WO2009149945A2 - Fernmesstechnische einrichtung mit einem schleifengespeisten gerät und verfahren zu dessen betriebsspannungsversorgung - Google Patents

Fernmesstechnische einrichtung mit einem schleifengespeisten gerät und verfahren zu dessen betriebsspannungsversorgung Download PDF

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Definitions

  • Telemetry device with a loop-fed device and method for its operating voltage supply
  • the present invention relates to a remote-sensing device comprising a feeding receiving device and a transducer device fed by the receiving device via a current loop for outputting at least one variable measured value, wherein the measured value is impressed on the loop current, with a further device in the current loop. Furthermore, the invention also relates to a method for feeding such a device.
  • the field of application of the present invention extends to industrial automation equipment in process engineering, the automotive industry, the food industry and the like.
  • industrial systems of interest include electronically controllable devices, such as valves, motors, sensor devices which communicate with each other via a network and at least one higher-level controller analog and / or digital.
  • HART Highway Addressable Remote Transducer
  • HART-enabled devices devices integrated therein, which are called HART-enabled devices, over the common data bus.
  • HART specifically focuses on the widely used 0 / 4..20 mA standard for the transmission of analog sensor signals via a current loop.
  • the variable range between 4 and 20 mA represents the measured value or set value of the field device, while the fixed basic current of 4 mA is used for the electrical supply of the field device.
  • the HART standardization organization set a new HART standard dedicated to wireless signal transmission.
  • the radio transmission used here is based on the wireless communication standard IEEE 802.15.4 and uses TDMA as a transmission method.
  • this new wireless HART standard it is now possible to easily integrate wirelessly communicating HART devices into existing systems. If wirelessly communicating HART devices are to be integrated into the existing line-connected system, they must also be supplied with the required electrical power via the HART signal-carrying current loop and internally communicate wirelessly and with other wirelessly communicating HART devices or control units ,
  • the loop current must remain unchanged and the voltage drop across the additional device remain so small that the intended function of the fed Encoder device remains unaffected. Due to long cable lengths of several 100 m Within large systems, the voltage drop across the current loop is therefore different. This voltage drop is calculated according to Ohm's law, with the ohmic resistance of the current loop and the current loop current received. The operating voltage provided by the receiver is divided into the transmitter location, the voltage drop across the current loop, and the voltage of the additionally provided wirelessly communicating HART devices. Often, the supply voltage is just sufficient for a single additional field device with a limited line length.
  • DE 10 2006 009 979 A1 discloses a device for wireless communication with a field device, which comprises a communication unit for converting wired communication into wireless communication.
  • the disclosed device is powered from a local energy store.
  • This local energy store is also used for the operating voltage supply of the connected field device.
  • an energy management unit is provided by which the connected field device can be supplied to vorgebaren operating times with the required operating energy.
  • the measure of supplying operating energy to the HART device only at given operating times which it then stores via an energy store means a significant additional technical outlay. For example, the life of the energy storage is to be checked in maintenance intervals.
  • a disadvantage of this technical solution is the necessary periodic maintenance of the local energy storage and the resulting lack of availability of Equipment as well as the associated personnel expenses, which are not accepted by the operators of such facilities.
  • the invention is based on a remote-sensing device with a feeding receiving device and a generator fed by the receiving device via a current loop encoder device for outputting at least one variable measured value, which is impressed on the loop current.
  • the transmitter device is also designed for simultaneous bidirectional communication via the current loop.
  • the invention further assumes that an already installed current loop from a feeding receiving device, line and fed transducer device always has a sufficiently large reserve, so that subsequently an adapter with low power consumption can be looped.
  • the reserve is the smallest due to the voltage drop on the line at high currents.
  • a low - power passive adapter (type ⁇ 10 mW) requires so little supply power installed current loop is covered.
  • the current loop comprises a further device fed from the current loop for bidirectional communication via the current loop is trained.
  • This additional device is equipped to supply the current loop with adaptive voltage adjustment means to the current loop current depending on the current power demand.
  • These control means lower the operating voltage for the further device with increasing loop current inversely proportional to the loop current up to a minimum operating voltage value. As the loop current continues to increase, the operating voltage is kept constant at the minimum operating voltage value regardless of the loop current.
  • the voltage drop across the loop's ohmic resistance is low. This is the reserve from which the other device is fed, large.
  • the voltage drop across the ohmic resistance of the current loop is correspondingly high.
  • the reserve is the least but due to the high loop current is the erfoderliche performance for a passive adapter low power consumption of the current loop still removed without interference.
  • the advantage of the solution according to the invention is, in particular, that it can be placed on an existing current loop and is thereby supplied with the power necessary for its operation.
  • the generally higher power consumption of wirelessly communicating field devices can also be operated here. Since the voltage is a limiting factor, it is advantageous that the voltage drop remains as low as possible.
  • the invention leads by the dynamic adaptation of the operating voltage of the device to the currently on the
  • the adaptive operating voltage adjustment means according to the invention are preferably implemented in those field devices which have a constant power consumption.
  • the measured value or the signal does not fluctuate and results in constant operating voltage conditions derived from Ohm's law. Due to a voltage-dependent efficiency of a field device, a non-linear relationship may also exist.
  • the control agent of the solution according to the invention can be adjusted to such fluctuating conditions.
  • a current sensor unit for measuring the current loop current on the current loop.
