DE102007006027B4

DE102007006027B4 - Elektrisches Messgerät, insbesondere Zweileiter-Messgerät

Info

Publication number: DE102007006027B4
Application number: DE102007006027A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Martell; Heinz Dipl.-Ing. Wohlrab
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: DE102007006027A1

Abstract

Elektrisches Messgerät, insbesondere Zweileiter-Messgerät (1), mit einer strombegrenzten Energieversorgung, gekennzeichnet durch hierarchisch gestaffelte Versorgungseinheiten (5, 8, 11, 14) zur bedarfsgerechten Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungsleistung zu jeweiligen Gerätekomponenten (6, 9, 12, 15, 16, 17), umfassend
– eine Primärkreis-Versorgungseinheit (5), betrieben mit einem ersten, unteren Grenzstrom,
– mindestens eine von der Primärkreis-Versorgungseinheit (5) zuschaltbare Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8), betrieben mit einem gegenüber dem unteren Grenzstrom höheren unteren Basisstrom,
– eine von der mindestens einen hierachisch höherrangigen Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8) zuschaltbare Mess-Versorgungseinheit (11), die die Mess-Schaltung (12) mit dem unteren Basisstrom betreibt, und
– eine Sonder-Versorgungseinheit (14), die mindestens eine weitere Komponente (15, 16, 17) des Messgerätes (1) mit einer auf einem Versorgungs-Differenzstrom gegenüber dem unteren Basisstrom basierenden Leistung versorgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Messgerät, insbesondere ein Zweileiter-Messgerät mit einer strombegrenzten Energieversorgung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Problematik soll am Beispiel der vorstehend erwähnten Zweileiter-Messgeräte näher erläutert werden. So stellen solche Zweileiter-Messgeräte über ihre zwei Anschlussleitungen einen Schleifenstrom ein, der den zu übertragenden Messwert einer gemessenen Größe repräsentiert. Ferner wird über diesen begrenzten Schleifenstrom die Energieversorgung des Messgerätes sichergestellt, die insoweit also als „strombegrenzt” zu bezeichnen ist. Aufgrund dieser Strombegrenzung müssen solche Zweileiter-Messgeräte sehr leistungsarm arbeiten.
Der erwähnte Schleifenstrom umfasst standardgemäß einen Bereich von 3,6 mA–22 mA, wobei die Bereiche kleiner einem unteren Grenzstrom von 3,6 mA und oberhalb eines oberen Basisstroms von 21 mA für Fehlermeldungen reserviert sind. Der Bereich zwischen im Wesentlichen 4 mA bis 20 mA – genauer zwischen 3,8 mA als unteren Basisstrom und 20,5 mA – stellt als Live-Zero-Strom den mit dem Messgerät gemessenen Wert dar. Aufgrund dieser Konzeption ist ein Zweileiter-Messgerät so ausgelegt, dass es bereits bei Versorgung mit seinem unteren Basisstrom (von z. B. 3,8 mA) die komplette Funktionalität der Messwerterfassung, -verarbeitung und -aufbereitung abdecken kann. Bei einem Schleifenstrom oberhalb des unteren Basisstroms, also beispielsweise von 20 mA bei Darstellung eines Messwerts an seiner oberen Messbereichsgrenze, bleibt der entsprechende Differenzstrom zwischen diesem Schleifenstrom und dem unteren Basisstrom und die daraus resultierende Leistung ungenutzt.
Aus der DE 103 22 262 B4 ist ein Signal-Speisetrenner für Messsignale bekannt, der einen Speise-Eingang mit einer primärseitigen Eingangsschaltung und einer davon mittels eines Übertragers potentialgetrennten, sekundärseitigen Ausgangsschaltung umfasst. Zu deren Versorgung ist eine Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung vorgesehen, die eine Regeleinrichtung zur Anpassung der Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung an deren jeweils aktuellen Leistungsbedarf aufweist.
Die EP 1 553 538 A1 offenbart ein Zweileiter-Messgerät, das zur Realisierung eines Wandlers mit einer höheren Leistung über ein erstes Leitungspaar für einen Signalstrom und mit einem zweiten Leitungspaar für einen zusätzlichen Versorgungsstrom versehen ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Messgerät mit einer strombegrenzten Energieversorgung so weiterzubilden, dass seine Funktionalität an die zur Verfügung stehende Leistung anpassbar und damit die Versorgungsleistung innerhalb der gegebenen Strombegrenzung optimal ausnutzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst und wird dementsprechend durch das Konzept hierarchisch gestaffelter Versorgungseinheiten zur bedarfsgerechten Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungsleistung zu jeweiligen Gerätekomponenten realisiert. Diese hierarchisch gestaffelten Versorgungseinheiten umfassen

– eine Primärkreis-Versorgungseinheit, betrieben mit einem ersten, unteren Grenzstrom,
– eine von der Primärkreis-Versorgungseinheit zuschaltbare Sekundärkreis-Versorgungseinheit, betrieben mit einem gegenüber dem unteren Grenzstrom höheren unteren Basisstrom,
– eine von der Sekundärkreis-Versorgungseinheit zuschaltbare Mess-Versorgungseinheit, die die Mess-Schaltung mit dem unteren Basisstrom betreibt, und
– eine Sonder-Versorgungseinheit, die mindestens eine weitere Komponente des Messgerätes mit der auf einem Versorgungs-Differenzstrom gegenüber dem unteren Basisstrom basierenden Leistung versorgt.

