-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ausgabe mindestens
eines elektrischen Ausgangssignals (lout).
-
Messgeräte mit einem
sog. 4 bis 20 mA-Signal verfügen über einen
Signalausgang, an welchem ein Stromsignal zur Übertragung der Messdaten verwendet
wird. Dafür
wird für
das Ausgangssignal der Bereich der Stromstärke zwischen 4 und 20 mA verwendet.
Das Stromsignal kann dabei von einer Stromsenke oder von einer Stromquelle
in die Stromschleife eingeprägt
werden. Weiterhin gibt es die Möglichkeit
eines einpoligen oder eines zweipoligen Signalausgangs. Bei der
einpoligen Variante wird der Strom über einen Ausgang auf einen
externen Lastwiderstand eingeprägt,
und die Rückleitung
des Stromes erfolgt außerhalb
des Gerätes.
Bei der zweipoligen Variante erfolgt die Rückleitung über einen zweiten Pol in das
Gerät.
-
Es
gelten folgende Anforderungen für
eine solche Stromquelle:
- 1. Die Stromquelle
soll einen von der externen Last unabhängigen Strom in die Last einprägen.
- 2. Der Ausgangsstrom soll von einem Controller oder Mikroprozessor
aus steuerbar sein.
- 3. Der Stromausgang soll hohe Anforderungen an Linearität, Temperaturdrift
und Stabilität
erfüllen und
zudem kostengünstig
und in hohen Stückzahlen
herstellbar sein.
-
Bekannt
sind gesteuerte und geregelte Stromquellen.
-
Für eine gesteuerte
Stromquelle sind extrem eng tolerierte und somit teuere Bauteile
erforderlich. Alternativ müssen
die verwendeten Widerstände
getrimmt werden, was sehr aufwändig
und nicht fertigungsgerecht ist. Weiterhin führt ein Driften der Bauteile
z.B. durch die Temperatur zu einer unerwünschten Änderung des Ausgangsstromes.
-
Bei
geregelten Stromquellen wird der Ausgangsstrom an einem Messwiderstand
gemessen und mit dem Sollwert verglichen. Die Abweichungen werden
dann über
ein Stellglied zu Null geregelt. Ein Problem bereitet hierbei insbesondere
bei einer einpoligen Stromquelle die Messung des Ausgangssignals
am Messwiderstand. Diese Messung macht üblicherweise einen Verstärker erforderlich, über den sich
Unsicherheiten und Schwankungen bei der Messung ergeben können.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, insbesondere für ein Messgerät einen
geregelten einpoligen Stromausgang anzugeben, welcher kostengünstig, genau
und driftarm ist.
-
Die
Aufgabe löst
die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Ausgabe mindestens eines
elektrischen Ausgangssignals (lout), wobei die elektrische Sollstromstärke des
Ausgangssignal (lout) vorgebbar ist, mit mindestens einem Messwiderstand,
an welchem die Stromstärke
des Ausgangssignals (lout) messbar ist, mit mindestens einem Stellglied, über welches
die Stromstärke
des Ausgangssignals (lout) einstellbar ist, und mit mindestens einem
Regler, welcher die am Messwiderstand gemessene Stromstärke des
Ausgangssignals (lout) mit der Sollstromstärke für das Ausgangssignal (lout)
vergleicht, und welcher die Stromstärke des Ausgangssignals (lout) über das Stellglied
regelt, wobei der Regler und der Messwiderstand mit einem elektrischen
Basis-Potential (VGND) verbunden sind, und wobei das Basis-Potential (VGND)
ein Referenzpotential für
den Regler ist. Die Erfindung besteht somit darin, dass das Referenzpotential
des Reglers und das Potential, mit welchem der Messwiderstand verbunden
ist, identisch sind. Sowohl der Regler, als auch der Messwiderstand
sind mit dem gleichen Potential verbunden. Der Regler regelt somit
das Ausgangssignal bezogen auf das Potential, an welchem der Messwiderstand
anliegt. Dieses Potential VGND ändert
sich mit der Stromstärke
des Ausgangsstromes und dem Widerstandswert der Last. Üblicherweise
liegt bei einpoligen Stromquellen der Regler an einem festen Bezugspotential
Ground (GND) oder V– und
der Messwiderstand zwischen dem oberen Potential V+ und dem Stromausgang.