  • the size of the current on the 0 / 4..20 mA current loop is a measure of the current measured value.
  • the temporal course of the current may contain further information, for example a digital bus signal, which is filtered out and sent to a downstream evaluation unit for further processing.
  • a filter unit for separating the useful signal used for the operating voltage adjustment in the low frequency range from the communication signal in the high frequency range. This optional filtering does not degrade the communication, since there is no voltage adaptation in the frequency ranges relevant for the communication.
  • Such a filter unit may possibly be dispensed with if the communication is so robust that a disturbance due to the voltage adaptation is justifiable.
  • the current sensor unit or, if present, the downstream filter unit is followed by a voltage presetting unit which, in accordance with a defined U-I operating curve, derives the value for the current from the current loop current
  • Operating voltage U w sets.
  • a voltage is preferably determined on the basis of the previously filtered signal, which corresponds to the filtered current, in accordance with the predetermined operating curve.
  • This operating curve results from boundary conditions, such as maximum power consumption and minimum operating voltage, is determined accordingly and in the Voltage preset unit stored stored.
  • An adaptation of this operating curve based on other variables, such as ambient temperature, component tolerances of the electronic components, safety margins to increase the reliability of the system and current power consumption can be made if necessary.
  • control means may include a voltage regulation unit downstream of the voltage regulation unit as an actuator for adjusting the operating voltage U w for the other device.
  • the voltage setting unit adjusts the voltage drop between a positive and negative range in accordance with the predetermined difference.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a technical facility
  • Figure 2 is a block diagram representation of another device with
  • Figure 3 is a graphical representation of a U-I operating curve of the control means for adaptive operating voltage adjustment.
  • FIG. 1 shows a remote-control device with a feeding receiving device 4 and a transmitter device 1 fed by the receiving device 4 via a current loop 3 for outputting at least one variable measured value.
  • the loop current is impressed on the measured value determined in the transducer device 1. Only the encoder device 1 can influence the loop current.
  • the encoder device 1 is designed for simultaneous bidirectional communication via the current loop 3. This is preferably realized via the known HART protocol.
  • a line resistance 5 is shown as a concentrated component in FIG. 1, which substitute represents the ohmic resistance of the connecting line forming the current loop 3.
  • the feeding receiving device 4 outputs at its terminals from a predetermined, constant supply voltage U 5 .
  • the current flowing through the loop 3 loop current is the same throughout the mesh.
  • the current intensity of the loop current is determined by the transducer device 1 and is composed of a constant base current for supplying the transducer device 1 and a variable current that maps the measured value.
  • the base current is 4 mA and the range of the measured value is mapped to the variable current of 0..16 mA.
  • the encoder device 1 requires the intended function of their
  • the loop current generates a voltage drop U L across the line resistance 5, which increases for a given line length with increasing loop current and reaches its maximum value at a maximum loop current of 20 mA.
  • a further device 2 is integrated in the current loop 3, which is designed for bidirectional communication via the current loop 3 and via the terminals of an operating voltage U w drops.
  • this further device 2 is embodied as a remote display device for visualizing the measured value and / or status data of the encoder device 1.
  • the data of donor devices 1 can be represented on site, the accessibility is difficult.
  • the further device 2 is designed as a remote operating device for parameterizing the transducer device 1.
  • donors devices 1 are parameterized on site, the accessibility is difficult.
  • the further device 2 is designed as a combined display and control device.
  • the further device 2 is designed for wireless communication with a superordinate device. It can be provided to exchange the measured value and / or state data of the encoder device 1 and / or parameterization data for the encoder device 1.
  • the further device 2 is equipped with an integrated radio unit 6.
  • the further device 2 is fed from the current loop 3.
  • the transmitter device 1 is a physical size measuring device in a process plant, while the further device 2 represents an adapter which transmits the measured value of the physical quantity wirelessly via an integrated radio unit 6 to a higher-level device.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the further device 2, which initially comprises in a chain of effects a current sensor unit 7 for measuring the current loop current on the current loop 3.
  • This is a filter unit 8 downstream.
  • the filter unit 8 is used to separate the useful signal used for the operating voltage adjustment in the low frequency range from the communication signal in the high frequency range.
  • the communication signal is supplied via a further filter unit 9 to a control unit 10 for further signal processing.
  • the filter unit 8 is in turn connected downstream of a voltage setting unit 11, which sets the value for the operating voltage U w based on a defined UI operating curve, which will be explained in more detail below, starting from the current loop current.
  • the voltage setting unit 11 in turn is a voltage control unit 12 for adjusting the operating voltage U w for the further device 2 downstream.
  • As part of the control means is also a DC converter 13 and a in the
  • Current loop 3 integrated modulator unit 14 is provided, which is supplied on the input side of the control unit 10 with user data and modulated on the loop current of the current loop 3.
  • the UI operating curve is used to establish an adjusted operating voltage U w, starting from the currently flowing loop current on the current loop 3. In this case, the curve also takes into account further operating parameters in the sense of correction factors, such as ambient temperature and the like.
  • the UI operating curve also defines a minimum operating voltage value Umin, which is 1 volt.
  • the operating voltage U w of the connected further device 2 is controlled by means of the UI operating curve based on the measured loop current and the requirements of the components used and the specification so that it is as small as possible at any time. If the other device 2 communicates wirelessly, then the operating voltage U w is composed of the minimum input voltage of the DC converter, the line requirement for the electronics for generating the useful signal, the efficiency and the amplitude of the modulation signal. The stored function allows according to the conditions mentioned that the operating voltage U w is lowered automatically to achieve a minimum input voltage.
