EP3701611A1 - Feldgerät-elektronik - Google Patents

Feldgerät-elektronik

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Publication number
EP3701611A1
EP3701611A1 EP18772790.4A EP18772790A EP3701611A1 EP 3701611 A1 EP3701611 A1 EP 3701611A1 EP 18772790 A EP18772790 A EP 18772790A EP 3701611 A1 EP3701611 A1 EP 3701611A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
transceiver
limiting
transistor
voltage
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.)
Pending
Application number
EP18772790.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Wernet
Michael Dötsch
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 EP3701611A1 publication Critical patent/EP3701611A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • 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
    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24—Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245—Housings for sensors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/571—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overvoltage detector
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/18—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/008—Intrinsically safe circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
    • H02H11/002—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container at least with a sensor unit and an electronic unit.
  • the device according to the invention is, in particular, a field device which is used to monitor and / or determine at least one
  • the medium is for example a liquid or a gas.
  • the term container means all devices known to the person skilled in the art which are designed to hold and / or guide a medium, for example containers or pipelines.
  • the sensor unit of the field device at least partially and at least temporarily comes into contact with the process and serves to detect a signal representing the respective process variable.
  • the electronics unit in turn serves, for example, the
  • the electronic unit For communication with a higher-level unit, for example a data processing unit, or a process control room, the electronic unit typically comprises a transceiver unit, which in particular the
  • all measuring devices are referred to as field devices which are used close to the process and supply or process process-relevant information, including remote I / Os, radio adapters or generally electronic components which are arranged on the field level.
  • field devices which are used close to the process and supply or process process-relevant information, including remote I / Os, radio adapters or generally electronic components which are arranged on the field level.
  • a large number of such field devices are manufactured and distributed by companies of the Endress + Hauser Group.
  • the field device may be a fill level measuring device, flowmeter, pressure and temperature measuring devices, pH and / or pH redox potential measuring device, or else a conductivity measuring device, which detects the respectively corresponding detection
  • Process variables such as a level, a flow, the pressure, the temperature, a pH, a redox potential, or a conductivity is used.
  • Process variables such as a level, a flow, the pressure, the temperature, a pH, a redox potential, or a conductivity is used.
  • Flowmeters are, in particular, Coriolis, ultrasonic, vortex, thermal and / or magnetic-inductive flowmeters.
  • Level gauges in turn are particularly suitable as microwave level gauges, ultrasonic level gauges, time domain reflectometric level gauges (TDR), radiometric level gauges, capacitive level gauges, conductive
  • EMC electromagnetic compatibility
  • limit values for an interference emission for example, the length of the supply lines, as well as the question of whether the respective field device can be connected to a local DC power supply or not to
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a measuring device for which a high electromagnetic compatibility can be ensured in a simple and cost-effective manner for different applications.
  • a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container at least with a sensor unit and an electronic unit which electronic unit has a transceiver unit and a transceiver protection unit for limiting an input voltage of the transceiver unit to a predeterminable transceiver voltage value.
  • the inventive transceiver protection unit comprises a first limiting unit and a transistor unit with at least one transistor,
  • the transistor unit is connected in series with the transceiver unit
  • the first limiting unit is connected in parallel to the transceiver unit and connected to a control terminal of the transistor
  • the first limiting unit is designed, in the event that a supply voltage for the electronics unit exceeds a predefinable limit value, to control an input voltage for the control terminal of the transistor to a predefinable control value, such that the input voltage of the transceiver unit to the first predetermined
  • Transceiver voltage value is limited.
  • the transceiver unit preferably has a control unit for controlling an input and / or output voltage of the transceiver unit and at least one connection element.
  • the connection element is preferably an input, an output or a combined input and output.
  • transceiver units of field devices are usually designed only for low transient energies, as they will connect locally within a device to its own supply. Depending on the classification, normative so-called surge and burst sources with different internal resistances are used here. A protection of the transceiver unit before
  • the achievable voltage limitation that is, the respective achievable maximum value for the input voltage of the transceiver unit
  • the achievable voltage limitation depends on the current flowing through the diodes and the internal resistance.
  • the maximum value for the input voltage of the transceiver unit disadvantageously increases.
  • such a voltage limitation is correspondingly insufficient, or the maximum permissible power of the diodes can be quickly exceeded.
  • varistors have the disadvantage that they can no longer maintain a sufficient voltage limitation at high currents. With gas unloaders in turn there is a big disadvantage in that until the ignition of the arc
  • the present invention proposes the use of a
  • Transceiver protection unit before which is a transistor unit and at least a first
  • transceiver protection unit becomes the input voltage the transceiver unit limited to a specifiable transceiver voltage value.
  • Transceiver protection unit thus protects the transceiver unit from overvoltages. If the supply voltage at least temporarily exceeds a predefinable limit value, for example due to the occurrence of a surge or burst, the input voltage of the transceiver unit is limited to the specifiable transceiver voltage value.
  • the transistor is a bipolar transistor with at least one, in particular ohmic, resistor, or a field effect transistor.