Aufgrund dieses hierarchischen Konzeptes wird für die nachfolgenden Einheiten nur die zur Verfügung stehende Leistung bereitgestellt, ohne dass die in der Hierarchie vorhergehende Versorgungseinheit beeinträchtigt wird. Damit bleibt für die erwähnte Sonder-Versorgungseinheit eine aus dem Versorgungs-Differenzstrom resultierende Restleistung zur Verfügung, die beispielsweise für eine Beleuchtungseinheit für eine Anzeigekomponente des Messgerätes oder eine visuelle Warneinheit, wie beispielsweise eine auffällig rote Anzeigebeleuchtung herangezogen werden kann.
Das hierarchische Konzept hat auch im Falle von Störungen im Gerät erhebliche Vorteile. Sollte nämlich eine Versorgungseinheit fehlerhaft sein und beispielsweise ihrerseits einen Kurzschluss aufweisen, bleiben die vorhergehenden Versorgungseinheiten betriebsbereit und können mit der Umgebung kommunizieren, also beispielsweise eine Fehlermeldung ausgeben.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert wird.
Diese
1 zeigt ein Messgerät in schematisch-konzeptioneller Darstellung.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, steht das in Zweileiter-Technik ausgeführte Messgerät 1, beispielsweise ein pH-Messgerät, über zwei Anschlussleitungen 2, 3 mit einer nicht näher dargestellten Messwarte in Verbindung. Der in den Anschlussleitungen 2, 3 fließende Schleifenstrom I wird vom Messgerät 1 so eingestellt, dass sein Wert eine zu erfassende Messgröße, wie beispielsweise den pH-Wert einer zu überwachenden Prozessflüssigkeit, repräsentiert. Dazu setzt das Messgerät 1 das eigentliche, von einem angeschlossenen Messsensor 4 – beispielsweise einem pH-Sensor – gelieferte Messsignal in den entsprechenden Schleifenstrom I um.
Die verschiedenen Komponenten des Messgerätes 1 werden nun in einer hierarchischen Staffelung aus dem Schleifenstrom mit Energie versorgt und betrieben. So ist eine Primärkreis-Versorgungseinheit 5 zur Versorgung eines Primärkreises 6 mit einem Primärprozessor 7 vorgesehen. Diese Primärkreis-Versorgungseinheit 5 ist an die Anschlussleitungen 2, 3 gekoppelt und baut beim Einschalten des Gerätes, also bei Ansteuerung von der Messwarte aus, die notwendigen Primärspannungen im Primärkreis 6 auf. Der Primärprozessor 7 startet und stellt einen Schleifenstrom I von maximal 3,6 mA ein. Durch die damit sichergestellte Basis-Versorgungsleistung kann das Zuschalten der Sekundärkreis-Versorgungseinheit 8 für den Sekundärkreis 9 mit seinem Hauptprozessor 10 erfolgen. Dieses Zuschalten ist in der Figur durch die Relais ähnlichen Schaltzeichen RS zwischen den jeweiligen Versorgungseinheiten versinnbildlicht. Durch das Zuschalten der Sekundärkreis-Versorgungseinheit 8 startet der Hauptprozessor 10 und stellt nun einen Schleifenstrom I von z. B. 3,8 mA ein. Damit ist das Messgerät in der Lage, seinen Status anzuzeigen und über nicht näher dargestellte Kommunikationskomponenten, beispielsweise über HART oder über eine IrDA-Schnittstelle, mit externen Geräten zu kommunizieren. Ferner wird bei Einstellen des unteren Basisstromes für den Schleifenstrom in Höhe von 3,8 mA die Mess-Versorgungseinheit 11 für die Mess-Schaltung 12 zugeschaltet. Da der untere Basisstrom von 3,8 mA ausreicht, die Mess-Schaltung 12 und ggf. über die Messleitung 13 den als intelligenter Sensor mit eigener Messwertaufbereitung und mit kontaktloser Energie- und Mess-Signalübertragung ausgestalteten Messsensor 4 zu betreiben, ist das Gerät bezüglich seiner Kernfunktionalitäten nun voll betriebsbereit. Der Schleifenstrom I stellt sich damit auf einen für den jeweiligen Messwert repräsentativen Wert zwischen 3,8 und 20,5 mA, also beispielsweise 18,8 mA ein. Die von den vorhergehenden Versorgungseinheiten überschüssige Leistung und die Leistung, die aus dem nun gegenüber dem unteren Basisstrom von 3,8 mA verfügbaren Versorgungs-Differenzstrom von 15 mA resultiert, kann der Sonder-Versorgungseinheit 14 zur Verfügung gestellt werden, die eine weitere Komponente des Messgerätes 1, wie beispielsweise eine Beleuchtungseinheit 15 für eine Messwertanzeige 16 des Messgerätes oder eine visuelle Warneinheit in Form einer zusätzlichen, beispielsweise auffällig roten und hellen Zusatz-Beleuchtungseinheit 17 ansteuert.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Leistungskonzeptes wird nur der notwendige Anteil der zur Verfügung stehenden Leistung für die eigentliche Mess-Schaltung 12 und die Steuerkomponenten, wie beispielsweise Primärprozessor 7 und Hauptprozessor 10 aufgenommen, wogegen der zumeist überwiegende Rest der Eingangsleistung beispielsweise für die Beleuchtungseinheit 15 genutzt wird. Diese effektive Ausnutzung der Eingangsleistung ermöglicht es auch bei Zweileitertechnik und ungünstigen Lichtverhältnissen eine gut ablesbare Messwertanzeige 16 beim Messgerät 1 zu gewährleisten.
Ferner wird durch das hierarchische Konzept gewährleistet, dass das Gerät voll betriebsbereit bleibt, auch wenn beispielsweise die Beleuchtungseinheit 15 für die Messwertanzeige 16 einen Kurzschluss aufweist.
Sollte die Mess-Schaltung 12 oder die Messleitung 13 fehlerhaft sein und beispielsweise ihrerseits einen Kurzschluss aufweisen, bleibt der Hauptprozessor 10 betriebsbereit und kann mit der Umgebung kommunizieren, also beispielsweise eine Fehlermeldung ausgeben.
Sollte schließlich der Sekundärkreis 9 gestört sein, so bleibt der Primärprozessor in der Lage einen Fehlerstrom von 3,6 mA bzw. 22 mA einzustellen.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die gegliederte Darstellung in 1 lediglich schematischer Natur ist und nur zur Darlegung der Funktionalität eines erfindungsgemäßen Messgerätes dient. Bei der gerätetechnischen Umsetzung müssen diese Komponenten nicht unbedingt getrennt und in Hardware-Komponenten ausgeführt sein, sondern können auch auf entsprechender Software-Basis und/oder unter Integration ineinander realisiert werden.