  • the further device 2 has its own measuring unit, with which further measured quantities can be detected. These include, in addition to the loop current in particular the respective voltage drop across the transducer device 1 and independent of the transducer device 1 process variables, such as flow, temperature or pressure, which are received by the transducer device 1.
  • the transducer device 1 is designed as a flow meter and the other device 2 is a pressure measuring module which is integrated into the conductor loop for signal transmission and supply. By transmitting the additional measured pressure from the other device 2 to the transducer device 1, this can calculate the mass flow and output.
  • the further device 2 from volume flow and pressure could determine the mass flow and this with the transducer device 1 or the
  • Receiving device 4 communicate. In addition, it may be provided to log the measured values and / or process values derived from the measured values in an internal memory in order to use them for a later evaluation or query.
  • the further device 2 generates one or more variables for the correction, conversion, regulation and / or diagnosis of one or more transmitter devices 1. From a supplied from the current loop 3 further device 2 and multiple donors 1 a subsystem for complex measurements of several sizes or specific control functions is conceivable in this way.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine fernmesstechnische Einrichtung mit einer speisenden Empfangseinrichtung (4) und einer von der Empfangseinrichtung (4) über eine Stromschleife (3) gespeisten Gebereinrichtung (1) zur Ausgabe mindestens eines variablen Messwerts, wobei dem Schleifenstrom der Messwert aufgeprägt ist, mit einem weiteren aus der Stromschleife (3) gespeistes Gerät (2) und Verfahren zu dessen Betriebsspannungsversorgung. Dazu wird vorgeschlagen, das Gerät (2) mit Regelmitteln (11, 12) zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung an den Schleifenstrom in Abhängigkeit vom aktuellen Leistungsbedarf auszustatten, die die Betriebsspannung (Uw) bei anwachsendem Schleifenstrom umgekehrt proportional zum Schleifenstrom bis zu einem Minimal-Betriebsspannungswert absenken und die Betriebsspannung (Uw) bei weiterem Anstieg des Schleifenstroms schleifenstromunabhängig konstant halten.

Description

Fernmesstechnische Einrichtung mit einem schleifengespeisten Gerät und Verfahren zu dessen Betriebsspannungsversorgung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine fernmesstechnische Einrichtung mit einer speisenden Empfangseinrichtung und einer von der Empfangseinrichtung über eine Stromschleife gespeisten Gebereinrichtung zur Ausgabe mindestens eines variablen Messwerts, wobei dem Schleifenstrom der Messwert aufgeprägt ist, mit einem weiteren Gerät in der Stromschleife. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Speisung eines derartigen Geräts.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf industrielle Automatisierungsanlagen der Verfahrenstechnik, der Automobilindustrie, der Nahrungsmittelindustrie und dergleichen. Hier interessierende industrielle Anlagen umfassen elektronisch ansteuerbare Geräte, wie Ventile, Motoren, Sensorgeräte, welche über ein Netzwerk miteinander und mit mindestens einer übergeordneten Steuerung analog und/oder digital kommunizieren.
HART (Highway Adressable Remote Transducer) ist ein Beispiel für ein standardisiertes weit verbreitetes Kommunikationssystem zum Aufbau industrieller Feldbusse. Es ermöglicht die digitale Kommunikation der hierin integrierten Geräte, welche als HART-fähige Geräte bezeichnet werden, über den gemeinsamen Datenbus. HART setzt dabei speziell auf den ebenfalls weit verbreiteten 0/4..20 mA-Standard zur Übertragung analoger Sensorsignale über eine Stromschleife auf. Der variable Bereich zwischen 4 und 20 mA repräsentiert den Messwert oder Stellwert des Feldgeräts, während der feste Grundstrom von 4 mA der elektrischen Versorgung des Feldgeräts dient.
Aus der DE 197 23 645 A1 ist eine Anordnung zur Signalübertragung zwischen einer Geberstelle und einer Empfangsstelle beschrieben, bei der die Betriebsspannung für die Geberstelle durch einen Schaltregler erzeugt wird, der eine konstante Ausgangsspannung abgibt und dessen Ausgangsleistung von Verlusten abgesehen gleich seiner Eingangsleistung ist. Bei vereinbarungsgemäß konstantem Grundstrom zur Versorgung der Geberstelle wird zur Anpassung der Eingangsleistung an die benötigte Ausgangsleistung die Eingangsspannung der Geberstelle angepasst.
In Abhängigkeit von dem zu übertragenden Messwert, dessen Spanne auf einen Strom von 0..16 mA abgebildet wird, und dem feste Grundstrom von 4 mA der elektrischen Versorgung der Geberstelle stellt sich an den Klemmen der Geberstelle eine Spannung ein, die von der Leitungslänge der Stromschleife abhängig ist.
Unlängst wurde von der HART-Standardisierungsorganisation ein neuer HART- Standard festgelegt, welcher sich der drahtlosen Signalübertragung widmet. Die hierbei verwendete Funkübertragung basiert auf dem drahtlosen Kommunikationsstandard IEEE 802.15.4 und verwendet TDMA als Übertragungsverfahren. Mit diesem neuen drahtlosen HART-Standard ist es nun möglich, drahtlos kommunizierende HART- Geräte in einfacher Weise in bestehende Systeme zu integrieren. Sollen drahtlos kommunizierende HART-Geräte mit in das vorhandene, leitungsgebundene System integriert werden, so müssen auch diese über die die HART-Signale führende Stromschleife mit der nötigen elektrischen Leistung versorgt werden und kommunizieren intern drahtgebunden und drahtlos mit weiteren drahtlos kommunizierenden HART-Geräten oder Steuereinheiten.
