung.
Zudem ist die Möglichkeit gegeben, Messmodule durch die Zentralstromversorgung zu versorgen, ohne deren Versorgungsspannungsanforderung bei der Auslegung der Zentralstromversorgung berücksichtigen zu müssen.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung ist insbesondere zum Einsatz in Mess- und/oder Reinigungs- und/oder Kalibrierungsanlagen, auch im Bereich der
Prozessautomatisierung, zur Messung von pH-Werten und/oder Redoxpotentialen und/oder anderen Prozessgrößen vorgesehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Zentralstromversorgung eine Wechselspannung bereitstellen, aus der angeschlossene Messmodule mit Hilfe ihrer jeweiligen Modulversorgung die benötigten Versorgungsspannungen erzeugen.
Eine sehr einfache Variante einer Modulversorgung sieht dabei einen Transformator und ggf. eine Gleichrichterschaltung in der Modulversorgung vor, so dass in dem Messmodul Gleich- und Wechselspannungen erzeugt werden können.
Die Gleichrichterschaltung kann beispielsweise einen herkömmlichen Brückengleichrichter und Filternetzwerke sowie ggf. Spannungswandler enthalten. Zweckmäßigerweise besitzt die Modulversorgung eine eigene Sicherung, so dass ein Fehlerzustand in einem Messmodul nicht die gesamte Zentralversorgung der Messeinheit stören kann.
Die in dem Messmodul benötigte Spannung kann durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses des Transformators eingestellt werden, wobei prinzipiell die Erzeugung sowohl einer kleineren als auch einer größeren Sekundärspannung im Vergleich zur Spannung der Zentralversorgung denkbar ist.
Ein Übersetzungsverhältnis mit dem Wert eins ist ebenso denkbar, wobei sich lediglich eine galvanische Trennung zwischen der Zentralversorgung und dem Messmodul bzw. dessen Modulversorgung ergibt.
Es ist auch möglich, nur eine Gleichrichterschaltung ohne Transformator in der Modulversorgung vorzusehen, wobei keine galvanische Trennung des Messmoduls von der Zentralversorgung besteht .
Die Frequenz der von der Zentralversorgung bereitgestellten Versorgungsspannung kann beispielsweise 50Hz betragen, wobei die Versorgungsspannung direkt aus einem öffentlichen Stromnetz erhalten werden kann.
Sehr vorteilhaft können auch Versorgungsspannungen höherer Frequenz eingesetzt werden, um bei gleicher Versorgungsleistung kleinere Bauformen für ggf. verwendete Transformatoren zu ermöglichen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung sieht vor, dass die Zentralstromversorgung eine Gleichspannung bereitstellen kann. Dies ist insbesondere dann sehr zweckmäßig, wenn Messmodule Mikroprozessoren oder andere integrierte elektronische Bauelemente enthalten, die eine gemeinsame Versorgungsspannung von z.B. 5 Volt benötigen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Modulversorgung ein Schaltnetzteil auf. Durch den i.a. hohen Wirkungsgrad eignen sich Schaltnetzteile besonders gut insbesondere zur Versorgung von Verbrauchen mit hoher Leistungsaufnahme .
Weiterhin haben Schaltnetzteile einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich, so dass in der Zentralstromversorgung kein großer schaltungstechnischer Aufwand zur Erzeugung der Versorgungsspannung erforderlich ist, um den Betrieb eines Messmoduls mit Schaltnetzteil in der Modulversorgung sicherzustellen.
Für die Verwendung in Messmodulen mit empfindlicher Sensorik ist eine Abschirmung des Schaltnetzteils zur Verringerung von Störabstrahlungen vorzusehen. Eventuell kann auch die Betriebsfrequenz des Schaltnetzteils deutlich oberhalb der Grenzfrequenz von Meßsignalen gewählt oder ein Filternetzwerk für die Meßsignale vorgesehen werden.