Dabei ergibt sich aus dem unteren V– und dem oberen Potential
V+ die Spannung, mit welcher das Messgerät versorgt wird. Durch die Erfindung
ist kein Verstärker
mehr erforderlich, welcher die unterschiedlichen Potentiale, die üblicherweise
gegeben sind, aneinander angleicht.
-
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Stellglied um ein
elektrisches Bauteil mit einem einstellbaren elektrischen Widerstand
handelt. Das Stellglied ist meist direkt oder indirekt zwischen dem
oberen Potential V+ und dem Stromausgang angeordnet. Der über den
einstellbaren Widerstandswert regelbare Spannungsabfall an diesem
Stellglied führt
zu einer entsprechenden Stromstärke
des Ausgangssignals lout.
-
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Signalausgang zum
Ausgeben des Ausgangssignals lout vorgesehen ist. Bei einer einkanaligen
oder einpoligen Stromquelle handelt es sich um genau einen Signalausgang.
-
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung und ein das Ausgangssignal
lout empfangender Lastwiderstand mit einem unteren elektrischen
Potential V– verbunden
sind. Über
dieses untere Potential V– wird
quasi die Erdung und die Rückführung des
Stromes des Ausgangssignals lout ermöglicht. Der Lastwiderstand
ist üblicherweise
außerhalb
der Vorrichtung, also extern angeordnet.
-
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass der Messwiderstand und das Stellglied
in Reihe geschaltet sind, dass der Messwiderstand mit dem Signalausgang
verbunden ist, und dass das Stellglied mit einem oberen elektrischen
Potential V+ verbunden ist. Somit findet ein Spannungsabfall am
Stellglied und am Messwiderstand statt. Weiterhin lässt sich am
Messwiderstand somit die Stromstärke
des Ausgangssignals lout bestimmen.
-
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine in Reihe zum Stellglied
angeordnete Spannungsreserve vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet
ist, dass sie das Unterschreiten eines minimalen Spannungsabfalls
zwischen dem oberen Potential (V+) und dem Signalausgang in dem
Fall verhindert, dass der elektrische Widerstandswert des Stellgliedes
niederohmig ist. Durch diese Ausgestaltung ist die minimale Versorgungsspannung
für den
Digital-/Analogkonverter
und den Regler sichergestellt. Diese Spannungsreserve lässt sich
beispielsweise durch eine Zener-Diode realisieren.
-
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass ein Anschluss des Reglers für das Referenzpotential
VGND mit einem Punkt zwischen dem Messwiderstand und dem Stellglied
verbunden ist. Das Referenzpotential für den Regler ergibt sich somit
aus dem Potential am Punkt zwischen dem Stellglied und dem Messwiderstand.
-
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Mikroprozessor vorgesehen
ist, welcher einen digitalen Sollwert (Dsoll) für die Sollstromstärke des
Ausgangssignals (lout) vorgibt. Über
den Mikroprozessor lässt
sich eine einfache und zuverlässige Vorgabe
des Ausgangssignals realisieren. Der Mikroprozessor als Controller
kann somit, in dem Fall, dass die Vorrichtung zur Signalausgabe
Teil eines Messgerätes
ist, die gewonnenen Messwerte auf das Ausgangssignal übertragen.
-
Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Digital-/Analogkonverter
vorgesehen ist, welcher den digitalen Sollwert (Dsoll) des Mikroprozessors
oder ein davon abhängiges
Signal (Dsoll*) in einen analogen Wert (Vsoll) umwandelt. Die Analogbauteile
erfordern ein analoges Signal bzw. analoge Vergleichswerte. Daher
ist zwischen dem Mikroprozessor und den übrigen, analogen Einheiten
des Stromausgangs ein entsprechender Wandler erforderlich.
-
Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Pegelwandler vorgesehen
ist, welcher den Pegel des Digital-/Analogkonverters anpasst. Eine Schwierigkeit
besteht, wenn der Mikroprozessor auf einem anderen Referenzpotential
als der Regler und der Digital-/Analogkonverter liegt. Damit der
Digital-/Analogkonverter richtig arbeiten kann, muss ein Pegelwandler
diesen Potentialunterschied ausgleichen.
-
Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Messgerät, welches die Vorrichtung
zur Ausgabe mindestens eines elektrischen Ausgangssignals (lout)
nach mindestens einem der obigen Ausgestaltung beinhaltet. Dabei
handelt es sich um ein Messgerät,
welches mindestens eine Prozessgröße eines Mediums bestimmt und/oder überwacht.