Soweit zusätzliche Geräte oder Einrichtungen, wie beispielsweise Handbediengeräte (hand held terminale) oder drahtlos kommunizierende HART-Geräte, in die messwertführende Stromschleife eingeschaltet werden, muß der Schleifenstrom unverändert bleiben und der Spannungsabfall über dem zusätzlichen Gerät so klein bleiben, dass die bestimmungsgemäße Funktion der gespeisten Gebereinrichtung unbeeinträchtigt bleibt. Aufgrund von großen Leitungslängen von mehreren 100 m innerhalb großer Systeme ist der Spannungsabfall über der Stromschleife deshalb unterschiedlich groß. Dieser Spannungsabfall berechnet sich nach dem Ohm'schen Gesetz, wobei der Ohm'sche Widerstand der Stromschleife und der aktuelle Schleifenstrom eingehen. Die Betriebsspannung, welche die Empfangseinrichtung bereitstellt, teilt sich auf die Geberstelle, den Spannungsabfall über der Stromschleife und auf die Spannung der zusätzlich vorgesehenen drahtlos kommunizierenden HART-Geräte auf. Oftmals reicht die Versorgungsspannung nur gerade für ein einziges zusätzliches Feldgerät bei limitierter Leitungslänge aus.
Aus der DE 10 2006 009 979 A1 geht eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation nit einem Feldgerät hervor, die eine Kommunikationseinheit zur Umsetzung drahtgebundener Kommunikation in eine drahtlose Kommunikation umfasst. In Ermangelung einer speisenden Stromschleife wird die offenbarte Einrichtung aus einem lokalen Energiespeicher gespeist. Dieser lokale Energiespeicher dient darüber hinaus zur Betriebsspannungsversorgung des angeschlossenen Feldgeräts. Zur Minimierung des Energieverbrauchs und damit zur Verlängerung der Lebensdauer eines integrierten Energiespeichers ist eine Energiemanagementeinheit vorhanden, durch welche das angeschlossene Feldgerät zu vorgebaren Betriebszeiten mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgbar ist.
Die Maßnahme, nur zu vorgegebenen Betriebszeiten dem HART-Gerät Betriebsenergie zuzuführen, welche dieses dann über einen Energiespeicher bevorratet, bedeutet einen signifikanten zusätzlichen technischen Aufwand. So ist beispielsweise die Lebensdauer des Energiespeichers in Wartungsintervallen zu überprüfen. Der weitere Vorschlag, durch die Energiemanagementeinheit die Betriebsenergie des drahtlos kommunizierenden HART-Geräts zu vorgebbaren Ruhezeiten, zu welchen keine Kommunikation beabsichtigt ist, abzuschalten, führt zu einer entsprechend eingeschränkten Verfügbarkeit des gesamten Systems. Ferner kann nicht vorhergesagt werden, ob Betriebszeiten mit geringer Leistungsaufnahme zum Laden des Energiespeichers in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. Ein kontinuierlicher, von der Leistungsaufnahme des Signalgebers unabhängiger Betrieb, ist demnach nicht möglich.
Nachteilig bei dieser technischen Lösung ist die nötige periodische Wartung des lokalen Energiespeichers und die daraus resultierende mangelnde Verfügbarkeit der Einrichtung sowie der damit verbundene personelle Aufwand, die von den Betreibern derartiger Einrichtungen nicht akzeptiert werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße femmesstechnische Einrichtung mit einer speisenden Empfangseinrichtung und einer von der Empfangseinrichtung über eine Stromschleife gespeisten Gebereinrichtung um ein zusätzliches Gerät zu erweitern, das in technisch einfacher Weise und ohne Einschränkung der Verfügbarkeit des gesamten Systems in dieselbe Stromschleife integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird gegenständlich mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe verfahrensgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenene Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht aus von einer fernmesstechnischen Einrichtung mit einer speisenden Empfangseinrichtung und einer von der Empfangseinrichtung über eine Stromschleife gespeisten Gebereinrichtung zur Ausgabe mindestens eines variablen Messwerts, der dem Schleifenstrom aufgeprägt ist. Die Gebereinrichtung ist darüber hinaus zur gleichzeitigen bidirektionalen Kommunikation über die Stromschleife ausgebildet.
Die Erfindung geht ferner davon aus, dass eine bereits installierte Stromschleife aus einer speisenden Empfangseinrichtung, Leitung und gespeister Gebereinrichtung immer eine genügend große Reserve besitzt, so dass nachträglich noch ein Adapter mit geringer Leistungsaufnahme eingeschleift werden kann. Die Reserve ist aufgrund des Spannungsabfalls auf der Leitung bei hohen Strömen am kleinsten. Dabei bedarf im Gegensatz zu einer aktiven, den Strom der Schleife beeinflussenden Gebereinrichtung hoher Leistungsaufnahme (typ > 40 .. 200 mW je nach Stromaufnahme) ein rein passiven Adapter niedriger Leistungsaufnahme (typ < 10 mW) einer so geringen Speiseleistung, die von der Reserve der installierten Stromschleife abgedeckt ist.