Für die Verwendung im Explosionsschutz ist bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Zentralstromversorgung eine erste Induktionsvorrichtung aufweist, und dass die Modulversorgung eine zweite Induktionsvorrichtung aufweist. Da die elektrische Energieübertragung bei dieser Variante der Erfindung nach dem Induktionsprinzip erfolgt, müssen keine elektrischen Kontakte betätigt werden, um das Messmodul an die Zentralversorgung anzuschließen. Damit ist das Risiko einer Funkenbildung bei Kontaktunterbrechung ausgeschlossen .
Besonders sinnvoll bei dieser Ausführungsform ist ein geringer Abstand zwischen der ersten und der zweiten Induktionsvorrichtung, der z.B. durch entsprechend ineinandergreifend ausgeformte Gehäuseabschnitte der Zentraleinheit bzw. des Messmoduls erreicht wird.
Sehr vorteilhaft ist auch eine Variante der Erfindung, bei der die von der Zentralstromversorgung bereitgestellte Spannung mit einem Nutzsignal modulierbar ist, um eine Datenkommunikation zwischen der Zentraleinheit und dem Messmodul zu ermöglichen, ohne dafür separate Übertragungsleitungen vorsehen zu müssen. Bei der Dimensionierung eines solchen Systems muss die Bandbreite des Nutzsignals unter Beachtung der Übertragungsfunktion des Transformators gewählt werden.
Eine weitere, sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Messmodul eine Rückkopplungseinheit vorgesehen ist, die aus der am Messmodul anliegenden Versorgungsspannung ein Rückkopplungssignal erzeugt, das einem Regler der Zentralstromversorgung zuführbar ist und die Versorgungsspannung beeinflusst.
Die Rückkopplungseinheit weist in einer sehr einfachen Variante beispielsweise einen Spannungsteiler oder eine andere Schaltung zur Bildung des Rückkopplungssignals auf, der so ausgebildet ist, dass das Rückkopplungssignal bei Übereinstimmung der von der Zentraleinheit erzeugten Versorgungsspannung mit der vom Messmodul benötigten Spannung mit einer Referenzspannung des Reglers übereinstimmt.
Verschiedene Messmodule mit unterschiedlichem Versorgungsspannungsbedarf können bei dieser Variante mit Spannungsteilern unterschiedlicher Kenngrößen ausgestattet werden, um die jeweilige Versorgungsspannung in die Referenzspannung des Reglers zu transformieren.
Bei einer Abweichung des Rückkopplungssignals von der Referenzspannung, die eine Regeldifferenz liefert, kann die Versorgungsspannung unter Verwendung der Regeldifferenz nachgeregelt werden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren angegeben für eine Messeinrichtung für die Prozesstechnik, mit einer Zentraleinheit zum Anschluss verschiedener Messmodule, bei der die Zentraleinheit eine Zentralstromversorgung enthält, an die die Messmodule anschließbar sind, und bei der in dem Messmodul eine Modulversorgung vorgesehen ist, wobei eine oder mehrere vom Messmodul benötigte Versorgungsspannung (en) durch die Modulversorgung aus der Zentralstromversorgung erzeugt werden.
Ganz besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die von der Zentralstromversorgung bereitgestellte Spannung mit einem Nutzsignal moduliert wird.
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung (en) im Betrieb geändert werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Messmodul einen zweiten in seiner Modulversorgung vorgesehenen Transformator mit der Zentralstromversorgung verbindet oder auch indem Steuergrößen eines Schaltnetzteils geändert werden.
Bei dem zweiten Transformator kann es sich beispielsweise um einen Transformator mit großer Nennleistung handeln, der nur zeitweise gebraucht wird. Eine Abschaltung des zweiten Transformators im Betrieb trägt dazu bei, die Belastung der Zentralstromversorgung so gering wie möglich zu halten.
Ganz allgemein ist die Funktion des Messmoduls nicht auf die Messwerterfassung beschränkt. Ein Messmodul kann auch Berechnungseinheiten, Ausgabeeinheiten oder andere Datenverarbeitungseinrichtungen oder Einrichtungen aufweisen, die eine Erweiterung der Messeinrichtung ermöglichen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung, und
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ist eine Zentraleinheit 1 sowie zwei Messmodule 2, 3 dargestellt.