Bei der Prozessgröße kann
es sich beispielsweise um die Temperatur, den Füllstand, den pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit,
die Dichte oder die Viskosität
eines Mediums in einem Rohr oder in einem beliebigen Behälter, z.B.
einem Tank handeln. Das Messgerät
weist daher in einer Ausgestaltung einen entsprechenden Stromausgang
auf, dessen Ausgangssignal innerhalb eines Bereiches, vorzugsweise
zwischen 4 und 20 mA liegt. Das Messgerät lässt sich jedoch in Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen Stromausgang auch
für eine
beliebige andere Busanbindung ausgestalten.
-
Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
-
1:
eine schematische Darstellung eines Messgerätes mit einem einpoligen Stromausgang,
-
2:
eine schematische Darstellung eines geregelten einpoligen Stromausgangs
gemäß dem Stand
der Technik,
-
3:
erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines Stromausganges,
-
4:
eine Ausgestaltung wie in 3, bei welcher
für das
Stellglied ein konkretes Beispiel gegeben wird,
-
5:
eine Ausgestaltung entsprechend 3 mit einem
Beispiel für
eine Ausgestaltung der Regelung,
-
6:
eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 mit
einer beispielhaften Ausgestaltung des Analog-/Digitalkonverters, und
-
7:
eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 mit
einer beispielhaften Ausgestaltung des Pegelwandlers.
-
In
der 1 ist ein Messgerät 1 dargestellt, welches über einen
einpoligen Signalausgang 2 verfügt. Anstelle des Messgerätes 1 kann
es sich auch um ein beliebiges elektrisches Gerät mit einem solchen Stromausgang
handeln. 4 bis 20mA-Stromausgänge
sind als Signalausgang für
Messgrößen weit verbreitet.
Der Strom kann von einer Stromsenke oder einer Stromquelle in die
Stromschleife eingeprägt
werden. Ein aktiver Stromausgang kann als einpolige Variante oder
als zweipolige Variante ausgeführt
werden. Bei der einpoligen Variante wird ein Strom lout durch einen
einpoligen Signalausgang 2 in einen externen Lastwiderstand 3 eingeprägt und die Rückleitung
des Stromes erfolgt außerhalb.
Bei der zweipoligen Variante erfolgt die Rückleitung über den zweiten Pol in das
Gerät.
-
Das
Messgerät 1 der 1 ist
mit den beiden elektrischen Potentialen V+ und V– verbunden. Durch das Stellglied 4,
bei welchem es sich beispielsweise um einen Widerstand mit einem
einstellbaren Widerstandswert handelt, wird die Stromstärke des Ausgangssignals
lout eingestellt.
-
In
der Ausgestaltung der 2 wird der Stromausgang gemäß dem Stand
der Technik geregelt. Bei der Stromregelung wird der tatsächliche Ausgangsstrom
lout gemessen und mit dem gewünschten
Sollwert verglichen. Ein Regler 8 stellt dann den Ausgangstrom
lout solange nach, bis dieser dem Sollwert entspricht. Der Mikroprozessor 6 erzeugt
einen digitalen Sollwert Dsoll, welcher von einem Digital-/Analogkonverter 7 in
die analoge Sollspannung Vsoll gewandelt wird. Der durch den Ausgangsstrom
lout verursachte Spannungsabfall am Messwiderstand 5 wird
gemessen und mit der Sollspannung Vsoll verglichen. Der Regler 8 regelt
eine auftretende Abweichung – bestimmt
wird am Knotenpunkt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 9 und dem
Ausgang des Digital-/Analogkonverters 7 die Differenz aus
der Sollspannung Vsoll und der am Messwiderstand 5 durch
den Ausgangsstrom lout abfallende Spannung – mittels des Stellglieds 4 zu
Null. Dabei arbeitet das ganze System bestehend aus dem Mikroprozessor 6,
dem Digital-/Analogkonverter 7 und dem Regler 8 mit
dem gemeinsamen Bezugpotential GND bzw. Masse bzw. V–. Der Nachteil
dieser Lösung
liegt in der Messung des Ausgangstromes lout. Der Spannungsabfall über dem
Messwiderstand 5 ist nicht auf die gemeinsame Bezugpotential
GND bezogen und muss deshalb auf dieses Potential umgesetzt werden.