Erfindungsgemäß umfasst die Stromschleife ein weiteres aus der Stromschleife gespeistes Gerät, das zur bidirektionalen Kommunikation über die Stromschleife ausgebildet ist. Dieses weitere Gerät ist zu seinerr Speisung aus der Stromschleife mit Regelmitteln zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung an den aktuellen Schleifenstrom in Abhängigkeit vom aktuellen Leistungsbedarf ausgestattet. Diese Regelmittel senken die Betriebsspannung für das weitere Gerät bei anwachsendem Schleifenstrom umgekehrt proportional zum Schleifenstrom bis zu einem Minimal- Betriebsspannungswert ab. Bei weiterem Anstieg des Schleifenstroms wird die Betriebsspannung schleifenstromunabhängig auf dem Minimal-Betriebsspannungswert konstantgehalten.
Bei geringem Schleifenstrom infolge eines analog übertragenen Messwerts am unteren Rand seiner Spanne ist der Spannungsabfall über dem Ohm'schen Widerstand der Stromschleife gering. Damit ist die Reserve, aus der das weitere Gerät gespeist wird, groß. Bei hohem Schleifenstrom infolge eines analog übertragenen Messwerts am oberen Rand seiner Spanne ist der Spannungsabfall über dem Ohm'schen Widerstand der Stromschleife dementsprechend hoch. Zwar ist dann die Reserve am geringsten aber infolge des hohen Schleifenstroms ist die erfoderliche Leistung für einen passiven Adapter niedriger Leistungsaufnahme der Stromschleife dennoch störfrei entnehmbar.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass diese auf einer vorhandenen Stromschleife aufgesetzt werden kann und dabei von dieser mit der für ihren Betrieb notwendigen Leistung versorgt wird. Insbesondere kann auch die in der Regel höhere Leistungsaufnahme von drahtlos kommunizierenden Feldgeräten hierüber bedient werden. Da die Spannung eine limitierende Größe ist, ist es von Vorteil, dass der Spannungsabfall möglichst gering bleibt. Die Erfindung führt durch die dynamische Adaption der Betriebsspannung des Geräts an den aktuell auf dem
Stromschleife fließenden Schleifenstrom auf den jeweils geringsten Spannungsabfall.
Die erfindungsgemäßen Regelmittel zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung werden vorzugsweise in denjenigen Feldgeräten implementiert, welche einen konstanten Leistungsverbrauch aufweisen. Bei diesen Feldgeräten schwankt der Messwert oder das Signal nicht und es ergibt sich aus dem Ohm'schen Gesetz abgeleitet konstante Betriebsspannungsbedingungen. Aufgrund von einem von der Spannung abhängigen Wirkungsgrad eines Feldgeräts kann unter Umständen auch eine nichtlineare Beziehung bestehen. Es ist jedoch auch denkbar, eine adaptive Betriebsspannungsanpassung an schwankende Leistungsanforderungen zu realisieren. Diese können beispielsweise bei schwankenden Kommunikationsfrequenzen auf dem Stromschleife erzeugt werden. Je nach Geschwindigkeit des industriellen Prozesses werden derartige Kommunikationsfrequenzen gesetzt. Für schnelle Prozesse erfolgt eine häufigere Kommunikation zwischen den Feldgeräten als bei langsamen Prozessen, was eine höhere Leistungsaufnahme zur Folge hat. Die Regelmittel der erfindungsgemäßen Lösung kann sich auf derartige schwankende Bedingungen einstellen.
Vorzugsweise umfassen die erfindungsgemäßen Regelmittel zur adaptiven
Betriebsspannungsanpassung eine Stromsensoreinheit zum Messen des aktuellen Schleifenstroms auf dem Stromschleife. Die Größe des Stroms auf der 0/4..20 mA Stromschleife ist dabei ein Maß für den aktuellen Messwert. Der zeitliche Verlauf des Stroms kann weitere Informationen enthalten, beispielsweise ein digitales Bus-Signal, welches herausgefiltert zur weitere Verarbeitung an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit gegeben wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dieser Stromsensoreinheit im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelmittel eine Filtereinheit zur Trennung des für die Betriebsspannungsanpassung verwendete Nutzsignals im niedrigen Frequenzbereich vom Kommunikationssignal im hohen Frequenzbereich nachzuschalten. Durch diese optionale Filterung wird die Kommunikation nicht verschlechtert, da keine Spannungsadaption im für die kommunikationsrelevanten Frequenzbereiche erfolgt. Auf eine solche Filtereinheit kann eventuell verzichtet werden, falls die Kommunikation so robust ist, dass eine Störung aufgrund der Spannungsadaption vertretbar ist.
Der Stromsensoreinheit oder - wenn vorhanden - der nachgeschalteten Filtereinheit wird gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme eine Spannungsvorgabeeinheit nachgeschaltet, welche nach Maßgabe einer definierter U-I- Betriebskurve ausgehend vom aktuellen Schleifenstrom den Wert für die
Betriebsspannung Uw festlegt. Hierdurch wird vorzugsweise basierend auf dem zuvor gefilterten Signal, welches dem gefilterten Strom entspricht, eine Spannung nach Maßgabe der vorgegebenen Betriebskurve bestimmt. Diese Betriebskurve ergibt sich aus Randbedingungen, wie maximaler Leistungsverbrauch und minimale Betriebsspannung, wird dementsprechend festgelegt und in der Spannungsvorgabeeinheit abgespeichert hinterlegt. Eine Adaption dieser Betriebskurve basierend auf weiteren Größen, wie Umgebungstemperatur, Bauteiltoleranzen der elektronischen Bauteile, Sicherheitszuschläge zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Systems sowie aktueller Leistungsverbrauch kann ggf. vorgenommen werden.