  • the control terminal of the transistor is accordingly preferably a base or a gate of the transistor.
  • the first limiting unit comprises at least one voltage-limiting element, for example a diode, in particular a Zener diode or an avalanche diode or a varistor.
  • An advantageous embodiment includes that the device comprises a second limiting unit for limiting the input voltage of the transceiver unit, which second
  • Limiting unit is connected between a first and a second supply line of the transceiver unit.
  • the second limiting unit is also arranged in front of the transistor unit and the first limiting unit.
  • the second limiting unit thus ensures a preliminary limitation of the input voltage of the transceiver unit. It is advantageous if the second limiting unit comprises at least one voltage-limiting element, in particular a varistor, a gas discharger, or a diode, in particular a suppressor diode, in particular a Transzorb diode.
  • the device comprises a third limiting unit for limiting a voltage applied to a connection element of the transceiver unit.
  • This connection element is an additional one
  • Connection element for example an In / Out connection.
  • at least one further connecting element of the transceiver unit can be protected against, in particular transient, overvoltages.
  • the third limiting unit comprises at least one voltage-limiting element, in particular a diode, for example a suppressor diode, in particular a Transzorb diode, or a varistor.
  • the device comprises a rectification unit for rectifying the input voltage of the transceiver unit.
  • the rectification unit may be, for example, a rectification circuit, in particular a
  • the rectification unit is furthermore preferably connected upstream of the limiting units and the transistor unit.
  • a further particularly preferred embodiment includes that the device comprises a reverse protection unit, which is designed to hide at least a signal component of the supply voltage with a polarity opposite to the polarity of the input voltage of the transceiver unit polarity. From time to time, the supply signal or the supply voltage can have signal components with opposite polarity, in particular so-called bursts or surges, ie voltage pulses. These are hidden by the Reversetik- unit from the supply signal and thus do not reach the transceiver unit. With regard to the reverse protection unit, it is advantageous if the reverse protection unit comprises at least two diodes.
  • a first diode is then connected in series with the first limiting unit, and a second diode is arranged between the transistor unit and the transceiver unit.
  • Circuit arrangement for limiting the voltage are taken into account.
  • an input and an output of the transceiver unit are realized via a single connection element, wherein the electronic unit has at least one switching element.
  • the input of the transceiver unit via a first
  • Connection element and the output of the transceiver unit can be realized via a second connection element. It is advantageous if the electronics unit is designed to provide the sensor unit with a
  • the electronic unit can determine and / or monitor the process variable on the basis of the received signal, and generate a corresponding measurement signal and forward it to a higher-order unit by means of the transceiver unit.
  • the Receive signal directly for further evaluation by means of the transceiver unit are forwarded to a higher-level unit.
  • the transceiver unit is configured at least partially in the form of an integrated circuit.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an electronics unit of a field device with a transceiver unit according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an electronic unit of a field device with a transceiver unit with an additional voltage limitation according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an electronic unit according to the invention with a
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an electronic unit according to the invention with a
  • Transceiver protection unit in a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electronics unit 1 of a field device. Not shown in this view is the sensor unit.
  • the field device shown is a so-called three-wire field device with three connecting lines or connecting elements (5a, 5b, 5c) in this specific example without limiting the generality.
  • the electronic unit 1 of the field device 1 has a transceiver unit 2, a computing unit 3 and a measuring part 4.
  • the measuring part is preferably electronic components which serve to detect the respective measured variable received by the sensor element and convert it into an electrical signal ,
  • the transceiver unit 2 in turn serves among other things
  • the transceiver unit 2 has a control unit 2a. Since conventional transceiver units 2 are designed only for relatively low transients, the scope of an electronic unit 1 as shown in Fig. 1, limited. In particular for the protection of the transceiver unit, it has become known from the prior art to implement one or more voltage-limiting elements which extend the application range for a corresponding electronic unit 1 with transceiver unit 2. Frequently, diodes 6a, 6b, 6c are used for this purpose, as shown by way of example in FIG. As already mentioned, these measures known from the prior art for protecting the transceiver unit have various disadvantages which are overcome by the solution according to the invention.
  • FIG. 1 A first embodiment of an electronic unit 1 according to the invention is shown in FIG. 1
  • the electronics unit has a transceiver protection unit 7 comprising a transistor unit 8 and a first limiting unit 9.
  • the transistor unit 8 comprises a bipolar transistor 8a with an ohmic resistance 8b.
  • the transistor unit 8 is connected in series with the transceiver unit 2.
  • the first limiting unit 9 has as a voltage-limiting element a diode 9a and is connected to the base of the transistor 8a.
  • the diode 9a becomes conductive.
  • the diode controls an input voltage for the control terminal of the transistor 8a to a predetermined control value.
  • the transistor becomes more highly resistive and a higher voltage component of the supply voltage drops across the transistor 8a.
