WO2024022656A1 - Anschlussschaltung für ein feldgerät und feldgerät - Google Patents

Anschlussschaltung für ein feldgerät und feldgerät Download PDF

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WO2024022656A1
WO2024022656A1 PCT/EP2023/065062 EP2023065062W WO2024022656A1 WO 2024022656 A1 WO2024022656 A1 WO 2024022656A1 EP 2023065062 W EP2023065062 W EP 2023065062W WO 2024022656 A1 WO2024022656 A1 WO 2024022656A1
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current
connection circuit
current limiting
limiting element
voltage
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PCT/EP2023/065062
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Fiedler
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Endress+Hauser Flowtec
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0428—Safety, monitoring
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B9/00—Safety arrangements
    • G05B9/02—Safety arrangements electric
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/25—Pc structure of the system
    • G05B2219/25428—Field device

Definitions

  • the invention relates to a connection circuit for a field device and a field device with the connection circuit according to the invention.
  • field devices are often used that are used to record and/or influence process variables.
  • Sensors are used to record process variables, which are integrated, for example, in level measuring devices, flow meters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH value or conductivity.
  • Actuators such as valves or pumps, are used to influence process variables and can be used to change the flow of a liquid in a pipe section or the fill level in a container.
  • field devices also include remote I/Os, radio adapters or generally electronic measuring components that are arranged at the field level.
  • a field device is in particular selected from a group consisting of flow measuring devices, level measuring devices, pressure measuring devices, temperature measuring devices, limit level measuring devices and/or analytical measuring devices.
  • Flow measuring devices are in particular Coriolis, ultrasonic, vortex, thermal and/or magnetic-inductive flow measuring devices.
  • Level measuring devices are in particular radar-based level measuring devices, microwave level measuring devices, ultrasonic level measuring devices, time domain reflectometric level measuring devices, radiometric level measuring devices, capacitive level measuring devices, inductive level measuring devices and/or temperature-sensitive level measuring devices.
  • Pressure measuring devices are in particular absolute, relative or differential pressure devices.
  • Temperature measuring devices are in particular measuring devices with thermocouples and/or temperature-dependent resistors.
  • Point level measuring devices are in particular vibronic point level measuring devices, ultrasonic level measuring devices and/or capacitive point level measuring devices.
  • Analysis measuring devices are in particular pH sensors, conductivity sensors, oxygen and active oxygen sensors, (spectro)-photometric sensors, and/or ion-selective electrodes.
  • field devices of the type described also include an electronics housing, which, as proposed for example in US 63 97 683 A or WO 00/36379 A1, is arranged away from the sensor and can only be connected to it via a flexible line or that, as shown, for example, in EP 903 651 A1 or EP 1 008 836 A1, is arranged directly on the sensor or on a sensor housing housing the sensor separately.
  • an electronics housing which, as proposed for example in US 63 97 683 A or WO 00/36379 A1, is arranged away from the sensor and can only be connected to it via a flexible line or that, as shown, for example, in EP 903 651 A1 or EP 1 008 836 A1, is arranged directly on the sensor or on a sensor housing housing the sensor separately.
  • the electronics housing as shown for example in EP 984 248 A1, US 45 94 584 A1, US 47 16 770 A1 or US 63 52 000 B1, also serves to accommodate some mechanical components of the sensor, such as membrane, rod, sleeve or tubular deformation or vibration bodies that deform during operation under mechanical influence, see also US 63 52 000 B1 mentioned at the beginning.
  • Field devices of the type described are also usually connected to one another and/or to corresponding process control computers via a data transmission system connected to the connection circuit, to which they transmit the measured value signals, for example via a (4 mA to 20 mA) current loop and/or via a digital data bus send and/or from which they receive operating data and/or control commands in a corresponding manner.
  • the data transmission systems used here are, in particular, serial fieldbus systems, such as PROFIBUS-PA, FOUNDATION FIELDBUS and the corresponding transmission protocols.
  • the transmitted measured value signals can be further processed and visualized as corresponding measurement results, for example on monitors, and/or converted into control signals for other field devices designed as actuating devices, such as solenoid valves, electric motors, etc.
  • Modern field devices are often so-called two-wire field devices, i.e. those field devices in which the connection circuit is electrically connected to the external electrical energy supply only via a single pair of electrical lines (a two-wire conductor) and in which the connection circuit also has the current Transmits measured value via the single pair of electrical lines to an evaluation unit provided in the external electrical energy supply and / or electrically coupled to it.
  • the connection circuit includes a current controller through which the supply current flows for setting and/or modulating, in particular clocking, the supply current, an internal operating and evaluation circuit for controlling the field device, and an internal input voltage of the field device electronics that is separated from the supply voltage , the internal supply circuit feeding the internal operating and evaluation circuit with at least one of a variable partial current of the supply current through which voltage regulator flows, which provides an internal useful voltage in the field device electronics that is essentially constantly regulated at a predeterminable voltage level.
  • two-wire field devices in particular two-wire measuring devices or two-wire actuating devices, can be found, among others, in WO 03/048874 A1, WO 02/45045 A1, WO 02/103327 A1, WO 00/48157 A1, WO 00/26739 A1, US 67 99 476 B1, US 65 77 989 B2, US 66 62 120 B1, US 65 74 515 B1, US 65 35 161 B1, US 65
  • the ADVANCED PHYSICAL LAYER is a new communication standard for field devices. It is based on SINGLE PAIR ETHERNET (SPE) and is also intended to enable an intrinsically safe supply (EX).
  • SPE SINGLE PAIR ETHERNET
  • EX intrinsically safe supply
  • Several field devices are usually connected to a field switch and in order not to exceed the specified, available deliverable power when these field devices are started at the same time, as well as not to disrupt communication and/or operation when starting a single field device, the APL provides standard rules for the starting behavior. These include, among other things, rules regarding the “Inrush Current” and “Current Peaks” or the maximum current change and the maximum operating current. These sizes are limited, especially when starting up the field device.
  • the invention is based on the object of providing an alternative solution.
  • Ethernet-APL IEEE Std 802.3cg-2019
  • a supply capacitor connected upstream of the voltage converter, wherein the supply capacitor is designed to absorb electrical energy when the connection circuit is started and thus to supply the voltage converter;
  • first current limiting element connected upstream of the supply capacitor, wherein the first current limiting element is designed to limit an input current below a permissible limit current when the connection circuit is started;
  • test element which is set up to check whether the first criterion is met.
  • the supply capacitor enables a stable internal voltage and power supply using sufficiently large buffer capacities. Furthermore, a limitation of the charging current of the input capacities of the device is achieved without delay when starting.
  • the capacity of the supply capacitor is usually greater than 50 pF.
  • the first current limiting element is designed to limit the charging current of the supply capacitor so that the maximum inrush current, for example assigned by a standard, is not exceeded.
  • the test element is designed to ensure that the charging current flows via the first current limiting element in the event of an undersupply of voltage (i.e. when charging the supply capacitor). Furthermore, the test element is set up to bridge the first current limiting element via the first bridging element when the supply capacitor has reached a predetermined state of charge.
  • test element is set up to compare a first voltage present between the connections and the first current limiting element with a second voltage present between the first current limiting element and the supply capacitor, the first criterion being met when the supply capacitor has a predetermined one State of charge is reached and/or when the second voltage, in particular a sum of the second voltage and a preset voltage offset, is greater than the first voltage.
  • the voltage offset is selected in such a way that, on the one hand, this voltage can be reached safely (for bridging) taking into account all tolerances and, on the other hand, the difference between the voltage that leads to bridging and the available charging voltage is as small as possible, so that the compensating current during bridging the current limiting element does not generate an impermissible current peak.
  • the second current limiting element is designed in such a way, in particular after 1000 ms from the start of the connection circuit at the latest, to limit a temporal current change that results from recharging the capacitor below a current change limit.
  • the advantage of the design is that a limitation of high current changes when starting up all subsequent circuit parts is achieved. This applies, for example, to voltage converters, microcontrollers, memories and integrated circuits for implementing communication (APL-Phy).
  • the second current limiting element is therefore a dl/dt limiter.
  • One embodiment provides that with a permitted maximum operating voltage of 15 V, the current change limit is less than 10 mA/ms, with a permitted maximum operating voltage of 50 V, the current change limit is less than 100 mA/ms,
  • the second current limiting element is designed in such a way that, with a permitted maximum operating voltage of 15 V, within 1000 ms from the start of the connection circuit, less than 7 current peak events are permitted in which the temporal current change is greater than/equal to 10 mA /ms, whereby the second current limiting element is designed in such a way that, at a permitted maximum operating voltage of 50 V, within a sliding time interval of 1000 ms from the start of the connection circuit, less than 7 current peak events are permitted in which the temporal current change is greater than/equal is 100 mA/ms.
  • the second current limiting element is designed such that at a permitted maximum operating voltage of 15 V, a maximum current jump is less than/equal to 50 mA, wherein the second current limiting element is designed such that at a permitted maximum operating voltage of 50 V, a maximum current peak current for a current peak event is less than/equal to 50 mA.
  • a second bridging element connected in parallel with the second current limiting element for bridging the second current limiting element when a second criterion is met.
  • microcontroller is in communication with the second bridging element and is set up to transmit a signal to the second bridging element when the second criterion is met.