Schließlich können die Regelmittel eine der Spannungsvorgabeeinheit nachgeschaltete Spannungsregeleinheit als Stellglied zur Einstellung der Betriebsspannung Uw für das weitere Gerät umfassen.
Die Spannungsvorgabeeinheit stellt den Spannungsabfall zwischen einem positiven und negativen Bereich nach Maßgabe der vorgegebenen Differenz ein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer femmesstechnischen Einrichtung,
Figur 2 eine Blockschaltbilddarstellung eines weiteren Geräts mit
Betriebsspannungsversorgung aus der Stromschleife nach Figur 1 , und
Figur 3 eine grafische Darstellung einer U-I-Betriebskurve der Regelmittel zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung.
In der Figur 1 ist eine fernmesstechnische Einrichtung mit einer speisenden Empfangseinrichtung 4 und einer von der Empfangseinrichtung 4 über eine Stromschleife 3 gespeisten Gebereinrichtung 1 zur Ausgabe mindestens eines variablen Messwerts dargestellt. Dem Schleifenstrom ist der in der Gebereinrichtung 1 ermittelte Messwert aufgeprägt. Nur die Gebereinrichtung 1 kann den Schleifenstrom beeinflussen. Darüber hinaus ist die Gebereinrichtung 1 zur gleichzeitigen bidirektionalen Kommunikation über die Stromschleife 3 ausgebildet. Diese wird vorzugsweise über das für sich bekannte HART-Protokoll realisiert. Zur Veranschaulichung der elektrischen Verhältnisse in der Stromschleife 3 ist in der Figur 1 ein Leitungswiderstand 5 als konzentriertes Bauelement gezeigt, der ersatzweise den Ohm'schen Widerstand der die Stromschleife 3 bildende Verbindungsleitung repräsentiert.
Die speisende Empfangseinrichtung 4 gibt an ihren Klemmen eine vorgegebene, konstante Speisespannung U5 ab. Der die Stromschleife 3 durchfließende Schleifenstrom ist in der gesamten Masche gleich. Die Stromstärke des Schleifenstroms wird durch die Gebereinrichtung 1 bestimmt und setzt sich zusammen aus einem konstanten Grundstrom zur Versorgung der Gebereinrichtung 1 und einem variablen Strom, der den Messwert abbildet. Bei der im industriellen Umfeld gebräuchlichen 074..20-mA-Stromschleife beträgt der Grundstrom 4 mA und die Spanne des Messwerts wird auf den variablen Strom von 0..16 mA abgebildet.
Die Gebereinrichtung 1 benötigt zur bestimmungsgemäßen Funktion an ihren
Klemmen eine Betriebsspannung UD, die einen Mindestwert nicht unterschreiten darf.
Der Schleifenstrom erzeugt über dem Leitungswiderstand 5 einen Spannungsabfall UL, der bei gegebener Leitungslänge mit wachsendem Schleifenstrom zunimmt und bei einem maximalen Schleifenstrom von 20 mA seinen Höchstwert erreicht. Aus dem
Mindestwert der Betriebsspannung UD der Gebereinrichtung 1 und der vorgegebenen, konstanten Speisespannung Us an den Klemmen der Empfangseinrichtung 4 resultiert ein maximal zulässiger Leitungswiderstand 5 als limitierender Parameter der räumlichen Erstreckung der Stromschleife 3.
Darüber hinaus ist ein weiteres Gerät 2 in die Stromschleife 3 integriert, das zur bidirektionalen Kommunikation über die Stromschleife 3 ausgebildet ist und über dessen Klemmen eine Betriebsspannung Uw abfällt.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist dieses weitere Gerät 2 als abgesetzte Anzeigeeinrichtung zur Visualisierung des Messwerts und/oder von Zustandsdaten der Gebereinrichtung 1 ausgebildet. Vorteilhafterweise sind so auch die Daten von Gebereinrichtungen 1 vorort darstellbar, deren Zugänglichkeit erschwert ist. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Gerät 2 als abgesetzte Bedieneinrichtung zur Parametrierung der Gebereinrichtung 1 ausgebildet. Vorteilhafterweise sind so auch Gebereinrichtungen 1 vorort parametrierbar, deren Zugänglichkeit erschwert ist. In besonderer Ausgestaltung ist das weitere Gerät 2 als kombinierte Anzeige- und Bedieneinrichtung ausgebildet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Gerät 2 zur drahtlosen Kommunikation mit einer übergeordneten Einrichtung ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, den Messwert und/oder Zustandsdaten der Gebereinrichtung 1 und/oder Parametrierdaten für die Gebereinrichtung 1 auszutauschen. Dazu ist das weitere Gerät 2 mit einer integrierten Funkeinheit 6 ausgestattet.
In allen beschriebenen Ausführungsformen wird das weitere Gerät 2 aus der Stromschleife 3 gespeist.