  • the input voltage UTE of the transceiver unit 2 is made up of the difference between the values dropping at the first limiting unit 9 Voltage Ug and the voltage drop across the transistor unit 8 Ue together:
  • the reverse voltage of the diode 9a is preferably selected to be larger than that
  • Supply voltage and less than a maximum allowable voltage of the transceiver unit 2 is. If the supply voltage exceeds a definable limit value, which in this particular example is given by the blocking voltage of the diode 9a, the diode 9a becomes conductive and thus controls the input voltage for the gate of the transistor 8 to the predefinable control value. As a result, the current flowing through the transistor 8 decreases and a higher voltage component drops across the transistor 8. This voltage component is always just so large that the input voltage UTE of the transceiver unit 2 corresponds to the specifiable transceiver Voltage value, which is also usually smaller than the maximum permissible value for the input voltage of the transceiver unit 2 is selected does not exceed.
  • a definable limit value which in this particular example is given by the blocking voltage of the diode 9a
  • the second limiting unit 11 has a varistor 11a.
  • the second limiting unit 11 is arranged in front of the first limiting unit 9 and connected between a first 5a and a second supply line 5b of the transceiver unit 2, or of the electronic unit 1.
  • the second limiting unit 11 thus provides for a preliminary limitation of the supply voltage.
  • the third limiting unit 12 serves to limit a voltage applied to an in / out connection element of the transceiver unit 2 against transient overvoltages.
  • the device further comprises a reverse protection unit 10, which is designed to at least a signal component of the supply voltage with one of the polarity of the input voltage of the
  • the reverse protection unit 10 comprises a first 10a and a second diode 10b.
  • the first diode 10 a is connected in series with the first limiting unit 9, while the second diode 10 b is arranged between the transistor unit 8 and the transceiver unit 2.
  • the reverse protection unit protects in
  • FIG. 5 shows an embodiment in which the transistor unit 8 is in the positive branch.
  • the mode of operation of the individual components is analogous to the respective functions in FIGS. 3 and 4. Therefore, in the context of FIG. 5, this will not be discussed again in detail.
  • the reversing protection unit 10 which likewise has two diodes 10a and 10b, protects the device from positive transients in the case of FIG.
  • the transceiver protection unit comprises a reverse protection circuit 10
  • transients of different polarity can be taken into account with the same circuit arrangement.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis mit zumindest einer Sensoreinheit und einer Elektronikeinheit (1), welche Elektronikeinheit (1) eine Transceiver-Einheit (2) und eine Transceiver-Schutzeinheit (7) zur Begrenzung einer Eingangs-Spannung (UTE) der Transceiver-Einheit (2) auf einen vorgebbaren Transceiver-Spannungswert umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die Transceiver-Schutzeinheit (7) eine erste Begrenzungs-Einheit (9) und eine Transistor-Einheit (8) mit zumindest einem Transistor (8a), wobei die Transistor-Einheit (8) in Reihe zu der Transceiver-Einheit (2) geschaltet ist, wobei die erste Begrenzungs-Einheit (9) parallel zur Transceiver-Einheit (2) geschaltet und an einen Steueranschluss des Transistors (8a) angeschlossen ist, und wobei die erste Begrenzungs-Einheit (9) dazu ausgestaltet ist, im Falle, dass eine Versorgungs-Spannung für die Elektronikeinheit (1 ) einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, eine Eingangs-Spannung für den Steueranschluss des Transistors (8a) auf einen vorgebbaren Steuer-Wert zu steuern, derart, dass die Eingangs-Spannung (UTE) der Transceiver-Einheit (2) auf den ersten vorgebbaren Transceiver-Spannungswert begrenzt wird.

Description

Feldgerät-Elektronik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis zumindest mit einer Sensoreinheit und einer Elektronikeinheit. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich insbesondere um ein Feldgerät, welches der Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer,
beispielsweise chemischen oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums dient. Das Medium ist beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas. Unter dem Begriff Behältnis seien erfindungsgemäß alle dem Fachmann bekannten Vorrichtungen verstanden, welche dazu ausgestaltet sind, ein Medium zu fassen und/oder zu führen, beispielsweise Behälter oder Rohrleitungen.
Üblicherweise kommt die Sensoreinheit des Feldgeräts zumindest teilweise und zumindest zeitweise mit dem Prozess in Berührung und dient der Erfassung eines die jeweilige Prozessgröße repräsentierenden Signals. Die Elektronikeinheit dient wiederum beispielsweise der
Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung. Zur Kommunikation mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einer Datenverarbeitungseinheit, oder einer Prozessleitwarte, umfasst die Elektronikeinheit typischerweise eine Transceiver-Einheit, welche insbesondere der
Signalübertragung dient.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden im Prinzip alle Messgeräte als Feldgerät bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
Beispielsweise kann es sich bei dem Feldgerät um ein Füllstandsmessgerät, Durchflussmessgerät, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- und/oder pH-Redoxpotentialmessgerät, oder auch um ein Leitfähigkeitsmessgerät, handeln, welches der Erfassung der jeweils entsprechenden
Prozessgrößen, wie einem Füllstand, einem Durchfluss, dem Druck, der Temperatur, einem pH- Wert, eines Redoxpotentials, oder einer Leitfähigkeit dient. Die jeweils zugrundeliegenden
Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, und werden an dieser Stelle nicht einzeln angeführt. Bei Durchflussmessgeräten handelt es sich insbesondere um Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermische und/oder magnetisch induktiven Durchflussmessgeräte.