  • One embodiment provides that the second criterion is met when the microcontroller has reached an operating state in which it is ready for communication.
  • microcontroller is set up to transmit the signal with a delay in such a way that a current peak event generated during bridging by means of the first bridging element does not coincide in time with a current peak event generated by the starting voltage converter.
  • One embodiment provides that with a permitted maximum operating voltage of 15 V, the current limit corresponds to 95 mA, in particular 55.56 mA, with a permitted maximum operating voltage of 50 V, the current limit corresponds to 1250 mA.
  • the first current-limiting element has at least one electrical current-limiting resistor R SBE1 , for which 20H ⁇ R SB EI 1000 H applies.
  • the electrical current limiting resistor R SBE1 ensures the necessary charging current limitation. Since the current limiting resistor R SBE1 is always in the charging branch regardless of the available voltage, there is no response delay and the current is limited from the start.
  • the second current-limiting element has an electrical current-limiting resistor R SBE1 , for which 3fl ⁇ R SBE1 ⁇ 500 H applies.
  • the first bridging element is designed such that the first current limiting element after starting, is inactive, in particular when a predetermined voltage across the first current limiting element is exceeded.
  • the test element automatically receives a value that ensures that the bridging always remains switched on - regardless of the subsequent state of charge of the input capacities. This means that the current limitation is only active when the field device is started and the voltage of the input capacitance is defined to be smaller than the external voltage. If the field device is only switched off briefly and the capacitors in the connection circuit are still charged, the starting process is correspondingly shorter.
  • the sensor has a sensor for determining a process variable
  • connection circuit according to the invention is arranged in the electronics housing.
  • connection circuit 1: a simplified representation of a first embodiment of the connection circuit
  • Fig. 2 a section of a circuit diagram of the first embodiment of the connection circuit
  • Fig. 3 a simplified representation of a second embodiment of the connection circuit
  • Fig. 4 a section of a circuit diagram of the second embodiment of the connection circuit
  • Fig. 5 a time course of the current and the change in current over time after starting
  • Fig. 6 a field device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a simplified representation of a first embodiment of the connection circuit 1 for a field device. This is just a section with a focus on the first current limiting element 6, so individual ones are Essential components are not shown in FIG. 1, but in the more complete representation of FIG shown) for connecting a two-wire line (also shown in Fig. 6), via which, on the one hand, the field device can be fed with electrical energy from a voltage source 12 and, on the other hand, via which a measurement signal can be transmitted from the field device to the outside, for example to a control system.
  • a two-wire line also shown in Fig. 6
  • connection circuit 1 comprises a microcontroller (shown in FIG. 3) for operating the field device.
  • a microcontroller in the sense of the application is a one-chip computer system or a semiconductor chip, which includes a processor and optionally also the necessary RAM.
  • connection circuit has a voltage converter (shown in FIG. 3) connected upstream of the microcontroller, which is set up to convert the voltage present at the input to the operating voltage with which the microcontroller can be operated.
  • a voltage converter shown in FIG. 3
  • Commercially available voltage converters can be used as voltage converters.
  • connection circuit 1 shows a supply capacitor 5 connected upstream of the voltage converter. This is designed to absorb electrical energy when the connection circuit 1 is started and thus to supply the voltage converter. When starting up, the supply capacitor 5 is charged via the voltage source 12. A sufficiently high supply capacity (e.g. 220 pF) is necessary for the internal supply of the connection circuit 1.
  • a sufficiently high supply capacity e.g. 220 pF
  • a first current limiting element 6 connected upstream of the supply capacitor 5 is designed in such a way that it limits an input current below a permissible limit current when the connection circuit 1 is started.
  • the first current limiting element 6 can include a field effect transistor, a relay, a bipolar transistor, an electrical current limiting resistor or another electronic component that can be freely selected from the prior art and which fulfills the same function.
  • a first bridging element 8 connected in parallel to the first current limiting element 6 is provided. This serves to bridge the first current limiting element 6 or is set up to bridge the first current limiting element 6 when a first criterion is met.
  • the first criterion can be a specification of the voltage present on an electronic component or a state of charge of the supply capacitor.
  • a test element 10 is provided, which is set up to check whether the first criterion is met.
  • the test element 10 may include a comparator or other suitable analog or digital circuit for comparing two voltages.
  • the test element 10 is set up to compare a first voltage VIA present between the connections and the first current limiting element 6 with a second voltage VL2 present between the first current limiting element 6 and the supply capacitor 5.
  • the first criterion is fulfilled, for example, when the supply capacitor 5 reaches a predetermined state of charge and/or when the second voltage VL2, in particular a sum of the second voltage VL2 and a preset voltage offset OS, is greater than the first voltage VL1. If the first criterion is met, the first bridging element 8 is activated and the first current limiting element 6 is deactivated. After the first criterion has been met, the current flows via the first bridging element 8.
  • the first bridging element 8 is designed such that the first current limiting element 6 is inactive after starting, in particular when a predetermined voltage across the first current limiting element 6 is exceeded.
  • the first bridging element 8 can thus be designed as a switch or can comprise at least one switching component which bridges (or short-circuits) the first current limiting element 6 and thus only becomes active when the predetermined voltage has built up on the first current limiting element 6.
  • a conventional transistor, a field effect transistor, in particular a metal oxide semiconductor field effect transistor, a relay or analog switch is suitable as the first bridging element 8. It is also advantageous for several of the switching components mentioned to work together.
  • connection circuit 1 can have additional capacitors 13 - which are not to be confused with the supply capacitor 5 - with capacities of less than 200 pj or 500 pJ. These are not used to supply the microcontroller, but are the cause of “inrush currents” events.
  • the first current limiting element consists of two electrical current limiting resistors 20 designated R234 and R235. Alternatively, the first current limiting element can also consist of just one current limiting resistor or more than two current limiting resistors. If the first current-limiting element is an electrical current-limiting resistor, the following applies to the electrical resistance: 20 H ⁇ R SBE1 ⁇ 1000 H. The required electrical resistance can be - how shown - be distributed over several individual electrical current limiting resistors.
  • the test element comprises a comparator 21, which is set up to compare the voltage present at the measuring resistors 22 arranged between the input and the first current limiting element with the voltage present at the measuring resistors 23 arranged between the first current limiting element and the voltage converter.
  • the comparator 21 is set up to transmit a voltage signal via the signal conductor 26 to the voltage converter when the first criterion is met, i.e. the inequality VIA ⁇ (VL2 + OS) and to actuate the two switches 24 (V208 and V209).
  • the damping components 25 are provided, which serve to minimize current changes that can occur when switching the two switches 24 (V208 and V209).
  • the damping components 25 include an electrical resistor R242, which is arranged between the two switches 24, and a capacitor C212, which is connected in parallel to at least one of the switches 24.
  • the electrical resistance of the R242 and the capacitance of the C212 are selected so that current changes that occur when the two switches 24 are switched do not exceed a predetermined tolerance value.
  • the electrical resistance of the R242 is preferably between 100 ohms and 1 mega ohms.
  • the capacitance of capacitor C212 is preferably between 10 nF and 100 pF.
  • a resistor R241 is arranged in parallel with the capacitor C212 and is designed to safely discharge the capacitor C219 when the power supply is switched off, so that attenuation or delay is ensured the next time it is started.
  • the measuring resistor 22 comprises two individual series-connected electrical resistors R233 and R 228 and the measuring resistor 23 comprises three series-connected electrical resistors R238, R239 and R237, with a node between the two electrical resistors R239 and R237, which is connected to a first input of the comparator 21 via an electrical conductor. There is also a node between the resistors R233 and R228, which is connected to a second input of the comparator 21 via an electrical conductor.
  • a resistor R236 is arranged between the emitter of the transistor V209 and the ground potential, which serves to reduce the discharge current in the capacitor C212 and is designed such that the switching of the transistor V209 occurs more slowly. Furthermore, the resistor R236 ensures that the base current is limited by the transistor V209.
  • the two switches 24 comprise an (npn) bipolar transistor (V209), the base of which is connected to the output of the comparator 21 and the emitter of which has a ground potential is connected and a p-MOSFET (V208), the gate of which is connected to the collector of the (npn) bipolar transistor via an electrical conductor.
  • Fig. 3 shows a simplified representation of a second embodiment of the connection circuit 1, the illustration shown includes a part of Fig. 1 (see area with dotted border).
  • the test element 10 is set up to transmit a signal, in particular a voltage signal, to the voltage converter when the first criterion is met. This prevents the current peak events occurring when the voltage converter 4 starts up from coinciding with the current peak events during bridging by means of the first bridging element.
  • connection circuit has a second current limiting element 7 connected upstream of the supply capacitor 5.
  • This is designed in such a way that, in particular after 1000 ms at the latest from the start-up of the connection circuit 1, a temporal change in current, which results from recharging the capacitor 5, remains below a current change limit.
  • the current change limit With a permitted maximum operating voltage of 15 V, the current change limit is less than 10 mA/ms and with a permitted maximum operating voltage of 50 V, the current change limit is less than 100 mA/ms.
  • the second current limiting element 7 is designed in such a way that, with a permitted maximum operating voltage of 15 V, it allows fewer than 7 current peak events within 1000 ms from the start of the connection circuit 1, in which the temporal change in current is greater/ is equal to 10 mA/ms.