Die Zentraleinheit 1 weist eine Zentralstromversorgung 4 auf, die zur Versorgung der Messmodule 2, 3 mit elektrischer Energie dient.
Die Zentralstromversorgung 4 besteht beispielsweise aus einem Netztransformator, der ggf. mit einem selbstheilenden Überlastschutz oder einer Schmelzsicherung abgesichert ist und eine Wechselspannung mit der Frequenz 50Hz liefert.
Das Messmodul 2 weist eine Modulversorgung 2' auf, und das Messmodul 3 weist eine Modulversorgung 3' auf. Die Modulversorgungen 2', 3' sind mit der Zentralstromversorgung 4 verbunden und bereiten die von der Zentralstromversorgung 4 zur Verfügung gestellte Wechselspannung entsprechend den in den Messmodulen 2, 3 benötigten Versorgungsspannungen V_2, V_3 auf.
Dazu weist die Modulversorgung 2 ' einen Transformator auf, der direkt mit der Zentralstromversorgung 4 verbunden ist. Der Transformator hat ein Übersetzungsverhältnis von eins zu zwei, d.h. die Versorgungsspannung V_2 an der Sekundärseite des Transformators ist doppelt so hoch wie die von der Zentralversorgung 4 zur Verfügung gestellte Wechselspannung, die an der Primärseite des Transformators anliegt.
Durch die Wahl eines anderen Übersetzungsverhältnisses des Transformators ist es möglich, die Höhe der Versorgungsspannung V_2 zu bestimmen. Falls lediglich eine galvanische Trennung des Messmoduls 2 bzw. der Modulversorgung 2' und der Zentralstromversorgung 4 realisiert werden soll, kann ein Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von eins eingesetzt werden.
Da sich die Messeinrichtung prinzipiell nicht nur für Messungen, sondern auch zur Steuerung und/oder Regelung von Prozessen eignet, kann ein Messmodul auch Aktoren aufweisen.
Das in Figur 1 abgebildete Messmodul 2 weist demgemäß ein Heizelement (nicht gezeigt) auf, das direkt mit der Versorgungsspannung V_2 der Modulversorgung 2 ' betrieben wird.
Ein ebenfalls in dem Messmodul 2 angeordneter Mikroprozessor benötigt als Versorgungsspannung eine stabilisierte Gleichspannung von fünf Volt, die aus der Versorgungsspannung V_2 mit Hilfe einer Gleichrichterschaltung und weiteren Bauelementen erhalten wird. Besonders günstig ist auch der Einsatz eines Spannungswandlers zur Erzeugung/Stabilisierung der Gleichspannung. Alternativ kann auch die Zentralstromversorgung 4 die für integrierte Schaltungen häufig benötigte stabilisierte Gleichspannung bereitstellen.
Das Messmodul 3 benötigt eine Versorgungsspannung V_3, die nicht der Versorgungsspannung V_2 des Messmoduls 2 entspricht. Daher weist die Modulversorgung 3' einen Transformator mit einem anderen Übersetzungsverhältnis auf. Primärseitig ist dieser Transformator aber parallel zu dem Transformator der Modulversorgung 2 ' geschaltet, so dass an beiden Transformatoren primärseitig dieselbe Wechselspannung anliegt .
Darüber hinaus weist die Modulversorgung 3' zusätzlich noch einen Hilfstransformator (nicht gezeigt) auf, der in speziellen Prozeßschritten und vom Messmodul 3 gesteuert mit der Zentralstromversorgung 4 verbunden wird. Damit ist der Hilfstransformator nur dann aktiv, wenn er benötigt wird, wodurch in dem Messmodul 3 unnötige Verlustleistung vermieden wird.
Anstelle eines Transformators ist es auch denkbar, ein Schaltnetzteil in der Modulversorgung 2 ' , 3' einzusetzen, das aufgrund seines weiten Eingangsspannungsbereiches sehr geringe Anforderungen an die von der Zentralstromversorgung 4 bereitgestellte Spannung hat. Der hohe Wirkungsgrad und geringe Abmessungen sind weitere Vorteile, die für eine Verwendung von Schaltnetzteilen in den Messmodulen 2, 3 sprechen. Zur Vermeidung übermäßiger Störeinstrahlungen ist die Modulversorgung 2', 3' entsprechend abzuschirmen.