Füllstandsmessgeräte wiederum sind insbesondere als Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte (TDR), radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, konduktive
Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte ausgestaltet. Auch
Grenzstandschalter kommen in dieser Hinsicht in Frage. Bei Druckmessgeräten dagegen handelt es sich schließlich bevorzugt um sogenannte Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte, während ein Temperaturmessgerät bevorzugt ein Thermoelement oder ein temperaturabhängiger Widerstand zur Ermittlung der Temperatur aufweisen.
Um einen stabilen Betrieb des jeweiligen Feldgeräts zu ermöglichen, werden je nach der konkreten Anwendung verschiedenste Anforderungen an das Feldgerät gestellt. Ein wichtiger Punkt betrifft die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des jeweiligen Feldgeräts. Typische Störursachen bezüglich der EMV betreffen Schwankungen und/oder Unterbrechungen der Versorgungsspannung, die Entladung statischer Elektrizität oder der Einfluss elektromagnetischer Felder in der Umgebung des jeweiligen Feldgeräts sowie das Auftreten transienter Überspannungen in Form von
Impulsgruppen oder Einzelimpulsen. In Bezug auf die EMV von Feldgeräten sei insbesondere auf die Normen DIN EN 61326-1 , NE21 oder auch IEC61131-9 verwiesen, welche sowohl
Anforderungen bezüglich der Störfestigkeit des jeweiligen Feldgeräts sowie verschiedene
Grenzwerte für eine Störaussendung festlegen. Hinsichtlich der jeweiligen Grenzwerte sind beispielsweise die Länge der Versorgungsleitungen, als auch die Frage, ob das jeweilige Feldgerät an ein lokales Gleichstromversorgungsnetz angeschlossen werden kann oder nicht, zu
berücksichtigen. Je nach angedachter Verwendung des jeweiligen Feldgeräts können die speziell für die Verwendung zu stellenden Anforderungen an das Feldgerät, insbesondere an die jeweiligen Komponenten der Elektronik, stark variieren. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät anzugeben, für welches auf einfache und kostengünstige Weise für unterschiedliche Anwendungen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis zumindest mit einer Sensoreinheit und einer Elektronikeinheit, welche Elektronikeinheit eine Transceiver-Einheit und eine Transceiver- Schutzeinheit zur Begrenzung einer Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit auf einen vorgebbaren Transceiver-Spannungswert umfasst. Die erfindungsgemäße Transceiver- Schutzeinheit umfasst eine erste Begrenzungs-Einheit und eine Transistor-Einheit mit zumindest einem Transistor,
wobei die Transistor-Einheit in Reihe zu der Transceiver-Einheit geschaltet ist,
wobei die erste Begrenzungs-Einheit parallel zur Transceiver-Einheit geschaltet und an einen Steueranschluss des Transistors angeschlossen ist, und
wobei die erste Begrenzungs-Einheit dazu ausgestaltet ist, im Falle, dass eine Versorgungs- Spannung für die Elektronikeinheit einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, eine Eingangs- Spannung für den Steueranschluss des Transistors auf einen vorgebbaren Steuer-Wert zu steuern, derart, dass die Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit auf den ersten vorgebbaren
Transceiver-Spannungswert begrenzt wird.
Die Transceiver-Einheit verfügt bevorzugt über eine Regel-Einheit zur Regelung einer Eingangs- und/oder Ausgangs-Spannung der Transceiver-Einheit und zumindest ein Anschlusselement. Bei dem Anschlusselement handelt es sich bevorzugt um einen Eingang, einen Ausgang oder um einen kombinierten Ein- und Ausgang. Mittels der Transceiver-Einheit kann beispielsweise eine uni- oder bidirektionale Übertragung von Signalen zwischen der Vorrichtung und einer übergeordneten Einheit vorgenommen werden. Die übergeordnete Einheit ist dabei beispielsweise eine
Datenverarbeitungseinheit, oder einer Prozessleitwarte sein.
Typische Transceiver-Einheiten von Feldgeräten sind üblicherweise nur für geringe transiente Energien ausgelegt, da diese lokal innerhalb eines Geräts an eine eigene Versorgung anschlössen werden. Je nach Eingruppierung werden hier normativ sogenannte Surge- und Burst-Quellen mit verschiedenen Innen widerständen herangezogen. Ein Schutz der Transceiver-Einheit vor
Überspannungen ist entsprechend für einen ortsunabhängigen Einsatz, insbesondere auch zur Gewährleistung der typischen Anforderungen bezüglich der EMV, erforderlich. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt geworden, eine Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit durch die Verwendung von Dioden, Varistoren, oder Gasentladern zu begrenzen. Diese Varianten weisen jedoch verschiedene Nachteile auf.