  • the second current limiting element 7 is designed such that it allows less than 7 current peak events within a sliding time interval of 1000 ms from the start of the connection circuit where the current change over time is greater than/equal to 100 mA/ms.
  • the second current limiting element 7 is designed in such a way that a maximum current jump is less than/equal to 50 mA at a permitted maximum operating voltage of 15 V or, alternatively, the second current limiting element 7 - for an permitted maximum operating voltage of 50 V - is like this designed that a maximum value of the current peak in a current peak event is less than/equal to 50 mA.
  • the second current limiting element 7 can include a field effect transistor, a relay, a bipolar transistor, an electrical current limiting resistor or another electronic component that can be freely selected from the prior art and which fulfills the same function.
  • a second bridging element 9 is provided which is connected in parallel to the second current limiting element 7 and is designed to connect the second Current limiting element 7 to bridge if a second criterion is met.
  • the second criterion can be a specification of the voltage present on an electronic component or a charge state of the supply capacitor or an operating state of the microcontroller / state in the program (software) of the microcontroller.
  • the second criterion can be fulfilled when the microcontroller 3 has reached an operating state in which it is ready for communication.
  • the second bridging element 9 can be designed as a switch or comprise at least one switching component which bridges (or short-circuits) the second current limiting element 7 and thus only becomes active when the second criterion is met.
  • the microcontroller 3 is in communication with the second bridging element 9 and is set up to transmit a signal, in particular a voltage signal, to the second bridging element 9 when the second criterion is met. It is advantageous if the current peak events are coordinated appropriately so that they do not coincide in time. For this purpose, the microcontroller 3 is set up to transmit the signal, in particular the voltage signal, with a delay in such a way that a current peak event generated during bridging by means of the second bridging element 8 does not coincide in time with a current peak event generated by the starting voltage converter 4 .
  • Ethernet-APL IEEE Std 802.3cg-2019
  • the Ethernet-APL (IEEE Std 802.3cg-2019) standard specifies current limits. With a permitted maximum operating voltage of 15 V, the current limit is 95 mA, in particular 55.56 mA, and with a permitted maximum operating voltage of 50 V, the current limit is 1250 mA.
  • connection circuit 1 shows a section of a circuit diagram of the second embodiment of the connection circuit 1.
  • the detail shows only the part of the connection circuit 1, which is relevant to the description of the second current limiting element and the second bridging element.
  • the second current limiting element its electrical current limiting resistor R SBE1 is within the limit of 3 and 500 ohms.
  • the second current limiting element comprises an electrical current limiting resistor 30.
  • the second bridging element comprises two switches 33 of the same type (V211 and V212).
  • the switches V211 and V212 shown are each a MOSFET. However, other switching components can also be used.
  • the gate of the switch V212 is connected to the microcontroller via a signal conductor 31.
  • the source is electrically connected to a ground potential and the drain is electrically connected to the gate of the other switch V211 via a conductor.
  • a damping component 34 Connected in series is a damping component 34 - in this case an electrical resistor R247 (100 ohms to 1 megaohms).
  • the second switch 33 is configured such that when the switch is activated, the second current limiting element is bridged (or short-circuited).
  • a capacitor C219 is connected in parallel to the switch V211, which also has the task of a damping component 34.
  • the capacitance of capacitor C219 is between 10nF and 100pF, including the limits.
  • a resistor R248 is arranged parallel to the capacitor C219, which is designed to safely discharge the capacitor C219 when the power supply is switched off, so that attenuation or delay is guaranteed the next time it is started.
  • Fig. 5 shows a time course of the current and the change in current over time after starting.
  • the current was measured at the input of the connection circuit and the change in current results from the time derivative of the current.
  • the inrush current causes a current change peak event I during the current change over time.
  • the maximum value of this event is approx. 5.46 A/s and is therefore below the specified 10 A/s.
  • the first inrush current the current drops slightly.
  • the first current surge comes from the charging current of the unlimited capacities before the current limitation.
  • the charging current decreases as the voltage difference between the input and the large charging capacitor is equalized. At 600 ms a current peak event can be seen with a maximum current of approximately 5 mA.
  • the connection circuit 1 according to the invention is arranged in the electronics housing 103.
  • the connection circuit 1 has two connections 2 forming a two-wire interface, in particular Ethernet-APL (IEEE Std 802.3cg-2019) compliant, for connecting a two-wire line 105.
  • the two-wire line 105 is designed, on the one hand, to supply the field device 100 with electrical energy and, on the other hand, to transmit a measurement signal from the field device 100 to a monitoring unit.
  • the field device 100 shown is a vortex flowmeter.
  • the measuring sensor 101 of a vortex flowmeter usually includes a measuring tube 104 with two front sides arranged connection devices (eg flanges) and a bluff body arranged in the measuring tube 104 to form a Kärmän vortex street (covered by the measuring tube 104).
  • the sensor 102 comprises a sensor vane (also covered by the measuring tube), which projects into the Kärmän vortex street and a deformation body to which the sensor vane is attached and to which the movement of the sensor vane is transmitted.
  • Vortex flowmeters examples include US 2006/0230841, US 2008/0072686, US 2011/0154913, US 2011/0247430, US 2016/0123783, US 2017/0284841, US 2019/009 4054 , US 60 03 384, US 61 01 885, US 63 52 000, US 69 10 387 or US 69 38 496 and are also offered by the applicant himself, for example under the product name “PROWIRL D 200” , “PROWIRL F 200”, “PROWIRL O 200”, “PROWIRL R 200” (https://www.de.endress.com/de/messgeraete-fuer-die-vonstechnik/ press Kunststoff- sanguebersicht/vortex-windz%C3 %A4hler flow measurement).

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  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anschlussschaltung (1) für ein Feldgerät (100), umfassend zwei eine Zweileiterschnittstelle bildende Anschlüsse (2), ein Mikrocontroller (3) zum Betreiben des Feldgerätes, ein dem Mikrocontroller (3) vorgeschalteter Spannungswandler (4), welcher dazu eingerichtet ist, den Mikrocontroller (3) mit einer Betriebsspannung zu betreiben, ein dem Spannungswandler (4) vorgeschalteter Versorgungskondensator (5), welcher dazu eingerichtet ist, bei einem Aufstarten der Anschlussschaltung (1) elektrische Energie aufzunehmen und damit den Spannungswandler (4) zu versorgen, ein dem Versorgungskondensator (5) vorgeschaltetes erstes Strombegrenzungselement (6), welches derart ausgebildet ist, einen Eingangsstrom beim Aufstarten der Anschlussschaltung (1) unterhalb eines zulässigen Grenzstromes zu begrenzen, ein zu dem ersten Strombegrenzungselement (6) parallel geschaltetes erstes Überbrückungselement (8) zum Überbrücken des ersten Strombegrenzungselementes (6), wenn ein erstes Kriterium erfüllt ist und ein Prüfelement (10), welches dazu eingerichtet ist, zu überprüfen, ob das erste Kriterium erfüllt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Feldgerät.

Description

Anschlussschaltung für ein Feldgerät und Feldgerät
Die Erfindung betrifft eine Anschlussschaltung für ein Feldgerät und ein Feldgerät mit der erfindungsgemäßen Anschlussschaltung.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozess-Automatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotentialmessgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Messkomponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Ein Feldgerät ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Durchflussmessgeräten, Füllstandsmessgeräten, Druckmessgeräten, Temperaturmessgeräten, Grenzstandsmessgeräten und/oder Analysemessgeräten.
Durchflussmessgeräte sind insbesondere Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermische und/oder magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte.
Füllstandsmessgeräte sind insbesondere Radar-basierte Füllstandsmessgeräte, Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte, radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, induktive Füllstandsmessgeräte und/oder temperatursensitive Füllstandsmessgeräte.
Druckmessgeräte sind insbesondere Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte.
Temperaturmessgeräte sind insbesondere Messgeräte mit Thermoelementen und/oder temperaturabhängigen Widerständen.
Grenzstandsmessgeräte sind insbesondere vibronische Grenzstandsmessgeräte, Ultraschall-Grenzstandsmessgeräte und/oder kapazitive Grenzstandsmessgeräte. Analysemessgeräte sind insbesondere pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sauerstoff- und Aktivsauerstoffsensoren, (spektro)-photometrische Sensoren, und/oder ionenselektive Elektroden.