Weil sich die Gleichtaktspannung am Messwiderstand 5 mit
der Last und dem Ausgangstrom lout ändert, kann es dabei zu einem Gleichtaktfehler
kommen, welcher wieder zu einer Abhängigkeit von der Last und dem
Ausgangsstrom lout führt.
Hinzu kommen Offsetgrößen und
Nichtlinearitäten
des Verstärkers 9,
die zu Fehlern im Ausgangsstrom lout führen. Es muss also für die Strommessung
ein sehr hochwertiger und entsprechend teurer Instrumentenverstärker 9 eingesetzt
werden, der zudem für
hohe Betriebspannungen geeignet ist. Will man die Anforderungen
erfüllen,
ist diese Lösungen
sehr teuer und deshalb ungeeignet.
-
In
der 3 ist die erfindungsgemäße Lösung mit der „schwimmenden
Stromquelle" dargestellt.
Bei der schwimmenden Stromquelle arbeitet die Regelung nicht mit
Bezug auf Masse/GND, sondern mit Bezug auf den einwärts gerichteten
Anschluss des Messwiderstandes 5. Dieses "virtuelle Masse" VGND ist kein festes
Potential, sondern ergibt sich über
den Widerstandswert RL des Lastwiderstands 3, den Widerstandswert
RM des Messwiderstands 5 und die Stromstärke des
Ausgangssignals lout zu: VGND = (RL + RM) * lout. Das bedeutet, dass
sich die „virtuelle
Masse" VGND mit
der Last 3 und dem Ausgangsstrom lout ändert. Die gesamte Stromquelle „schwimmt" auf dem Potential
VGND.
-
Der
Mikroprozessor 6 erzeugt das Sollsignal Dsoll, welches
hier von einem Pegelwandler 10 gewandelt wird. Der durch
den Pegelwandler 10 erzeugte Sollwert Dsoll* wird dann
von dem Digital-/Analogkonverter 7 in die Sollspannung
Vsoll gewandelt. Der Regler 8 und der Messwiderstand 5 sind hier
direkt verbunden. Beide liegen somit auf dem gleichen Potential
VGND. Der Regler 8 regelt wie im Stand der Technik (2)
die Differenz zwischen der Sollspannung Vsoll und der Spannung,
die am Messwiderstand 5 abfällt über das Stellglied 4 gegen
Null. Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind: Weil
der Messwiderstand 5 und die restliche Regelung 8, 7, 4 hier
den gleichen Bezug in der „virtuellen
Masse" VGND haben,
kann die Spannung am Messwiderstand 5 dem Regler 8 direkt,
ohne Verstärker 9,
zugeführt
werden. Damit bestehen auch nicht mehr die oben genannten Nachteile
der geregelten Stromquelle. Statt der Spannung am Messwiderstand 5 muss
in der Schaltung der Erfindung lediglich der vom Mikroprozessor 6 erzeugte
digitale Sollwert Dsoll pegelversetzt werden, da der Mikroprozessor 6 weiterhin
mit Bezug auf GND und nicht mit Bezug auf VGND wie der Digital-/Analogkonverter 7 arbeitet.
Diese Pegelumsetzung gestaltet sich jedoch wesentlich einfacher,
denn der Mikroprozessor 6 gibt den Sollwert Dsoll als digitalen
Wert an den Digital-/Analogkonverter 7 weiter und ein digitaler Wert
ist nur durch zwei Zustände,
zwei Pegel definiert. Also genügt
es, diese Zustände
des Signals im Pegel durch den Pegelwandler 10 zu versetzen.
Analoge Fehler wie Gleichtaktstörungen,
Offsetgrößen und
Nichtlinearitäten
haben hier keinen Einfluss.
-
Bei
dem Stellglied 4 in 4 handelt
es sich beispielhaft um einen bipolaren Transistor. Alternativ kann
ein Feldeffekttransistor als einstellbarer Widerstand verwendet
werden. Die restliche Schaltung der 4 ist identisch
mit der in 3.
-
In
der 5 ist ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Reglers 8 gegeben.
Für die Übersichtlichkeit
sind die Bauteile, welche für
den Sollwert Vsoll sorgen, auf den Digital-/Analogkonverter 7 reduziert.