Im Falle von Dioden ist die erreichbare Spannungsbegrenzung, also der jeweils erreichbare maximale Wert für die Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit, abhängig vom jeweils durch die Dioden fließenden Strom und vom Innenwiderstand. So steigt mit zunehmendem Strom nachteilig der maximale Wert für die Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit. Für viele Anwendungen ist eine derartige Spannungsbegrenzung entsprechend nicht ausreichend, bzw. die maximal zulässige Leistung der Dioden kann schnell überschritten werden.
Bei Verwendung von Varistoren ergibt sich der Nachteil, dass diese bei hohen Strömen eine ausreichende Spannungsbegrenzung nicht mehr aufrechterhalten können. Bei Gasentladern wiederum besteht ein großer Nachteil darin, dass bis zur Zündung des Lichtbogens ein
vergleichsweise hoher Spannungswert entsteht, der bereits zur Zerstörung der Transceiver-Einheit führen kann. Zur Vermeidung dieser Nachteile schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung einer
Transceiver-Schutzeinheit vor, welche eine Transistor-Einheit und zumindest eine erste
Begrenzungs-Einheit umfasst. Mittels der Transceiver-Schutzeinheit wird die Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit auf einen vorgebbaren Transceiver-Spannungswert begrenzt. Die
Transceiver-Schutzeinheit bewirkt also einen Schutz der Transceiver-Einheit vor Überspannungen. Übersteigt die Versorgungs-Spannung zumindest zeitweise einen vorgebbaren Grenzwert, beispielsweise durch das Auftreten eines Surges oder Bursts, wird die Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit auf den vorgebbaren Transceiver-Spannungswert begrenzt.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Transistor um einen bipolaren Transistor mit zumindest einem, insbesondere ohmschen, Widerstand, oder einen Feldeffekttransistor. Bei dem Steueranschluss des Transistors handelt es sich entsprechend bevorzugt um eine Basis oder ein Gate des Transistors.
Bezüglich der ersten Begrenzungseinheit ist es von Vorteil, wenn die erste Begrenzungs-Einheit zumindest ein spannungsbegrenzendes Element, beispielsweise eine Diode, insbesondere eine Zener-Diode oder eine Avalanche-Diode oder einen Varistor umfasst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Vorrichtung eine zweite Begrenzungs-Einheit zur Begrenzung der Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit umfasst, welche zweite
Begrenzungs-Einheit zwischen eine erste und eine zweite Versorgungsleitung der Transceiver- Einheit geschaltet ist. Bevorzugt ist die zweite Begrenzungs-Einheit zudem vor der Transistor- Einheit und der ersten Begrenzungseinheit angeordnet. Die zweite Begrenzungseinheit sorgt damit für eine Vorbegrenzung der Eingangsspannung der Transceiver-Einheit. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die zweite Begrenzungs-Einheit zumindest ein spannungsbegrenzendes Element, insbesondere einen Varistor, einen Gasentlader, oder eine Diode, insbesondere eine Suppressor- Diode, insbesondere eine Transzorb-Diode, umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung eine dritte Begrenzungs- Einheit zur Begrenzung einer an einem Anschlusselement der Transceiver-Einheit anliegenden Spannung umfasst. Bei diesem Anschlusselement handelt es sich um ein zusätzliches
Anschlusselement, beispielsweise einen In/Out- Anschluss. Auf diese Weise kann zudem zumindest ein weiteres Anschlusselement der Transceiver-Einheit vor, insbesondere transienten, Überspannungen geschützt werden.
Für diese Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die dritte Begrenzungs-Einheit zumindest ein spannungsbegrenzendes Element, insbesondere eine Diode, beispielsweise eine Suppressor- Diode, insbesondere eine Transzorb-Diode, oder einen Varistor umfasst. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Gleichrichtungs-Einheit zur Gleichrichtung der Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit. Bei der Gleichrichtungs-Einheit kann es sich beispielsweise um eine Gleichrichtungs-Schaltung, insbesondere eine
Brückenschaltung, handeln. Die Gleichrichtungseinheit ist ferner bevorzugt den Begrenzungs- Einheiten und der Transistor-Einheit vorgeschaltet.