Beispielsweise ist die Gebereinrichtung 1 ein Messgerät für eine physikalische Größe in einer verfahrenstechnischen Anlage, während das weitere Gerät 2 einen Adapter repräsentiert, der den Messwert der physikalischen Größe drahtlos über eine integrierte Funkeinheit 6 an eine übergeordnete Einrichtung überträgt.
Die zur Erfüllung der Funktionen der Gebereinrichtung 1 und des weiteren Geräts 2 erforderliche elektrische Energie wird über die Stromschleife 3 übertragen. Dabei weist das weitere Gerät 2 Regelmittel zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung an den Schleifenstrom in Abhängigkeit vom aktuellen Leistungsbedarf auf, welche bei hohem Schleifenstrom auf dem Stromschleife 3 die Betriebsspannung Uw des weiteren Geräts 2 proportional bis zu einem festgelegten Minimal-Betriebsspannungswert Umin absenkt und die Betriebsspannung Uw bei weiterem Anstieg des Schleifenstroms schleifenstromunabhängig konstant hält.
In der Figur 2 ist ein Blockschaltbild des weiteren Geräts 2 gezeigt, das in einer Wirkungskette zunächst eine Stromsensoreinheit 7 zum Messen des aktuellen Schleifenstroms auf dem Stromschleife 3 umfasst. Dieser ist eine Filtereinheit 8 nachgeschaltet. Die Filtereinheit 8 dient der Trennung des für die Betriebsspannungsanpassung verwendeten Nutzsignals im niedrigen Frequenzbereich vom Kommunikationssignal im hohen Frequenzbereich. Das Kommunikationssignal wird über eine weitere Filtereinheit 9 einer Steuereinheit 10 zur weiteren Signalverarbeitung zugeführt. Der Filtereinheit 8 ist wiederum eine Spannungsvorgabeeinheit 11 nachgeschaltet, welche nach Maßgabe einer definierten U-I-Betriebskurve, welche nachfolgend näher erläutert werden wird, ausgehend vom aktuellen Schleifenstrom den Wert für die Betriebsspannung Uw festlegt.
Der Spannungsvorgabeeinheit 11 wiederum ist eine Spannungsregeleinheit 12 zur Einstellung der Betriebsspannung Uw für das weitere Gerät 2 nachgeschaltet. Im Rahmen der Regelmittel ist ferner ein Gleichstromkonverter 13 sowie eine in den
Stromschleife 3 integrierte Modulatoreinheit 14 vorgesehen, welche eingangsseitig von der Steuereinheit 10 mit Nutzdaten versorgt wird und diese auf den Schleifenstrom der Stromschleife 3 aufmoduliert.
Die in der Figur 3 dargestellte U-I-Betriebskurve ist in der - hier nicht gezeigten -
Empfangseinrichtung 11 hinterlegt. Die U-I-Betriebskurve dient der Festlegung einer angepassten Betriebsspannung Uw ausgehend vom aktuell fließenden Schleifenstrom auf dem Stromschleife 3. Hierbei berücksichtigt der Kurvenverlauf auch weitere Betriebsparameter im Sinne von Korrekturfaktoren, wie Umgebungstemperatur und dergleichen. Die U-I-Betriebskurve legt ferner einen Minimal-Betriebsspannungswert Umin fest, der hier bei 1 Volt liegt.
Unter konstanten Leistungsvoraussetzungen wird mit Hilfe der U-I-Betriebskurve basierend auf dem gemessenen Schleifenstrom und den Anforderungen der eingesetzten Bauteile sowie der Spezifikation die Betriebsspannung Uw des angeschlossenen des weiteren Geräts 2 so geregelt, dass dieses zu jedem Zeitpunkt so klein wie möglich ist. Ist das weitere Gerät 2 drahtlos kommunizierend, so setzt sich die Betriebsspannung Uw zusammen aus der minimalen Eingangsspannung des Gleichstromkonverters, des Leitungsbedarfs für die Elektronik zur Erzeugung des Nutzsignals, des Wirkungsgrades sowie der Amplitude des Modulationssignals. Die hinterlegte Funktion ermöglicht gemäß den genannten Bedingungen, dass die Betriebsspannung Uw automatisch zur Erzielung einer minimalen Eingangsspannung gesenkt wird. In einer weiteren Ausgestaltungsform verfügt das weitere Gerät 2 über eine eigene Messeinheit, mit der weitere Messgrößen erfasst werden können. Dazu gehören neben dem Schleifenstrom insbesondere der jeweilige Spannungsabfall an der Gebereinrichtung 1 sowie von der Gebereinrichtung 1 selbst unabhängige Prozeßgrößen, wie Durchfluß, Temperatur oder Druck, die von der Gebereinrichtung 1 aufgenommen werden.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gebereinrichtung 1 als Durchflußmessgerät ausgebildet und das weitere Gerät 2 ist ein Druckmessmodul, das in die Leiterschleife zur Signalübertragung und Versorgung eingebunden ist. Durch Übermittlung der zusätzlichen Messgröße Druck von dem weiteren Gerät 2 an die Gebereinrichtung 1 kann dieses den Massenfluss berechnen und ausgeben.