Zur Aufnahme der Anschlussschaltung umfassen Feldgeräte der beschriebenen Art ferner ein Elektronik-Gehäuse, das, wie z.B. in der US 63 97 683 A oder der WO 00/36379 A1 vorgeschlagen, vom Messaufnehmer entfernt angeordnet und mit diesem nur über eine flexible Leitung verbunden sein kann oder das, wie z.B. auch in der EP 903 651 A1 oder der EP 1 008 836 A1 gezeigt, direkt am Messaufnehmer oder einem den Messaufnehmer separat einhausenden Messaufnehmer-Gehäuse angeordnet ist. Oftmals dient dann das Elektronik-Gehäuse, wie beispielsweise in der EP 984 248 A1 , der US 45 94 584 A1 , der US 47 16 770 A1 oder der US 63 52 000 B1 gezeigt, auch dazu, einige mechanische Komponenten des Messaufnehmers mit aufzunehmen, wie z.B. sich unter mechanischer Einwirkung betriebsmäßig verformende membran-, stab-, hülsen- oder rohrförmige Deformation- oder Vibrationskörper, vgl. hierzu auch die eingangs erwähnte US 63 52 000 B1 . Feldgeräte der beschriebenen Art sind ferner üblicherweise über ein an die Anschlussschaltung angeschlossenes Datenübertragungs-System miteinander und/oder mit entsprechenden Prozess-Leitrechnern verbunden, wohin sie die Messwertsignale z.B. via (4 mA bis 20 mA)-Stromschleife und/oder via digitalen Daten- Bus senden und/oder von denen sie Betriebsdaten und/oder Steuerbefehle in entsprechender Weise empfangen. Als Datenübertragungs-Systeme dienen hierbei, insb. serielle, Feldbus-Systeme, wie z.B. PROFIBUS-PA, FOUNDATION FIELDBUS sowie die entsprechenden Übertragungs-Protokolle. Mittels der Prozess-Leitrechner können die übertragenen Messwertsignale weiterverarbeitet und als entsprechende Messergebnisse z.B. auf Monitoren visualisiert und/oder in Steuersignale für andere als Stellgeräte ausgebildete Feldgeräte, wie z.B. Magnet-Ventile, Elektro-Motoren etc., umgewandelt werden.
Bei modernen Feldgeräten handelt es sich oftmals um so genannte Zweileiter-Feldgeräte, also solche Feldgeräte, bei denen die Anschlussschaltung mit der externen elektrischen Energieversorgung lediglich über ein einziges Paar elektrischer Leitungen (einem zweiadrigen Leiter) elektrisch verbunden ist und bei denen die Anschlussschaltung auch den momentanen Messwert über das einzige Paar elektrischer Leitungen an eine in der externen elektrischen Energieversorgung vorgesehene und/oder mit dieser elektrisch gekoppelte Auswerteeinheit überträgt. Die Anschlussschaltung umfasst dabei jeweils einen vom Versorgungsstrom durchflossenen Stromsteller zum Einstellen und/oder Modulieren, insb. Takten, des Versorgungsstroms, eine interne Betriebs- und Auswerteschaltung zum Steuern des Feldgeräts, sowie eine an einer von der Versorgungsspannung abgeteilten internen Eingangsspannung der Feldgerät-Elektronik anliegende, die interne Betriebs- und Auswerteschaltung speisende interne Versorgungsschaltung mit wenigstens einem von einem veränderlichen Teilstrom des Versorgungsstroms durchflossenen Spannungsregler, der eine auf einem vorgebbaren Spannungsniveau im wesentlichen konstant geregelten interne Nutzspannung in der Feldgerät-Elektronik bereitstellt. Beispiele für solche Zweileiter-Feldgeräte, insb. Zweileiter-Messgeräte oder Zweileiter-Stellgeräte, können u.a. der WO 03/048874 A1 , WO 02/45045 A1 , der WO 02/103327 A1 , der WO 00/48157 A1 , WO 00/26739 A1 , der US 67 99 476 B1 , der US 65 77 989 B2, der US 66 62 120 B1 , der US 65 74 515 B1 , der US 65 35 161 B1 , der US 65
12 358 B1 , der US 64 80 131 B1 , der US 63 11 136 B1 , der US 62 85 094 B1 , der US 62
69 701 B1 , der US 61 40 940 A1 , der US 60 14 100 A1 , der US 59 59 372 A1 , der US 57
42 225 A1 , der US 56 72 975 A1 , der US 55 35 243 A1 , der US 54 16 723 A1 , der US 52
07 101 A1 , der US 50 68 592 A1 , der US 50 65 152 A1 , der US 49 26 340 A1 , der US 46
56 353 A1 , der US 43 17 116 A1 , der EP 1 147 841 A1 , der EP 1 058 093 A1 , der EP 591
926 A1 , der EP 525 920 A1 , der EP 415 655 A1 , der DE 44 12 388 A1 oder der DE 39 34 007 A1 entnommen werden.
Historisch bedingt sind solche Zweileiter-Feldgeräte überwiegend so ausgelegt, dass eine auf einen zwischen 4 mA und 20 mA liegenden Wert eingestellte momentane Stromstärke des in dem als Stromschleife ausgebildeten einzigen Paar Leitung momentan fliessenden Versorgungsstroms gleichzeitig auch den momentan vom Feldgerät erzeugten Messwert bzw. den momentan an das Feldgerät gesendeten Einstellwert repräsentiert. Infolgedessen besteht ein besonderes Problem von solchen Zweileiter-Feldgeräten insoweit darin, dass die von der Anschlussschaltung zumindest nominell umsetzbare oder umzusetzende elektrisch Leistung - im folgenden kurz "verfügbare Leistung" - während des Betriebes in praktisch unvorhersehbarer Weise über einen weiten Bereich schwanken kann. Dem Rechnung tragend sind moderne Zweileiter-Feldgeräte, insb. moderne Zweileiter-Messgeräte mit (4 mA bis 20 mA)-Stromschleife, daher üblicherweise so ausgelegt, dass ihre mittels eines in der Auswerte- und Betriebsschaltung vorgesehenen Mikrocontroller realisierte Geräte-Funktionalität änderbar ist, und insofern die zumeist ohnehin wenig Leistung umsetzende Betriebs- und Auswerteschaltung an die momentan verfügbare Leistung angepasst werden kann.
Der ADVANCED PHYSICAL LAYER (APL) ist ein neuer Kommunikationsstandard für Feldgeräte. Er basiert auf SINGLE PAIR ETHERNET (SPE) und soll auch eine eigensichere Versorgung (EX) ermöglichen. An einem Feldswitch sind meist mehrere Feldgeräte angeschlossen und um die vorgegebene, zur Verfügung stehende lieferbare Leistung beim gleichzeitigen Start dieser Feldgeräte nicht zu überschreiten, als auch die Kommunikation und/oder den Betrieb beim Start eines einzelnen Feldgerätes nicht zu stören, gibt der APL Standard Regeln für das Startverhalten vor. Dies sind unter anderem Regeln bezüglich des „Inrush Currents“ (dt. Einschaltstrom) und „Current Peaks“ (dt. Strom-Peaks) bzw. der maximalen Stromänderung und des maximalen Betriebsstromes. Diese Grössen sind limitiert, insbesondere beim Aufstarten des Feldgerätes. Um eine stabile interne Spannungs- und Stromversorgung, insbesondere bei Zweileiter Ausführungen der APL Feldgeräte- d.h. die Versorgung erfolgt über die APL Leitung - zu gewährleisten sind relativ hohe Eingangskapazitäten als s.g. Puffer nötig. Diese verursachen aber - ohne Gegenmassnahmen - einen sehr hohen „Inrush Current“. Sind die Eingangskapazitäten so klein, um diesen Effekt zu vermeiden, kommt es beim Anlaufen verschiedener Schaltungsteile (bsp. Buck- Boost Converter, MCU etc.) zu hohen „Current Peaks“ auf der Versorgungsleitung. Schnelle Stromänderungen (dl/dt) und zu hohe Strom-Peaks (> 55mA) sind aber beim Start des Feldgerätes nicht zulässig.
Daher liegt die Lösung nahe, den Eingangsstrom zu begrenzen, bis das Feldgerät hochgefahren und betriebsbereit ist. Dafür kommen s.g. „Current Limiter“ zum Einsatz. Eine gängige bekannte Schaltung setzt dabei auf T ransistoren, die den Strom auf einer Leitung begrenzen, wenn ein Vergleichswert überschritten wird. Dies hat aber einige Nachteile. So kommt es zu Leistungsverlusten auf Grund eines für die Messung des Stromes benötigten „Shunts“ (Nebenwiderstand). Im Anlaufmoment (d.h. bis eine Mindestspannung an den Schaltungsteilen anliegt) arbeitet die Vergleichsschaltung noch nicht vollständig und der zulässige „Inrush-Current“ wird ggf. überschritten. Außerdem können schnelle Änderungen des Stromes aufgrund der T rägheit der Schaltung ggf. nicht vollständig ausgeregelt werden
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine alternative Lösung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anschlussschaltung für ein Feldgerät nach Anspruch 1 und ein Feldgerät nach Anspruch 15.
Die erfindungsgemäße Anschlussschaltung für ein Feldgerät, umfasst:
- zwei eine, insbesondere Ethernet-APL (IEEE Std 802.3cg-2019) konforme, Zweileiterschnittstelle bildende Anschlüsse zum Anschließen einer zweiadrigen Leitung, über die einerseits das Feldgerät mit einer elektrischen Leistung speisbar ist und über die andererseits ein Messsignal von dem Feldgerät übertragbar ist;
- ein Mikrocontroller zum Betreiben des Feldgerätes;
- ein dem Mikrocontroller vorgeschalteter Spannungswandler, wobei der Spannungswandler dazu eingerichtet ist, den Mikrocontroller mit einer Betriebsspannung zu betreiben;
- ein dem Spannungswandler vorgeschalteter Versorgungskondensator, wobei der Versorgungskondensator dazu eingerichtet ist, bei einem Aufstarten der Anschlussschaltung elektrische Energie aufzunehmen und damit den Spannungswandler zu versorgen;
- ein dem Versorgungskondensator vorgeschaltetes erstes Strombegrenzungselement, wobei das erste Strombegrenzungselement derart ausgebildet ist, einen Eingangsstrom beim Aufstarten der Anschlussschaltung unterhalb eines zulässigen Grenzstromes zu begrenzen;
- ein zu dem ersten Strombegrenzungselement parallel geschaltetes erstes Überbrückungselement zum Überbrücken des ersten Strombegrenzungselementes, wenn ein erstes Kriterium erfüllt ist; und
- ein Prüfelement, welches dazu eingerichtet ist, zu überprüfen, ob das erste Kriterium erfüllt ist.