Alternativ beinhaltet eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung, dass die Vorrichtung eine Reverseschutz-Einheit umfasst, welche dazu ausgestaltet ist, zumindest einen Signalanteil der Versorgungsspannung mit einer der Polarität der Eingangs-Spannung der Transceiver-Einheit entgegengesetzten Polarität auszublenden. Das Versorgungssignal, bzw. die Versorgungsspannung kann von Zeit zu Zeit Signalanteile mit entgegengesetzter Polarität, insbesondere sogenannte Bursts oder Surges, also Spannungspulse, aufweisen. Diese werden durch die Reverseschutz- Einheit aus dem Versorgungssignal ausgeblendet und gelangen somit nicht zur Transceiver-Einheit. Bezüglich der Reverseschutz-Einheit ist es von Vorteil, wenn die Reverseschutz-Einheit zumindest zwei Dioden umfasst. Bevorzugt ist dann eine erste Diode in Reihe mit der ersten Begrenzungs- Einheit geschaltet, und eine zweite Diode zwischen der Transistor-Einheit und der Transceiver- Einheit angeordnet. Mit der Gleichrichtungs-Einheit oder der Reverseschutz-Einheit kann vorteilhaft erreicht werden, dass sowohl Transienten mit positiver als auch mit negativer Polarität durch dieselbe
Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung sind ein Eingang und ein Ausgang der Transceiver-Einheit über ein einziges Anschlusselement realisiert, wobei die Elektronikeinheit zumindest ein Schaltelement aufweist. Alternativ kann aber auch der Eingang der Transceiver-Einheit über ein erstes
Anschlusselement und der Ausgang der Transceiver-Einheit über ein zweites Anschlusselement realisiert sein. Es ist von Vorteil, wenn die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, die Sensoreinheit mit einem
Anregesignal zu beaufschlagen, und von der Sensoreinheit ein die Prozessgröße repräsentierendes Empfangssignal zu empfangen. Das Empfangssignal wird dann beispielsweise durch die
Elektronikeinheit ausgewertet. So kann die Elektronikeinheit beispielsweise anhand des Empfangssignals die Prozessgröße bestimmen und/oder überwachen, und ein entsprechendes Messsignal erzeugen und mittels der Transceiver-Einheit an eine übergeordnete Einheit weiterleiten. Alternativ kann aber auch das Empfangssignal direkt zur weiteren Auswertung mittels der Transceiver-Einheit an eine übergeordnete Einheit weitergeleitet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Transceiver-Einheit zumindest teilweise in Form eines integrierten Schaltkreises ausgestaltet.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Elektronikeinheit eines Feldgeräts mit einer Transceiver- Einheit gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Elektronikeinheit eines Feldgeräts mit einer Transceiver- Einheit mit einer zusätzlichen Spannungsbegrenzung gemäß dem Stand der Technik, Fig.3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit einer
Transceiver-Schutzeinheit in einer ersten Ausgestaltung,
Fig.4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit einer
Transceiver-Schutzeinheit in einer zweiten Ausgestaltung, und
Fig.5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit einer
Transceiver-Schutzeinheit in einer dritten Ausgestaltung.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Elektronikeinheit 1 eines Feldgeräts gezeigt. Nicht dargestellt ist in dieser Ansicht die Sensoreinheit. Bei dem gezeigten Feldgerät handelt es sich in diesem speziellen Beispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit um ein sogenanntes Dreileiter- Feldgerät mit drei Anschlussleitungen bzw. Anschlusselementen (5a, 5b, 5c). Die Elektronikeinheit 1 des Feldgeräts 1 verfügt über eine Transceiver-Einheit 2, eine Recheneinheit 3 und ein Messteil 4. Bei dem Messteil handelt es sich bevorzugt um elektronische Komponenten, welche der Erfassung der jeweiligen vom Sensorelement empfangenen Messgröße und deren Umwandlung in ein elektrisches Signal dienen. Die Transceiver-Einheit 2 wiederum dient unter anderem der
Kommunikation mit einer übergeordneten Einheit [nicht dargestellt]. Hierzu weist die Transceiver- Einheit 2 eine Regel-Einheit 2a auf. Da übliche Transceiver-Einheiten 2 nur für vergleichsweise geringe Transienten ausgelegt sind, ist der Anwendungsbereich einer Elektronikeinheit 1 wie in Fig. 1 gezeigt, eingeschränkt. Insbesondere zum Schutz der Transceiver-Einheit ist es aus dem Stand der Technik bekannt geworden, ein oder mehrere spannungsbegrenzende Elemente zu implementieren, welche den Einsatzbereich für eine entsprechende Elektronikeinheit 1 mit Transceiver-Einheit 2 erweitern. Häufig werden hierfür Dioden 6a,6b,6c eingesetzt, wie beispielhaft in Fig. 2 gezeigt. Wie bereits erwähnt, haben diese aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zum Schutz der Transceiver-Einheit verschiedene Nachteile, welche durch die erfindungsgemäße Lösung überwunden werden.
Eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit 1 ist in Fig.3 gezeigt.
Erfindungsgemäß verfügt die Elektronikeinheit über eine Transceiver-Schutzeinheit 7 umfassend eine Transistor-Einheit 8 und eine erste Begrenzungs-Einheit 9. Im hier gezeigten Beispiel umfasst die Transistor-Einheit 8 einen bipolaren Transistor 8a mit einem ohmschen Widerstand 8b. Die Transistor-Einheit 8 ist in Reihe zur Transceiver-Einheit 2 geschaltet. Die erste Begrenzungs-Einheit 9 weist als spannungsbegrenzendes Element eine Diode 9a auf und ist an die Basis des Transistors 8a angeschlossen.