Alternativ könnte auch das weitere Gerät 2 aus Volumenfluss und Druck den Massenfluss bestimmen und diesen mit der Gebereinrichtung 1 oder der
Empfangseinrichtung 4 kommunizieren. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, die Messwerte und / oder von den Messwerten abgeleitete Prozesswerte in einem internen Speicher zu protokollieren, um sie für eine spätere Auswertung oder Abfrage zu verwenden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß das weitere Gerät 2 eine oder mehrere Größen zur Korrektur, Umrechnung, Regelung und / oder Diagnose einer oder mehrerer Gebereinrichtungen 1 generiert. Aus einem aus der Stromschleife 3 versorgten weiteren Gerät 2 und mehreren Gebereinrichtungen 1 ist auf diese Weise ein Subsystem für komplexe Messungen aus mehreren Größen oder spezifischen Regelungsfunktionen denkbar.
* * * * * Bezugszeichenliste
1 Gebereinrichtung
2 Gerät
3 Stromschleife
4 Empfangseinrichtung
5 Leitungswiderstand
6 Funkeinheit
7 Stromsensoreinheit
8, 9 Filtereinheit
10 Steuereinheit
11 Spannungsvorgabeeinheit
12 Spannungsregeleinheit
13 Gleichstromkonverter
14 Modulatoreinheit

Claims

Patentansprüche
1. Fernmesstechnische Einrichtung mit einer speisenden Empfangseinrichtung (4) und einer von der Empfangseinrichtung (4) über eine Stromschleife (3) gespeisten Gebereinrichtung (1 ) zur Ausgabe mindestens eines variablen Messwerts, wobei dem Schleifenstrom der Messwert aufgeprägt ist, die Gebereinrichtung (1) zur gleichzeitigen bidirektionalen Kommunikation über die Stromschleife (3) ausgebildet ist, die Stromschleife (3) ein weiteres aus der Stromschleife (3) gespeistes Gerät (2) umfasst, das zur bidirektionalen Kommunikation über die Stromschleife (3) ausgebildet ist und zur Speisung aus der Stromschleife (3) mit Regelmitteln (11, 12) zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung an den Schleifenstrom in Abhängigkeit vom aktuellen Leistungsbedarf ausgestattet ist, und die Regelmittel (11, 12) die Betriebsspannung (Uw) für das weitere Gerät (2) bei anwachsendem Schleifenstrom umgekehrt proportional zum
Schleifenstrom bis zu einem Minimal-Betriebsspannungswert (Umjn) absenken und die Betriebsspannung (Uw) bei weiterem Anstieg des Schleifenstroms schleifenstromunabhängig konstant halten.
2. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel (11, 12) zur adaptiven Betriebsspannungsanpassung in denjenigen Gerät (2) implementiert sind, welches einen konstanten Leistungsverbrauch aufweist.
3. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel in mindestens einem drahtlos kommunizierenden Gerät (2) implementiert sind.
4. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Adaption an schwankende Kommunikationsfrequenzen bei der drahtlosen Datenkommunikation die Regelmittel eine Betriebsspannungsanpassung in Abhängigkeit der für die drahtlosen Datenkommunikation benötigten Leistung vornehmen.
5. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel eine Stromsensoreinheit (7) zum Messen des aktuellen Schleifenstroms in der Stromschleife (3) umfasst.
6. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel eine der Stromsensoreinheit (7) nachgeschaltete Filtereinheit (8) zur Trennung des für die Betriebsspannungsanpassung verwendeten Nutzsignals im niedrigen Frequenzbereich vom Kommunikationssignal im hohen Frequenzbereich.
7. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel (11, 12) eine der Filtereinheit (8) nachgeschaltete Spannungsvorgabeeinheit (11) umfasst, welche nach Maßgabe einer vorgegebenen U-I-Betriebskurve ausgehend vom aktuellen Schleifenstrom den
Wert für die Betriebsspannung (Uw) festlegt.
8. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die U-I-Betriebskurve der Spannungsvorgabeeinheit (11 ) in die adaptive
Betriebsspannungsanpassung an den aktuellen Leistungsbedarf des Geräts (2) weitere Betriebsparameter korrigierend berücksichtigt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, enthaltend: Umgebungstemperatur, Bauteiltoleranzen, Sicherheitszuschläge, aktueller Leistungsverbrauch.
9. Fernmesstechnische Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel (11, 12) eine der Spannungsvorgabeeinheit (11) nachgeschaltete Spannungsregeleinheit (12) zur Einstellung der Betriebsspannung (Uw) für das Gerät (2) umfasst.
10. Verfahren zur Betriebsspannungsversorgung von Geräten in fernmesstechnischen
Einrichtungen mit einer speisenden Empfangseinrichtung (4) und einer von der Empfangseinrichtung (4) über eine Stromschleife (3) gespeisten Gebereinrichtung
(1 ) zur Ausgabe mindestens eines variablen Messwerts, der dem Schleifenstrom aufgeprägt ist, wobei mindestens ein weiteres Gerät (2) aus der Stromschleife (3) mitversorgt wird und - die Betriebsspannung (Uw) des weiteren Geräts (2) über Regelmittel (11 , 12) derart adaptiv an den aktuellen Schleifenstrom angepasst wird, dass die Betriebsspannung (Uw) bei anwachsendem Schleifenstrom umgekehrt proportional zum Schleifenstrom bis zu einem Minimal- Betriebsspannungswert (Umin) abgesenkt wird und die Betriebsspannung (Uw) bei weiterem Anstieg des Schleifenstroms schleifenstromunabhängig bei dem
Minimal-Betriebsspannungswert (Umin) konstant gehalten wird.
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