Durch den Versorgungskondensator wird eine stabile interne Spannungs- und Stromversorgung mittels ausreichend grossem Pufferkapazitäten ermöglicht. Weiterhin wird eine Begrenzung des Ladestroms der Eingangskapazitäten des Feigerätes ohne Verzögerung beim Start erreicht. Die Kapazität des Versorgungskondensators ist üblicherweise größer 50 pF.
Das erste Strombegrenzungselement ist dazu eingerichtet, den Ladestrom des Versorgungskondensators so zu begrenzen, dass der beispielsweise durch eine Norm vergebene maximale Einschaltstrom nicht überschritten wird. Das Prüfelement ist dazu eingerichtet bei Unterversorgung mit Spannung (d.h. beim Aufladen des Versorgungskondensators) dafür zu sorgen, dass der Ladestrom über das erste Strombegrenzungselement fließt. Weiterhin ist das Prüfelement dazu eingerichet, das erste Strombegrenzungselement über das erste Überbrückungselement zu überbrücken, wenn der Versorgungskondensator einen vorgegebenen Ladezustand erreicht hat.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Prüfelement dazu eingerichtet ist, eine zwischen den Anschlüssen und dem ersten Strombegrenzungselement anliegende erste Spannung mit einer zwischen dem ersten Strombegrenzungselement und dem Versorgungskondensator anliegende zweite Spannung zu vergleichen, wobei das erste Kriterium erfüllt ist, wenn der Versorgungskondensator einen vorgegebenen Ladezustand erreicht und/oder wenn die zweite Spannung, insbesondere eine Summe aus der zweiten Spannung und ein voreingestellter Spannungsoffset größer als die erste Spannung ist. Der Spannungsoffset ist derart gewählt, dass einerseits ein sicheres Erreichen dieser Spannung (zur Überbrückung) unter Berücksichtigung aller Toleranzen gewährleistet ist und andererseits die Differenz der Spannung die zur Überbrückung führt zu der zur Verfügung stehenden Ladesspannung so klein wie möglich ist, damit der Ausgleichsstrom bei Überbrückung des Strombegrenzungselements keine unzulässige Stromspitze erzeugt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anschlussschaltung umfasst:
- ein dem Versorgungskondensator vorgeschaltetes zweites Strombegrenzungselement, wobei das zweite Strombegrenzungselement derart ausgebildet ist, insbesondere spätestens nach 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung, eine zeitliche Stromänderung, die sich durch ein Nachladen des Kondensators ergibt, unterhalb einer Stromänderungsgrenze zu begrenzen.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass somit eine Begrenzung hoher Stromänderungen beim Anlaufen aller nachfolgender Schaltungsteile erreicht wird. Dies betrifft bspw. Spannungswandler, Microcontroller, Speicher und integrierte Schaltungen zur Realisierung der Kommunikation (APL-Phy). Bei dem zweiten Strombegrenzungselement handelt es sich somit um einen dl/dt- Li miter.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V die Stromänderungsgrenze kleiner als 10 mA/ms ist, wobei bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V die Stromänderungsgrenze kleiner als 100 mA/ms ist,
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das zweite Strombegrenzungselement derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V innerhalb von 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung weniger als 7 Strom-Peak- Ereignisse zuzulassen, bei denen die zeitliche Stromänderung größer/gleich 10 mA/ms ist, wobei das zweite Strombegrenzungselement derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V innerhalb eines gleitenden Zeitintervalles von 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung weniger als 7 Strom-Peak-Ereignisse zuzulassen, bei denen die zeitliche Stromänderung größer/gleich 100 mA/ms ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das zweite Strombegrenzungselement derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V ein maximaler Stromsprung kleiner/gleich 50 mA ist, wobei das zweite Strombegrenzungselement derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V ein maximaler Strom-Peak-Strom bei einem Strom-Peak-Ereignis kleiner/gleich 50 mA ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anschlussschaltung umfasst:
- ein zu dem zweiten Strombegrenzungselement parallel geschaltetes zweites Überbrückungselement zum Überbrücken des zweiten Strombegrenzungselementes, wenn ein zweites Kriterium erfüllt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Mikrocontroller in Kommunikation mit dem zweiten Überbrückungselement steht und dazu eingerichtet ist, dem zweiten Überbrückungselement ein Signal zu übermitteln, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das zweite Kriterium erfüllt ist, wenn der Mikrocontroller einen Betriebszustand erreicht hat, in welchem er kommunikationsbereit ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Mikrocontroller dazu eingerichtet ist, das Signal derart verzögert zu übermitteln, dass ein beim Überbrücken mittels des ersten Überbrückungselementes erzeugtes Strom-Peak-Ereignis nicht zeitlich mit einem durch den anlaufenden Spannungswandler erzeugten Strom-Peak-Ereignis zusammenfällt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V die Stromgrenze 95 mA, insbesondere 55,56 mA entspricht, wobei bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V die Stromgrenze 1250 mA entspricht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Strombegrenzungselement mindestens einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand RSBE1 aufweist, für den gilt, dass 20H < RSBEI 1000 H ist.
Der elektrische Strombegrenzungswiderstand RSBE1 sorgt für die nötige Ladestrombegrenzung. Da sich der Strombegrenzungswiderstand RSBE1 immer zwingend unabhängig von der zur Verfügung stehenden Spannung im Ladezweig befindet, kommt es zu keiner Reaktionverzögerung und der Strom ist von Beginn an begrenzt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das zweite Strombegrenzungselement einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand RSBE1 aufweist, für den gilt, dass 3fl < RSBE1 < 500 H ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Überbrückungselement derart ausgestaltet ist, dass das erste Strombegrenzungselement nach dem Aufstarten, insbesondere wenn eine vorgegebene Spannung über dem ersten Strombegrenzungselement überschritten ist, inaktiv ist.
Ist das erste Strombegrenzungselement erst überbrückt, so erhält das Prüfelement automatisch einen Wert der dafür Sorge trägt, dass die Überbrückung immer eingeschaltet bleibt - unabhängig vom späteren Ladezustand der Eingangskapazitäten. Daraus ergibt sich, dass die Strombegrenzung nur dann aktiv ist, wenn das Feldgerät gestartet wird und die Spannung der Eingangskapazität definiert kleiner als die außen anliegende Spannung ist. Wird also das Feldgerät nur kurz abgeschaltet und die in der Anschlussschaltung befindlichen Kondensatoren sind noch geladen, ist der Startvorgang entsprechend kürzer.
Das erfindungsgemäße Feldgerät umfasst:
- einen Messaufnehmer, wobei der Messaufnehmer einen Sensor zum Ermitteln einer Prozessgröße aufweist,
- ein Elektronik-Gehäuse, wobei eine erfindungsgemäße Anschlussschaltung in dem Elektronik-Gehäuse angeordnet ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausgestaltung der Anschlussschaltung;
Fig. 2: einen Ausschnitt eines Schaltplanes der ersten Ausgestaltung der Anschlussschaltung;
Fig. 3: eine vereinfachte Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der Anschlussschaltung;
Fig. 4: einen Ausschnitt eines Schaltplanes der zweiten Ausgestaltung der Anschlussschaltung;
Fig. 5: einen zeitlichen Verlauf des Stromes und der zeitlichen Stromänderung nach dem Aufstarten; und
Fig. 6: ein erfindungsgemäßes Feldgerät.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausgestaltung der Anschlussschaltung 1 für ein Feldgerät. Es handelt sich dabei lediglich um einen Ausschnitt mit Fokus auf das erste Strombegrenzungselement 6, daher sind einzelne wesentliche Komponenten zwar in Fig. 1 nicht abgebildet, jedoch in der vollständigeren Darstellung der Fig. 3. Die erfindungsgemäße Anschlussschaltung 1 umfasst zwei eine, insbesondere Ethernet-APL (IEEE Std 802.3cg-2019) konforme, Zweileiterschnittstelle bildende Anschlüsse (in Fig. 6 abgebildet) zum Anschließen einer zweiadrigen Leitung (ebenfalls in Fig. 6 abgebildet), über die einerseits das Feldgerät mit einer elektrischen Energie aus eine Spannungsquelle 12 speisbar ist und über die andererseits ein Messsignal von dem Feldgerät nach außen bspw. an ein Leitsystem übertragbar ist.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Anschlussschaltung 1 einen Mikrocontroller (in Fig. 3 abgebildet) zum Betreiben des Feldgerätes. Bei einem Mikrocontroller in Sinne der Anmeldung handelt es sich um ein Ein-Chip-Computersystem bzw. einen Halbleiterchip, weicher einen Prozessor und optional auch den notwendigen Arbeitsspeicher umfasst.