Im Falle, dass die Versorgungsspannung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, welcher im Wesentlichen einer Sperrspannung der Diode 9a entspricht, wird die Diode 9a leitend. In diesem Falle steuert die Diode eine Eingangs-Spannung für den Steueranschluss des Transistors 8a auf einen vorgebbaren Steuer-Wert. Damit wird der Transistor hochohmiger und es fällt ein höherer Spannungsanteil der Versorgungs-Spannung über den Transistor 8a ab. Betrachtet man zur Vereinfachung in der Schaltung lediglich die Transceiver-Einheit 2, die Transistor-Einheit 8 und die erste Begrenzungs-Einheit 9, so setzt sich die Eingangs-Spannung UTE der Transceiver-Einheit 2 aus der Differenz der an der ersten Begrenzungseinheit 9 abfallenden Spannung Ug und der an der Transistor-Einheit 8 abfallenden Spannung Ue zusammen:
UTE = U9 - U8
Die Sperrspannung der Diode 9a ist bevorzugt so gewählt, dass sie größer als die
Versorgungsspannung und kleiner als eine maximal zulässige Spannung der Transceiver-Einheit 2 ist. Übersteigt die Versorgungsspannung einen vorgebaren Grenzwert, welcher in diesem speziellen Beispiel durch die Sperrspannung der Diode 9a gegeben ist, so wird die Diode 9a leitend und steuert damit die Eingangs-Spannung für das Gate des Transistors 8 auf den vorgebbaren Steuer- Wert. Hierdurch verringert sich der durch den Transistor 8 fließende Strom und es fällt ein höherer Spannungsanteil über den Transistor 8 ab. Dieser Spannungsanteil ist stets gerade so groß, dass die Eingangs-Spannung UTE der Transceiver-Einheit 2 den vorgebbaren Transceiver- Spannungswert, welcher ebenfalls üblicher kleiner dem maximal zulässigen Wert für die Eingangs- Spannung der Transceiver-Einheit 2 gewählt ist, nicht übersteigt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel vorhanden, jedoch nicht zwingend notwendig, sind weiterhin eine zweite 11 und eine dritte Begrenzungseinheit 12. Die zweite Begrenzungseinheit 11 weist einen Varistor 11a auf. Die zweite Begrenzungs-Einheit 11 ist vor der ersten Begrenzungs-Einheit 9 angeordnet und zwischen eine erste 5a und eine zweite Versorgungsleitung 5b der Transceiver- Einheit 2, bzw. der Elektronikeinheit 1 geschaltet. Die zweite Begrenzungs-Einheit 11 sorgt also für eine Vorbegrenzung der Versorgungsspannung.
Die dritte Begrenzungs-Einheit 12 dient der Begrenzung einer an einem In/Out-Anschlusselement der Transceiver-Einheit 2 anliegenden Spannung gegen transiente Überspannungen. Als spannungsbegrenzende Elemente dienen auch hier beispielhaft Dioden 12. In einer zweiten und dritten Ausgestaltung, wie in den Figuren Fig. 4 und Fig.5 gezeigt, umfasst die Vorrichtung ferner eine Reverseschutz-Einheit 10, welche dazu ausgestaltet ist, zumindest einen Signalanteil der Versorgungsspannung mit einer der Polarität der Eingangs-Spannung der
Transceiver-Einheit 2 entgegengesetzten Polarität auszublenden. Die Reverseschutz-Einheit 10 umfasst eine erste 10a und eine zweite Diode 10b. Die erste Diode 10a ist in Reihe mit der ersten Begrenzungs-Einheit 9 geschaltet, während die zweite Diode 10b zwischen der Transistor-Einheit 8 und der Transceiver-Einheit 2 angeordnet ist. Somit schützt die Reverseschutz-Einheit im
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 die Transistor-Einheit 8, und die Transceiver-Einheit 2 vor negativen Transienten, da die Dioden 10a und 10b beim Auftreten solcher Transienten in
Sperrrichtung wirken.
Während die Transistor-Einheit 8 in der Ausführung gemäß Fig. 4 im Minus-Zweig der Schaltungs- Anordnung implementiert ist, ist in Fig. 5 eine Ausgestaltung gezeigt, bei welcher die Transistor- Einheit 8 sich im Plus-Zweig befindet. Die Funktionsweise der einzelnen Komponenten ist analog zu den jeweiligen Funktionen in Fig. 3 und 4. Hierauf wird deswegen im Kontext von Fig. 5 nicht erneut im Detail eingegangen. Es sei lediglich darauf verwiesen, dass die ebenfalls zwei Dioden 10a und 10b umfassende Reversesch utz-E i nheit 10 im Falle der Fig. 5 vor positiven Transienten schützt.
Umfasst die Transceiver-Schutzeinheit also eine Reverseschutz-Schaltung 10, so können jeweils Transienten unterschiedlicher Polarität mit der gleichen Schaltungsanordnung berücksichtigt werden. Die zweite 11 und dritte Begrenzungs-Einheit 12 sowie die Reverseschutz-Einheit 10 sind wie die Transistor-Einheit 8 und die erste Begrenzungs-Einheit 9 bevorzugt Teil der Transceiver- Schutzeinheit 7.