Die Regelung wird in diesem Beispiel durch den Operationsverstärker 12 und
die beiden Widerstände 11:
R1 und R2 vorgenommen, d.h. die Regelung 8 ist hier durch
den Operationsverstärker 12 und die
beiden Widerstände 11 R1
und R2 gegeben. Über die
Widerstände
R1 und R2 fließen
jeweils die Ströme
I1 und I2. Dabei gilt I1 – I2
= 0. Das Ausgangssignal hat die Stromstärke lout = (Vsoll * R2)/(RM
* R1). Das Regelverhalten kann durch Einbringen von entsprechenden
Zeitkonstanten angepasst werden. Diese Anordnung hat sich als sehr
stabil erwiesen.
-
In
der 6 ist beispielhaft eine Ausgestaltung des Digital-/Analogkonverters 7 der
erfindungsgemäßen Schaltung
dargestellt. Der Digital-/Analogkonverter oder Digital-/Analog-Wandler
(DAC) hat die Aufgabe aus dem pegelgewandelten Digitalwert Dsoll*
das analoge Referenzsignal Vsoll für die Regelung zu generieren.
Es kann hierfür
prinzipiell jede Art von DAC verwendet werden. Eine Möglichkeit
für die
Digital-Analogwandlung ist ein tiefpassgefiltertes PWM-Signal wie
in 6 dargestellt. Der Mikroprozessor 6 erzeugt
ein digitales Signal PWM, welches dem Digitalwert Dsoll der vorhergehenden
Abbildungen entspricht; durch die Bezeichnung wird jedoch hier die
Besonderheit dieses Sollwerts betont. Ein mit der Referenzspannung
Vref versorgter Treiberbaustein 13 setzt das pegelgewandelte
Signal PWM*, welches dem Wert Dsoll* der vorhergehenden Abbildungen
entspricht, in ein Signal PWM** mit definierten Pegeln um. Die Referenzspannung
kann z.B. mit einer Stromquelle 14 und einer zweipoligen
Spannungsreferenz 15 erzeugt werden. In einem nachfolgenden
Tiefpass 17 (gebildet aus einem Widerstand und dem Kondensator)
wird der Gleichanteil des Signals herausgefiltert – es handelt
sich also um eine Mittelwertbildung – und als Sollwert Vsoll verwendet. Für die Funktion
der Referenzspannungsquelle 15, des Treibers 13 und
des Reglers 8 ist eine minimale Betriebspannung notwendig.
Um diese Spannung zu garantieren, um also zu verhindern dass der
Spannungsabfall über
dem Stellglied 4 zu klein wird, ist eine Spannungsreserve 16 nötig. Eine
solche Spannungsreserve 16 kann z.B. wie hier dargestellt
durch eine Zenerdiode realisiert werden.
-
In 7 ist
ein Beispiel für
einen Pegelwandler 10 dargestellt. Der Pegelwandler hat
die Aufgabe die digitalen Ausgangssignale des Mikrocontrollers an
die Pegel des DAC anzupassen. Dabei kann es sich je nach Ansteuerung
des DAC um einen seriellen oder einen parallelen Pegelwandler handeln.
Für die Übertragung
eines PWM-Signals – siehe
die vorhergehende 6 – reicht ein einkanaliger Pegelwandler
aus. Eine mögliche
Ausführung
des einkanaligen Pegelwandlers mit einem als Subtrahierer arbeitenden
Operationsverstärker
zeigt 7. Für
einen parallel angesteuerten Digital-/Analogkonverter müssen mehrere
dieser Pegelwandler parallel betrieben werden. Als Pegelwandler
kann auch ein Optokoppler oder ein Transformator eingesetzt werden.
In dieser 7 ist auch dargestellt, dass
das untere Potential V– Ground
für das
Messgerät
bzw. für
den Signalausgang ist.
-
- 1
- Messgerät
- 2
- Signalausgang
- 3
- Lastwiderstand
- 4
- Stellglied
- 5
- Messwiderstand
- 6
- Mikrocontroller
- 7
- Digital-/Analogkonverter
- 8
- Regler
- 9
- Verstärker
- 10
- Pegelwandler
- 11
- Widerstand
- 12
- Operationsverstärker
- 13
- Treiber
- 14
- Stromquelle
- 15
- Spannungsreferenz
- 16
- Spannungsreserve
- 17
- Tiefpass