Gemäß dem modularen Aufbau der Messeinrichtung ist es möglich, neben den Messmodulen 2, 3 noch weitere Messmodule an die Zentraleinheit 1 anzuschließen. Da die von einem Messmodul benötigte Versorgungsspannung erfindungsgemäß durch die Modulversorgung bereitgestellt wird, müssen Versorgungsspannungsanforderungen weiterer Messmodule bei der Herstellung bzw. bei der Installation einer Messeinrichtung nicht berücksichtigt werden.
Bei der Konzeption der Messeinrichtung muss hinsichtlich der Zentralstromversorgung 4 nur die maximale elektrische Leistung berücksichtigt werden, die von der Zentralstromversorgung 4 bereitgestellt werden muss.
Die in Figur 2 abgebildete Ausführungsform der Erfindung weist eine Zentraleinheit 1 und ein Messmodul 2 auf. Die Zentralstromversorgung 4 der Zentraleinheit 1 weist eine erste Induktionsvorrichtung 5 auf, die mit einer zweiten Induktionsvorrichtung 6 zusammenwirken kann. Die zweite Induktionsvorrichtung 6 ist Teil der Modulversorgung 2 ' des Messmoduls 2.
Bei hinreichend kleinem Abstand zwischen den Induktionsvorrichtungen 5, β ist eine nutzbare elektrische Energieübertragung zwischen der Zentralstromversorgung 4 und der Modulversorgung 2 ' bzw. dem Messmodul 2 möglich.
Die erfindungsgemäße Energieübertragung ermöglicht einen Betrieb der Messeinrichtung auch in explosionsgefährdeten Umgebungen, da prinzipbedingt keine Funkenbildung wie z.B. beim Auftrennen elektrischer Kontakte möglich ist.
Die Gehäuse der Zentraleinheit 1 bzw. der Messmodule 2 sind entsprechend der gesetzlich vorgeschriebenen Schutzart gasdicht gekapselt und weisen vorteilhaft im Bereich der Induktionsvorrichtungen 5, 6 ineinander eingreifende Gehäuseabschnitte auf, die eine besonders nahe Anordnung der Induktionsvorrichtungen 5, 6 relativ zueinander ermöglichen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform, die sich ebenfalls für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen eignet, sind Schaltungen der Zentraleinheit 1 und/oder des Messmoduls 2 eigensicher als sog. „Ex-i"- Schaltungen ausgelegt. In diesem Fall ist kein gasdichtes Gehäuse erforderlich.
Sehr vorteilhaft ist es auch, die von der
Zentralstromversorgung 4 bereitgestellte Spannung mit einem Nutzsignal zu modulieren. Damit kann eine Datenkommunikation zwischen der Zentraleinheit 1 und einem Messmodul 2, 3 realisiert werden, ohne zusätzliche Leitungen zur Übertragung des Nutzsignals bereitstellen zu müssen. Je nach dem für die Datenkommunikation verwendeten Protokoll ist es sogar denkbar, eine bidirektionale Datenkommunikation zwischen der Zentraleinheit 1 und den Messmodulen 2, 3 ohne weitere physikalische Maßnahmen einzurichten.
Die in Figur 3 abgebildete Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Messmodul 2 eine Rückkopplungseinheit 7 vorgesehen ist, die aus der am Messmodul 2 anliegenden Versorgungsspannung V_4 ein Rückkopplungssignal 7a erzeugt, das einem Regler (nicht gezeigt) der Zentralstromversorgung 4 zuführbar ist und die Versorgungsspannung V_4 bzw. deren Erzeugung im Regler der Zentralstromversorgung 4 beeinflusst.