Erfindungsgemäß weist die Anschlussschaltung einen dem Mikrocontroller vorgeschalteten Spannungswandler (in Fig. 3 abgebildet) auf, welcher dazu eingerichtet ist, die eingangs anliegende Spannung auf die Betriebsspannung umzuwandeln, mit welcher der Mikrocontroller betrieben werden kann. Als Spannungswandler können handelsübliche Spannungswandler zum Einsatz kommen.
In Fig. 1 abgebildet ist ein dem Spannungswandler vorgeschalteter Versorgungskondensator 5. Dieser ist dazu eingerichtet, bei einem Aufstarten der Anschlussschaltung 1 elektrische Energie aufzunehmen und damit den Spannungswandler zu versorgen. Beim Aufstarten wird der Versorgungskondensator 5 über die Spannungsquelle 12 aufgeladen. Für die interne Versorgung der Anschlussschaltung 1 ist eine ausreichend hohe Versorgungskapazität (z.B. 220 pF) notwendig.
Ein dem Versorgungskondensator 5 vorgeschaltetes erstes Strombegrenzungselement 6 ist derart ausgebildet, dass es einen Eingangsstrom beim Aufstarten der Anschlussschaltung 1 unterhalb eines zulässigen Grenzstromes begrenzt. Das erste Strombegrenzungselement 6 kann dabei einen Feldeffekttransistor, ein Relais, einen Bipolartransistor, einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand oder eine andere frei aus Stand der Technik wählbare elektronische Komponente, welche die gleiche Funktion erfüllt, umfassen.
Da es nicht erwünscht ist, dass das erste Strombegrenzungelement 6 im Normalbetrieb weiterhin den Strom begrenzt, ist ein zu dem ersten Strombegrenzungselement 6 parallel geschaltetes erstes Überbrückungselement 8 vorgesehen. Dieses dient zur Überbrücken des ersten Strombegrenzungselementes 6 bzw. ist dazu eingerichtet, das erste Strombegrenzungselement 6 zu überbrücken, wenn ein erstes Kriterium erfüllt ist. Bei dem ersten Kriterium kann es sich um eine Vorgabe der an einem elektronischen Bauteil vorliegenden Spannung handeln oder um einen Ladungszustand des Versorgungskondensators. Weiterhin ist ein Prüfelement 10 vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, zu überprüfen, ob das erste Kriterium erfüllt ist. Bei dem Prüfelement 10 kann einen Komparator oder eine andere geeignete analoge oder digitale Schaltung zum Vergleich zweier Spannungen umfassen. Das Prüfelement 10 dazu eingerichtet, eine zwischen den Anschlüssen und dem ersten Strombegrenzungselement 6 anliegende erste Spannung VIA mit einer zwischen dem ersten Strombegrenzungselement 6 und dem Versorgungskondensator 5 anliegenden zweiten Spannung VL2 zu vergleichen. Das erste Kriterium ist beispielsweise dann erfüllt, wenn der Versorgungskondensator 5 einen vorgegebenen Ladezustand erreicht und/oder wenn die zweite Spannung VL2, insbesondere eine Summe aus der zweiten Spannung VL2 und ein voreingestellter Spannungsoffset OS größer als die erste Spannung VL1 ist. Ist das erste Kriterium erfüllt, so wird das erste Überbrückungselement 8 aktviert und das erste Strombegrenzungselement 6 deaktiviert. Der Strom fließt nach Erfüllen des ersten Kriteriums über das erste Überbrückungselement 8.
Das erste Überbrückungselement 8 ist derart ausgestaltet, dass das erste Strombegrenzungselement 6 nach dem Aufstarten, insbesondere wenn eine vorgegebene Spannung über dem ersten Strombegrenzungselement 6 überschritten ist, inaktiv ist. So kann das erste Überbrückungselement 8 als Schalter ausgelegt sein bzw. mindestens ein schaltendes Bauteil umfassen, welches das erste Strombegrenzungselement 6 überbrückt (bzw. kurzschließt) und somit erst dann aktiv wird, wenn sich die vorgegebene Spannung am ersten Strombegrenzungselement 6 aufgebaut hat. Als erstes Überbrückungselement 8 eignet sich ein herkömmlicher Transistor, ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor, ein Relais oder analoger Schalter. Vorteilhaft ist auch ein Zusammenwirken mehrerer der genannten schaltenden Bauteile.
Die Anschlussschaltung 1 kann weitere Kondensatoren 13 - die nicht mit der Versorgungskondensator 5 zu verwechseln sind - aufweisen mit Kapazitäten kleiner 200 pj bzw. 500 pJ. Diese dienen nicht zur Versorgung des Mikrocontrollers, sind jedoch Ursache für „Inrush Currents“ Events.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines Schaltplanes der ersten Ausgestaltung der Anschlussschaltung 1 . Das erste Strombegrenzungselement besteht aus zwei elektrischen Strombegrenzungswiderständen 20 mit den Bezeichnungen R234 und R235. Alternativ kann das erste Strombegrenzungelement auch nur aus genau einem Strombegrenzungswiderstand oder mehr als zwei Strombegrenzungswiderstände bestehen. Handelt es sich bei dem ersten Strombegrenzungselement um einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand, so gilt für den elektrischen Widerstand, dass 20 H < RSBE1 < 1000 H ist. Dabei kann der verlangte elektrische Widerstand - wie abgebildet - auf mehrere einzelne elektrische Strombegrenzungswiderstände verteilt sein.
Das Prüfelement umfasst einen Komparator 21 , welcher dazu eingerichtet ist die an den zwischen Eingang und ersten Strombegrenzungselement angeordneten Messwiderständen 22 anliegende Spannung mit der an den zwischen ersten Strombegrenzungselement und Spannungswandler angeordneten Messwiderständen 23 anliegende Spannung zu vergleichen. Der Komparator 21 ist dazu eingerichtet, bei Erfüllung des ersten Kriteriums, d.h. der Ungleichung VIA < (VL2 + OS) ein Spannungssignal über den Signal-Leiter 26 an den Spannungswandler zu übermitteln und die zwei Schalter 24 (V208 und V209) zu betätigen.
Es sind zwei Dämpfungsbauteile 25 vorgesehen, die dazu dienen Stromänderungen, die beim Umschalten der zwei Schalter 24 (V208 und V209) auftreten können zu minimieren. Die Dämpfungsbauteile 25 umfassen einen elektrischen Widerstand R242, welcher zwischen den beiden Schaltern 24 angeordnet ist und einen Kondensator C212, welcher parallel zu mindestens einem der Schalter 24 geschaltet ist. Der elektrische Widerstand des R242 und die Kapazität des C212 sind so gewählt, dass beim Umschalten der beiden Schalter 24 auftretende Stromänderungen nicht einen vorgegebenen Toleranzwert übersteigen. Der elektrische Widerstand des R242 liegt vorzugsweise zwischen 100 Ohm und 1 MegaOhm. Die Kapazität des Kondensators C212 liegt vorzugsweise zwischen 10 nF und 100 pF. Parallel zum Kondensator C212 ist ein Widerstand R241 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, den Kondensator C219 bei ausgeschalteter Spannungsversorgung sicher zu entladen, damit die Dämpfung bzw. Verzögerung beim nächsten Aufstarten gewährleistet ist.
In der abgebildeten Ausgestaltung umfasst der Messwiderstand 22 zwei einzelne in Reihe geschaltete elektrische Widerstände R233 und R 228 und der Messwiderstand 23 umfasst drei in Reihe geschaltete elektrische Widerstände R238, R239 und R237, wobei zwischen den beiden elektrischen Widerständen R239 und R237 ein Knotenpunkt vorliegt, welcher über einen elektrischen Leiter mit einem ersten Eingang des Komparators 21 verbunden ist. Zwischen den Widerständen R233 und R228 liegt ebenfalls ein Knotenpunkt, welcher über einen elektrischen Leiter mit einem zweiten Eingang des Komparators 21 verbunden ist. Zwischen dem Emitter des Transistors V209 und dem Erdpotential ist ein Widerstand R236 angeordnet, der dazu dient den Entladestrom bei dem Kondensator C212 zu verringern und derart ausgebildet ist, dass das Umschalten des Transistors V209 langsamer erfolgt. Weiterhin sorgt der Widerstand R236 dafür, dass der Basisstrom durch den Transistor V209 begrenzt wird.
Die zwei Schalter 24 (V208 und V209) umfassen einen (npn)-Bipolartransistor (V209), dessen Basis mit dem Ausgang des Komparators 21 und Emitter mit einem Erdpotential verbunden ist und einen p-MOSFET (V208), dessen Gate mit dem Kollektor des (npn)- Bipolartransistors über einen elektrischen Leiter verbunden ist.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der Anschlussschaltung 1 , dabei umfasst die abgebildete Darstellung einen Teil der Fig. 1 (siehe Bereich mit gepunkteter Umrandung). Hinzukommt, dass das Prüfelement 10 dazu eingerichtet ist, ein Signal, insbesondere ein Spannungssignal an den Spannungswandler zu übermitteln, wenn das erste Kriterium erfüllt ist. Somit wird verhindert, dass die beim Anlaufen des Spannungswandlers 4 entstehenden Strom-Peak-Ereignisse nicht mit den Strom-Peak-Ereignissen beim Überbrücken mittels des ersten Überbrückungsselementes zusammenfallen.
