DE102020124816B4

DE102020124816B4 - Messumformer zur Übertragung einer Prozessgröße an eine speicherprogrammierbare Steuerung

Info

Publication number: DE102020124816B4
Application number: DE102020124816.4A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter; Dorin Antonovici
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2040-09-24
Also published as: CN114253204A; US11949227B2; DE102020124816A1; CN114253204B; US20220094156A1

Abstract

Messumformer zur Übertragung einer Prozessgröße an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), wobei der Messumformer eingerichtet ist, in einem Strommodus ein 4-20-mA-Stromsignal in eine Bürde (1) einzuspeisen und in einem Spannungsmodus ein 0-10-V-Spannungssignal zu erzeugen, mit einem Prozesswerteingang (2), einer Stromstufe (3), einer Spannungsstufe (4) und einem U/I-Ausgang (5) für das 4-20-mA-Stromsignal oder 0-10-V-Spannungssignal, sowie einem U/I-Steuereingang (6, 6a, 6b) zur Umschaltung zwischen den beiden Modi, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer dazu ausgebildet ist, über einen Widerstand (7) einen von der Spannung über der Bürde (1) abhängigen Strom in die Stromstufe (3) einzuspeisen und somit einen von der Spannung über der Bürde (1) abhängigen Stromverlust an der Spannungsstufe (4) zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft einem Messumformer (Transmitter) zur Erzeugung eines analogen Strom- oder Spannungssignals zur Übertragung einer Prozessgröße an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gemäß dem Patentanspruch 1.
Die hier in Rede stehenden normierten elektrische Signale der Prozessautomation werden als Einheitssignale bezeichnet, für die es eine Reihe von Einheitsreglern und Messumformern (Transmittern) von verschiedenen Herstellern gibt.
Diese Transmitter sind als 3-Draht-Messumformer mit einem Spannungsausgang und/oder als 2-Draht Messumformer mit einem Stromschleifenausgang ausgeführt. Sie erfassen Prozessgrößen wie Temperatur, Druck, Durchfluss oder Füllstand (Niveau) und formen sie in ein Einheitssignal um, das von einem Prozessleitsystem, meistens einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), weiterverarbeitet und zur ggf. zur Anzeige gebracht wird.
Bei diesen Einheitssignalen handelt es sich um Stromsignale nach DIN IEC 60381-1 von 0 mA bis 20 mA oder von 4 mA bis 20 mA (mit versetztem Nullpunkt, offset zero) oder um fünf unterschiedliche Spannungssignale nach DIN IEC 60381-2, die alle im Bereich zwischen -10 V und +10 V liegen.
Die hier vorgestellte Erfindung beschreibt eine elektronische Schaltung für einen Transmitter, der analoge Messwerte wahlweise in industrieübliche Spannungs- bzw. Stromsignale von beispielsweise 0-10 Volt oder 4-20 mA umwandelt.
Die DE 10 2004 030 161 A1 beschreibt einen Transmitter zur Erzeugung der in Rede stehenden analogen Strom- oder Spannungssignale, bei dem eine Stromquelle und eine Spannungsquelle parallel angesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Die Stromstufe ist hier als differenzielle Verstärkerstufe auf der variablen Bürde aufliegend konstruiert. Das erlaubt zwar getrennte Abgleichprozesse von Strom- und Spannungsquelle, allerdings kann der Stromausgangswert durch die Widerstandstoleranzen im Strom-ausgangsverstärker hierbei bürdenabhängig werden.
Die DE 10 2005 009 459 A1 beschreibt einen Transmitter, bei dem automatisch zwischen einem Spannungsausgang und einem Stromausgang unterschieden wird.
Die vorgeschlagene Anordnung unterscheidet zwischen einer Bürde (z.B. < 500 Ohm, oder einer Last (z.B. > 500 Ohm), wobei mit dieser Messung verbundene Stromverluste durch einen Operationsverstärker (OPAMP) vermieden werden. Außerdem wird für die getrennt durchzuführenden Kalibrierprozesse eine weitere Schaltung benötigt, welche den Ausgangsmode detektiert und an den µC meldet.
Ein gemeinsamer Anschluss für den Strom- und den Spannungsausgang führt jedoch unausweichlich zu Stromverlusten und damit zu Messungenauigkeiten im Strombetrieb. Abhilfe könnte zwar eine hochohmig ausgeführte Spannungsstufe schaffen, was jedoch die (passive) Entladung von kapazitiven Anteilen der Bürde verlangsamt und deshalb zu langen Signalabstiegszeiten führt, ohne die Stromverluste vollkommen zu vermeiden.
Somit bleibt nur die Möglichkeit, die Spannungsstufe niederohmiger auszulegen, und den Stromverlust auf geeignete Weise zu kompensieren.
Die Zuführung eines Kompensationsstromes ist für Stromstufen aus den Druckschriften Die DE 10 2015 109 095 A1 und die EP 2 219 013 B1 bekannt.
Jedoch sind die dort vorgeschlagenen Schaltungen sehr aufwändig, schließlich werden ein Strom messwiderstand und eine Regeleinrichtung benötigt, und zum anderen sind sie nicht ohne weiteres in die in Rede stehenden kombinierten Messumformer (U/I-Transmitter) integrierbar.
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die genannten Nachteile zu überwinden, ohne eine (Strom-) Messung auszukommen, und eine einfache, kostengünstige und leicht in einen vorhandenen kombinierten Messumformer (U/I-Transmitter) integrierbare Schaltung anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den in der Hauptsache von einem Spannungsteiler bestimmten Ausgangswiderstand der Spannungsstufe so niederohmig wie signaltechnisch erforderlich auszuführen, und den Stromverlust durch einen mit der (unbekannten) Bürdenspannung versorgten Widerstand auszugleichen. Das geschieht vorteilhaft durch Einspeisung des durch den genannten Widerstand und der Spannung über der Bürde bestimmten Stroms in die Stromstufe, denn dadurch ist er proportional zu den ebenfalls von der Bürdenspannung abhängigen Stromverlusten, was die genannten aufwändigen Mess- und Regeleinrichtungen überflüssig macht.
Wie sich herausgestellt hat, ist es besonders vorteilhaft, den KompensationsWiderstand zwischen dem U/I-Ausgang und dem Eingang der Stromstufe anzuordnen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Betriebs-Modi, nämlich Strombetrieb und Spannungsbetrieb, durch Abschalten der Stromstufe mittels Unterbrechung ihrer Versorgungsspannung im Spannungs-Modus, und durch Kurzschließen des Eingangs der Spannungsstufe im Strom-Modus zu unterbinden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, den für die genannte Umschaltmaßnahme notwendigen Steuereingang mit einem Ausgang eines Mikrocontrollers (µC) zu verbinden, wobei es unwesentlich ist, ob es einen gemeinsamen Steuerpin für die Strom- und die Spannungsstufe gibt, und/oder ob sie von unterschiedlichen Anschlüssen des µC gesteuert werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt die Komponenten des erfindungsgemäßen Messumformers schematisch.