Bezugszeichenliste
1 Elektronik-Einheit
2 Transceiver-Einheit
2a Regeleinheit
3 Recheneinheit
4 essteil
5 Anschlusselemente
6 Dioden
7 Transceiver-Schutzeinheit
8 Transistor-Einheit
8a Transistor
8b Widerstand
9 Erste Begrenzungs-Einheit
9a Diode
10 Reverseschutz-Einheit
10a,10b Dioden
11 Zweite Begrenzungs-Einheit
HaVaristor
12 Dritte Begrenzungs-Einheit
12a, 12b Dioden
UTE Eingangsspannung der Transceiver-Einheit
Ue am Transistor abfallender Spannungsanteil
U§ an der ersten Begrenzungs-Einheit abfallender Spannungsanteil

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis mit zumindest einer Sensoreinheit und einer Elektronikeinheit
(1 ).
welche Elektronikeinheit (1 ) eine Transceiver-Einheit (2) und eine Transceiver-Schutzeinheit (7) zur Begrenzung einer Eingangs-Spannung (UTE) der Transceiver-Einheit (2) auf einen vorgebbaren Transceiver-Spannungswert umfasst,
wobei die Transceiver-Schutzeinheit (7) eine erste Begrenzungs-Einheit (9) und eine Transistor-Einheit (8) mit zumindest einem Transistor (8a) umfasst,
wobei die Transistor-Einheit (8) in Reihe zu der Transceiver-Einheit (2) geschaltet ist, wobei die erste Begrenzungs-Einheit (9) parallel zur Transceiver-Einheit (2) geschaltet und an einen Steueranschluss des Transistors (8a) angeschlossen ist, und
wobei die erste Begrenzungs-Einheit (9) dazu ausgestaltet ist, im Falle, dass eine Versorgungs-Spannung für die Elektronikeinheit (1) einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, eine Eingangs-Spannung für den Steueranschluss des Transistors (8a) auf einen vorgebbaren Steuer-Wert zu steuern, derart, dass die Eingangs-Spannung (UTE) der Transceiver-Einheit (2) auf den ersten vorgebbaren Transceiver-Spannungswert begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei es sich bei dem Transistor (8a) um einen bipolaren Transistor (8a) mit zumindest einem, insbesondere ohmschen, Widerstand (8b), oder einen Feldeffekttransistor handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die erste Begrenzungs-Einheit (9) zumindest ein spannungsbegrenzendes Element (9a), beispielsweise eine Diode, insbesondere eine Zener-Diode oder eine Avalanche-Diode, oder einen Varistor umfasst.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
umfassend eine zweite Begrenzungs-Einheit (11 ) zur Begrenzung der Eingangs-Spannung (UTE) der Transceiver-Einheit (2), welche zweite Begrenzungs-Einheit (11 ) zwischen eine erste (5a) und eine zweite Versorgungsleitung (5c) der Transceiver-Einheit (2) geschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
wobei die zweite Begrenzungs-Einheit (11) zumindest ein spannungsbegrenzendes Element (11a), beispielsweise einen Varistor, einen Gasentlader, oder eine Diode, insbesondere eine Supressor-Diode oder eine Transzorb-Diode umfasst.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
umfassend eine dritte Begrenzungs-Einheit (12) zur Begrenzung einer an einem
Anschlusselement der Transceiver-Einheit (2) anliegenden Spannung umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
wobei die dritte Begrenzungs-Einheit (12) zumindest ein spannungsbegrenzendes Element (12a), beispielsweise eine Diode, insbesondere eine Supressor-Diode oder eine Transzorb- Diode, oder einen Varistor umfasst.
8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
umfassend eine Gleichrichtungs-Einheit zur Gleichrichtung der Eingangs-Spannung (UTE) der Transceiver-Einheit (2).
9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-7,
umfassend eine Reverseschutz-Einheit (10), welche dazu ausgestaltet ist, zumindest einen
Signalanteil der Versorgungsspannung mit einer der Polarität der Eingangs-Spannung (UTE) der Transceiver-Einheit (2) entgegengesetzten Polarität auszublenden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
wobei die Reverseschutz-Einheit (10) zumindest zwei Dioden (10a, 10b) umfasst.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
wobei eine erste Diode (10a) in Reihe mit der ersten Begrenzungs-Einheit (9) geschaltet ist, und
wobei eine zweite Diode (10b) zwischen der Transistor-Einheit (8) und der Transceiver-
Einheit (2) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei ein Eingang und ein Ausgang der Transceiver-Einheit (2) über ein einziges
Anschlusselement realisiert sind, und
wobei die Elektronikeinheit (1 ) zumindest ein Schaltelement aufweist.
13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-11 ,
wobei der Eingang der Transceiver-Einheit (2) über ein erstes Anschlusselement und der Ausgang der Transceiver-Einheit (2) über ein zweites Anschlusselement realisiert ist.
14. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Elektronikeinheit (1 ) dazu ausgestaltet ist, die Sensoreinheit mit einem
Anregesignal zu beaufschlagen, und von der Sensoreinheit ein die Prozessgröße repräsentierendes Empfangssignal zu empfangen.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Transceiver-Einheit (2) zumindest teilweise in Form eines integrierten
Schaltkreises ausgestaltet ist.
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