Die Rückkopplungseinheit 7 weist hierzu einen Spannungsteiler (nicht gezeigt) auf, der das Rückkopplungssignal 7a erzeugt. Der Regler der Zentralstromversorgung 4 weist eine Referenzspannungsquelle (nicht dargestellt) auf, deren Referenzspannung mit dem Rückkopplungssignal 7a verglichen wird. Hierzu ist der Spannungsteiler so ausgebildet, dass das Rückkopplungssignal 7a bei Übereinstimmung der von der Zentralstromversorgung 4 erzeugten Versorgungsspannung V_4 mit der vom Messmodul 2 benötigten Spannung mit der Referenzspannung des Reglers übereinstimmt.
Sollte die vom Regler der Zentralstromversorgung 4 erzeugte Versorgungsspannung V_4 von der vom Messmodul 2 benötigten Versorgungsspannung abweichen, ergibt sich aus der nichtverschwindenden Differenz von Referenzspannung und Rückkopplungssignal 7a eine Regeldifferenz, die zur Korrektur der erzeugten Versorgungsspannung V_4 verwendet wird.
Je nach Versorgungsspannungsbedarf ist der Spannungsteiler für unterschiedliche Messmodule 2 unterschiedlich auszulegen, wobei bspw. jeweils nur ein Element des Spannungsteilers von Messmodul 2 zu Messmodul 2 je nach Versorgungsspannungsbedarf verschieden ist.
Alternativ zur Erzeugung des Rückkopplungssignals 7a aus der Versorgungsspannung V_4 ist auch eine andersartige Erzeugung des Rückkopplungssignals 7a denkbar, beispielsweise in Abhängigkeit eines in das Messmodul 2 fließenden Stromes.

Claims

Patentansprüche
1. esseinrichtung für die Prozesstechnik, mit einer Zentraleinheit (1) zum Anschluss verschiedener Messmodule (2, 3) , wobei die Zentraleinheit (1) eine Zentralstromversorgung (4) enthält, an die die Messmodule (2, 3) anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Messmodul (2, 3) eine Modulversorgung (2', 3') vorgesehen ist, die eine oder mehrere vom Messmodul benötigte Versorgungsspannung (en) (V_2, V_3) aus der Zentralstromversorgung (4) erzeugt.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralstromversorgung (4) eine Wechselspannung bereitstellen kann.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralstromversorgung (4) eine Gleichspannung bereitstellen kann.
4. Messeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulversorgung (2', 3') einen Transformator aufweist.
5. Messeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulversorgung (2', 3') ein Schaltnetzteil aufweist.
6. Messeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralstromversorgung (4) eine erste Induktionsvorrichtung (5) aufweist, und dass die Modulversorgung (2') eine zweite Induktionsvorrichtung (6) aufweist .
7. Messeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der
Zentralstromversorgung (4) bereitgestellte Spannung mit einem Nutzsignal modulierbar ist.
8. Messeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung in Mess- und/oder Reinigungs- und/oder Kalibrierungsanlagen, insbesondere auch im Bereich der Prozessautomatisierung, zur Messung von pH-Werten und/oder Redoxpotentialen und/oder anderen Prozessgrößen eingesetzt wird.
9. Messeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Messmodul (2) eine Rückkopplungseinheit (7) vorgesehen ist, die aus der am Messmodul (2) anliegenden Versorgungsspannung (V_4) ein Rückkopplungssignal (7a) erzeugt, das einem Regler der Zentralstromversorgung (4) zuführbar ist und die Versorgungsspannung (V_4) beeinflusst.
10. Betriebsverfahren für eine Messeinrichtung für die Prozesstechnik, mit einer Zentraleinheit (1) zum Anschluss verschiedener Messmodule (2, 3), bei der die Zentraleinheit
(1) eine Zentralstromversorgung (4) enthält, an die die Messmodule (2, 3) anschließbar sind, und bei der in dem Messmodul (2, 3) eine Modulversorgung (2', 3') vorgesehen ist, wobei eine oder mehrere vom Messmodul benötigte Versorgungsspannung (en) (V_2, V_3) durch die Modulversorgung
(2', 3') aus der Zentralstromversorgung (4) erzeugt werden.
11. Betriebsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Zentralstromversorgung (4) bereitgestellte Spannung mit einem Nutzsignal moduliert wird.
12. Betriebsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung (en) (V_2, V_3) im Betrieb geändert werden.
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