Zusätzlich zu den bereits in Fig. 1 abgebildeten Komponenten, weist die Anschlussschaltung ein dem Versorgungskondensator 5 vorgeschaltetes zweites Strombegrenzungselement 7 auf. Dieses ist derart ausgebildet, dass, insbesondere spätestens nach 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung 1 , eine zeitliche Stromänderung, die sich durch ein Nachladen des Kondensators 5 ergibt, unterhalb einer Stromänderungsgrenze bleibt. Dabei ist bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V die Stromänderungsgrenze kleiner als 10 mA/ms und bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V die Stromänderungsgrenze kleiner als 100 mA/ms. Weiterhin ist erfüllt, dass das zweite Strombegrenzungselement 7 derart ausgebildet ist, dass es bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V innerhalb von 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung 1 weniger als 7 Strom-Peak-Ereignisse zulässt, bei denen die zeitliche Stromänderung größer/gleich 10 mA/ms ist. Für den Fall, dass eine maximale Betriebsspannung von 50 V für die Anschlussschaltung 1 zugelassen sind ist das zweite Strombegrenzungselement 7 derart ausgebildet, dass es innerhalb eines gleitenden Zeitintervalles von 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung weniger als 7 Strom-Peak-Ereignisse zulässt, bei denen die zeitliche Stromänderung größer/gleich 100 mA/ms ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das zweite Strombegrenzungselement 7 derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V ein maximaler Stromsprung kleiner/gleich 50 mA ist oder alternativ ist die das zweite Strombegrenzungselement 7 - für eine zugelassene maximale Betriebsspannung von 50 V - derart ausgebildet, dass ein maximaler Wert des Strom-Peakes bei einem Strom-Peak-Ereignis kleiner/gleich 50 mA ist. Das zweite Strombegrenzungselement 7 kann dabei einen Feldeffekttransistor, ein Relais, einen Bipolartransistor, einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand oder eine andere frei aus Stand der Technik wählbare elektronische Komponente, welche die gleiche Funktion erfüllt, umfassen.
Weiterhin ist ein zu dem zweiten Strombegrenzungselement 7 parallel geschaltetes zweites Überbrückungselement 9 vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, das zweiten Strombegrenzungselementes 7 zu überbrücken, wenn ein zweites Kriterium erfüllt ist. Bei dem zweiten Kriterium kann es sich um eine Vorgabe der an einem elektronischen Bauteil vorliegenden Spannung handeln oder um einen Ladungszustand des Versorgungskondensators oder um einen Betriebszustand des Mikrocontrollers / Zustand im Programm (der Software) des Mikrocontrollers handeln. Das zweite Kriterium kann erfüllt sein, wenn der Mikrocontroller 3 einen Betriebszustand erreicht hat, in welchem er kommunikationsbereit ist. So kann das zweite Überbrückungselement 9 als Schalter ausgelegt sein bzw. mindestens ein schaltendes Bauteil umfassen, welches das zweite Strombegrenzungselement 7 überbrückt (bzw. kurzschließt) und somit erst dann aktiv wird, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist.
Der Mikrocontroller 3 steht in Kommunikation mit dem zweiten Überbrückungselement 9 und ist dazu eingerichtet, dem zweiten Überbrückungselement 9 ein Signal, insbesondere ein Spannungssignal zu übermitteln, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das die Strom-Peak-Ereignisse passend koordiniert werden, so dass diese nicht zeitlich zusammenkommen. Dafür ist der Mikrocontroller 3 dazu eingerichtet, das Signal, insbesondere das Spannungssignal derart verzögert zu übermitteln, dass ein beim Überbrücken mittels des zweiten Überbrückungselementes 8 erzeugtes Strom- Peak-Ereignis nicht zeitlich mit einem durch den anlaufenden Spannungswandler 4 erzeugten Strom-Peak-Ereignis zusammenfällt.
Der Ethernet-APL (IEEE Std 802.3cg-2019) Standart gibt Stromgrenzen vor. So liegt bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V die Stromgrenze bei 95 mA, insbesondere 55,56 mA und bei eine zugelassene maximale Betriebsspannung von 50 V liegt die Stromgrenze bei 1250 mA.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines Schaltplanes der zweiten Ausgestaltung der Anschlussschaltung 1 . Dabei zeigt der Ausschnitt ausschließlich den Teil der Anschlusschaltung 1 , welcher relevant zur Beschreibung des zweiten Strombegrenzungselementes und des zweiten Überbrückungselementes ist. Für das zweite Strombegrenzungselement gilt, dass sein elektrischer Strombegrenzungswiderstand RSBE1 innerhalb der Grenze 3 und 500 Ohm liegt. In der abgebildeten Ausgestaltung umfasst das zweite Strombegrenzungselement einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand 30. Das zweite Überbrückungselement umfasst zwei artengleiche Schalter 33 (V211 und V212). Bei den abgebildeten Schalter V211 und V212 handelt es sich jeweils um einen MOSFET. Es können jedoch auch andere schaltenden Bauteile eingesetzt werden. Das Gate des Schalters V212 ist über einen Signal-Leiter 31 mit dem Mikrocontroller verbunden. Die Source ist mit einem Erdpotential elektrisch verbunden und das Drain mit dem Gate des anderen Schalters V211 mittels eines Leiters elektrisch verbunden. In Reihe dazu geschaltet ist ein Dämpfungsbauteil 34 - in dem Fall ein elektrischer Widerstand R247 (100 Ohm bis 1 Megaohm). Der zweite Schalter 33 ist derart konfiguriert, dass beim aktivieren des Schalters des zweite Strombegrenzungselement überbrückt (bzw. kurzgeschlossen) wird. Parallel zum Schalter V211 ist ein Kondensator C219 geschaltet, welcher ebenfalls die Aufgabe eines Dämpfungsbauteils 34 hat. Die Kapazität des Kondensators C219 liegt zwischen 10 nF und 100 pF, wobei die Grenzen mit eingeschlossen sind.
Parallel zum Kondensator C219 ist ein Widerstand R248 angeordnet, der dazu eingerichtet ist den Kondensator C219 bei ausgeschalteter Spannungsversorgung sicher zu entladen, damit die Dämpfung bzw. Verzögerung beim nächsten Aufstarten gewährleistet ist.
Fig. 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Stromes und der zeitlichen Stromänderung nach dem Aufstarten. Der Strom wurde am Eingang der Anschlussschaltung gemessen und die Stromänderung ergibt sich aus der zeitlichen Ableitung des Stromes. Beim Einschalten zum Zeitpunkt 0 ms springt der Strom stufenartig auf ca. 10 mA. Der Einschaltstromstoß verursacht in der zeitlichen Stromänderung ein Stromänderungs-Peak-Ereignis I. Der maximale Wert diese Ereignisses liegt bei ca. 5,46 A/s und liegt somit unterhalb der vorgegebenen 10 A/s. Nach dem ersten Einschaltstromstoß sinkt der Strom leicht ab. Der erste Stromstoss kommt durch den Ladestrom der unbegrenzten Kapazitäten vor der Strombegrenzung. Der Ladestrom sinkt mit zunehmenden Ausgleich der Spannungsdifferenz zwischen Eingang und dem grossen Ladekondensator. Bei 600 ms ist ein Strom-Peak-Ereignis erkennbar mit einem maximalen Strom von ca. 5 mA. Dies ist bedingt durch die Überbrückung eines Belastungswiderstandes II. Die Stromänderung schlägt in diesem Zeitraum nur minimal aus. Der nächste größere Ausschlag beim Strom und bei der Stromänderung misst man zum Zeitpunkt der Starthilfe III. Nach ca. 900 ms kommt es zu einem weiteren stufenartigen Stromsprung. Dies ist bedingt durch die Überbrückung des zweiten Strombegrenzungselementes IV. Die maximale Auslenkung der Stromänderung ist in dem Zeitraum bei 3,46 A/s. Somit liegen die maximalen Werte aller auftretenden Spulenstromänderungs-Peaks unterhalb des Limits V von 10 A/s.
Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Feldgerät 100, welches einen Messaufnehmer 101 mit einem Sensor 102 zum Ermitteln einer Prozessgröße und ein Elektronik-Gehäuse 103 aufweist. Dabei ist die erfindungsgemäße Anschlussschaltung 1 in dem Elektronik- Gehäuse 103 angeordnet. Die Anschlussschaltung 1 weist zwei eine, insbesondere Ethernet-APL (IEEE Std 802.3cg-2019) konforme, Zweileiterschnittstelle bildende Anschlüsse 2 zum Anschließen einer zweiadrigen Leitung 105 auf. Die zweiadrige Leitung 105 ist dazu ausgebildet, einerseits das Feldgerät 100 mit einer elektrischen Energie zu speisen und andererseits ein Messsignal von dem Feldgerät 100 raus an eine Überwachungseinheit zu übertragen. Bei dem abgebildeten Feldgerät 100 handelt es sich um ein Vortex-Durchflussmessgerät. Der Messaufnehmer 101 eines Vortex- Durchflussmessgerätes umfasst in der Regel ein Messrohr 104 mit zwei stirnseitig angeordneten Anschlussvorrichtungen (z.B. Flansche) und einen im Messrohr 104 angeordneten Staukörper zum Bilden einer Kärmänschen Wirbelstraße (durch das Messrohr 104 verdeckt). Der Sensor 102 umfasst eine Sensorfahne (ebenfalls durch das Messrohr verdeckt), welche in die Kärmänschen Wirbelstraße hineinragt und einen Verformungskörper, an dem die Sensorfahne befestigt ist und auf den die Bewegung der Sensorfahne übertragen wird. Beispiele für Vortex-Durchflussmessgeräte sind u.a. aus der der US 2006/0230841 , der US 2008/0072686, der US 2011/0154913, der US 2011/0247430, der US 2016/0123783, der US 2017/0284841 , der US 2019/0094054, der US 60 03 384, der US 61 01 885, der US 63 52 000, der US 69 10 387 oder der US 69 38 496 bekannt und werden u.a. auch von der Anmelderin selbst angeboten, beispielsweise unter der Warenbezeichnung “PROWIRL D 200“, “PROWIRL F 200“, “PROWIRL O 200“, „PROWIRL R 200“ (https://www.de.endress.com/de/messgeraete-fuer-die- prozesstechnik/durchflussmessung-produktuebersicht/vortex-wirbelz%C3%A4hler- durchflussmessung).
B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
Anschlussschaltung 1
Anschlüsse 2
Mikrocontroller 3
Spannungswandler 4
Versorgungskondensator 5 erstes Strombegrenzungselement 6 zweites Strombegrenzungselement 7 erstes Überbrückungselement 8 zweites Überbrückungselement 9
Prüfelement 10
Kapazität 11
Spannungsquelle 12 weitere Kondensatoren 13
Strombegrenzungswiderstand 20
Komparator 21
Messwiderstand 22
Messwiderstand 23
Schalter 24
Dämpfungsbauteil 25
Signal-Leiter 26 an Spannungswandler
Strombegrenzungswiderstand 30
Signal-Leiter 31 vom Mikrocontroller
Schalter 33
Dämpfungsbauteil 34
Feldgerät 100
Messaufnehmer 101
Sensor 102
Elektronik-Gehäuse 103
Einschaltstromstoß I
Überbrückung des Belastungswiderstandes II
Starthilfe III
Überbrückung des ersten/zweiten Strombegrenzungselementes IV
Limit V

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Anschlussschaltung (1) für ein Feldgerät (100), umfassend:
- zwei eine, insbesondere Ethernet-APL (IEEE Std 802.3cg-2019) konforme, Zweileiterschnittstelle bildende Anschlüsse (2) zum Anschließen einer zweiadrigen Leitung, über die einerseits das Feldgerät (100) mit einer elektrischen Energie speisbar ist und über die andererseits ein Messsignal von dem Feldgerät (100) übertragbar ist;
- ein Mikrocontroller (3) zum Betreiben des Feldgerätes;
- ein dem Mikrocontroller (3) vorgeschalteter Spannungswandler (4), wobei der Spannungswandler (4) dazu eingerichtet ist, den Mikrocontroller (3) mit einer Betriebsspannung zu betreiben;
- ein dem Spannungswandler (4) vorgeschalteter Versorgungskondensator (5), wobei der Versorgungskondensator (5) dazu eingerichtet ist, bei einem Aufstarten der Anschlussschaltung (1) elektrische Energie aufzunehmen und damit den Spannungswandler (4) zu versorgen;
- ein dem Versorgungskondensator (5) vorgeschaltetes erstes Strombegrenzungselement (6), wobei das erste Strombegrenzungselement (6) derart ausgebildet ist, einen Eingangsstrom beim Aufstarten der Anschlussschaltung (1) unterhalb eines zulässigen Grenzstromes zu begrenzen;
- ein zu dem ersten Strombegrenzungselement (6) parallel geschaltetes erstes Überbrückungselement (8) zum Überbrücken des ersten Strombegrenzungselementes (6), wenn ein erstes Kriterium erfüllt ist; und
- ein Prüfelement (10), welches dazu eingerichtet ist, zu überprüfen, ob das erste Kriterium erfüllt ist.
2. Anschlussschaltung (1) nach Anspruch 1 , wobei das Prüfelement (10) dazu eingerichtet ist, eine zwischen den Anschlüssen
(2) und dem ersten Strombegrenzungselement (6) anliegende erste Spannung mit einer zwischen dem ersten Strombegrenzungselement (6) und dem Versorgungskondensator (5) anliegende zweite Spannung zu vergleichen, wobei das erste Kriterium erfüllt ist, wenn der Versorgungskondensator (5) einen vorgegebenen Ladezustand erreicht und/oder wenn die zweite Spannung, insbesondere eine Summe aus der zweiten Spannung und ein voreingestellter Spannungsoffset größer als die erste Spannung ist.
3. Anschlussschaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend:
- ein dem Versorgungskondensator (5) vorgeschaltetes zweites Strombegrenzungselement (7), wobei das zweite Strombegrenzungselement (7) derart ausgebildet ist, insbesondere spätestens nach 1000 ms ab dem Aufstarten, der Anschlussschaltung (1) eine zeitliche Stromänderung, die sich durch ein Nachladen des Kondensators (5) ergibt, unterhalb einer Stromänderungsgrenze zu begrenzen.
4. Anschlussschaltung (1) nach Anspruch 3, wobei bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V die Stromänderungsgrenze kleiner als 10 mA/ms ist, wobei bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V die Stromänderungsgrenze kleiner als 100 mA/ms ist,
5. Anschlussschaltung (1) nach Anspruch 3 oder 4, umfassend: wobei das zweite Strombegrenzungselement (7) derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V innerhalb von 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung weniger als 7 Strom-Peak-Ereignisse zuzulassen, bei denen die zeitliche Stromänderung größer/gleich 10 mA/ms ist, wobei das zweite Strombegrenzungselement (7) derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V innerhalb eines gleitenden Zeitintervalles von 1000 ms ab dem Aufstarten der Anschlussschaltung weniger als 7 Strom-Peak-Ereignisse zuzulassen, bei denen die zeitliche Stromänderung größer/gleich 100 mA/ms ist.
6. Anschlussschaltung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das zweite Strombegrenzungselement (7) derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V ein maximaler Stromsprung kleiner/gleich 50 mA ist, wobei das zweite Strombegrenzungselement (7) derart ausgebildet ist, bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V ein maximaler Strom-Peak-Strom bei einem Strom-Peak-Ereignis kleiner/gleich 50 mA ist.
7. Anschlussschaltung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, umfassend:
- ein zu dem zweiten Strombegrenzungselement (7) parallel geschaltetes zweites Überbrückungselement (9) zum Überbrücken des zweiten Strombegrenzungselementes (7), wenn ein zweites Kriterium erfüllt ist.
8. Anschlussschaltung (1) nach Anspruch 7, wobei der Mikrocontroller (3) in Kommunikation mit dem zweiten Überbrückungselement (9) steht und dazu eingerichtet ist, dem zweiten Überbrückungselement (9) ein Signal zu übermitteln, wenn das zweite Kriterium erfüllt ist.
9. Anschlussschaltung (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das zweite Kriterium erfüllt ist, wenn der Mikrocontroller (3) einen Betriebszustand erreicht hat, in welchem er kommunikationsbereit ist.
10. Anschlussschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prüfelement (10) dazu eingerichtet ist, ein Signal derart verzögert an den Spannungswandler (4) zu übermitteln, dass ein beim Überbrücken mittels des ersten Überbrückungselementes (8) erzeugtes Strom-Peak-Ereignis nicht zeitlich mit einem durch den anlaufenden Spannungswandler (4) erzeugten Strom-Peak-Ereignis zusammenfällt.
11 . Anschlussschaltung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 15 V die Stromgrenze 95 mA, insbesondere 55,56 mA entspricht, wobei bei einer zugelassenen maximalen Betriebsspannung von 50 V die Stromgrenze 1250 mA entspricht.
12. Anschlussschaltung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Strombegrenzungselement (6) einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand RSBE1 aufweist, für den gilt, dass 20 < RSBE1 < 1000 H ist.
13. Anschlussschaltung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei das zweite Strombegrenzungselement (7) einen elektrischen Strombegrenzungswiderstand RSBE1 aufweist, für den gilt, dass 3 < RSBE1 < 500 H ist.
14. Anschlussschaltung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Überbrückungselement (8) derart ausgestaltet ist, dass das erste Strombegrenzungselement (6) nach dem Aufstarten, insbesondere wenn eine vorgegebene Spannung über dem ersten Strombegrenzungselement (6) überschritten ist, inaktiv ist.
15. Feldgerät (100), umfassend:
- einen Messaufnehmer (101), wobei der Messaufnehmer (101) einen Sensor (102) zum Ermitteln einer Prozessgröße aufweist,
- ein Elektronik-Gehäuse (103), wobei eine Anschlussschaltung (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 in dem Elektronik-Gehäuse (103) angeordnet ist.
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