Claims

Elektrisches Messgerät, insbesondere Zweileiter-Messgerät (1), mit einer strombegrenzten Energieversorgung, gekennzeichnet durch hierarchisch gestaffelte Versorgungseinheiten (5, 8, 11, 14) zur bedarfsgerechten Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungsleistung zu jeweiligen Gerätekomponenten (6, 9, 12, 15, 16, 17), umfassend – eine Primärkreis-Versorgungseinheit (5), betrieben mit einem ersten, unteren Grenzstrom, – mindestens eine von der Primärkreis-Versorgungseinheit (5) zuschaltbare Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8), betrieben mit einem gegenüber dem unteren Grenzstrom höheren unteren Basisstrom, – eine von der mindestens einen hierachisch höherrangigen Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8) zuschaltbare Mess-Versorgungseinheit (11), die die Mess-Schaltung (12) mit dem unteren Basisstrom betreibt, und – eine Sonder-Versorgungseinheit (14), die mindestens eine weitere Komponente (15, 16, 17) des Messgerätes (1) mit einer auf einem Versorgungs-Differenzstrom gegenüber dem unteren Basisstrom basierenden Leistung versorgt.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Primärkreis-Versorgungseinheit (5) versorgte Primärkreis (6) einen Primärprozessor (7) zur Einstellung des unteren Grenzstromes aufweist.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Sekundärkreis-Versorgungseinheit (8) versorgte Sekundär kreis (9) einen zur Steuerung des Messgerätes einschließlich der Einstellung des unteren Basisstromes dienenden Hauptprozessor (10) aufweist.
Messgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonder-Versorgungseinheit (14) als weitere Komponente eine Beleuchtungseinheit (15) für eine Anzeige (16) des Messgerätes (1) versorgt.
Messgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonder-Versorgungseinheit (14) als weitere Komponente eine visuelle Warneinheit (17) zur Anzeige eines Fehlerfalles des Messgerätes (1) versorgt.
Messgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät ein Zweileiter-Messgerät (1) mit einem Schleifenstrom (I) im Bereich von 3,6 mA bis 22 mA und einem Signalstrom im Bereich von 4 mA bis 20 mA ist, wobei der untere Grenzstrom etwa 3,6 mA und der untere Basistrom etwa 3,8 mA betragen sowie der Versorgungs-Differenzstrom aus der Differenz zwischen dem Schleifenstrom (I) und dem unteren Basisstrom abgeleitet ist.