Gezeigt ist ein Temperaturmessgerät mit einem konstanten Vorwiderstand Rc und einem temperaturabhängigen Widerstand ϑ in einer äußerst vereinfachten Darstellung.
Die Bürde 1 besteht aus einem ohmschen Widerstand und einer parallelen Kapazität. Sie ist normalerweise Bestandteil einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS).
Der Prozesswerteingang 2 erhält ein vom einem Verstärker V erzeugtes analoges Messsignal (Messwert), wobei der Verstärker V von einem Mikrocontroller gesteuert werden kann.
Weiterhin sind eine Stromstufe 3 und eine Spannungsstufe 4 dargestellt, die den am Prozesswerteingang 2 anliegenden analogen Messwert in ein Stromsignal (4-20 mA) oder in ein Spannungssignal (0-10 V) umwandeln.
Deren Ausgänge sind als ein gemeinsamer U/I Ausgang 5 für Strom oder Spannung zusammengefasst. Die gegenseitige Beeinflussung dieser beiden Betriebs-Modi wird zum einen durch Abschalten der Stromstufe 3 durch Unterbrechen (Abschnüren) ihrer Versorgung im Spannungs-Modus, und zum anderen durch Kurzschließen des Eingangs der Spannungsstufe 4 im Strom-Modus vermieden. Das geschieht mit Hilfe eines hier zweigeteilt (zwei Eingänge 6a und 6b) dargestellten U/I-Steuereingangs 6, wobei über 6a die Versorgungsspannung des den Ausgangstransistor steuernden Operationsverstärkers 8 unterbrochen (abgeschnürt), und über 6b der Eingang der Spannungsstufe 4 kurzgeschlossen wird.
Wie der Fachmann leicht sieht, kann man 6a und 6b zu einem U/I-Steuereingang 6 zusammenfassen, womit man sich aber der Möglichkeit einer getrennten Steuerung der beiden Ausgangsstufen 3 und 4 beraubt.
Erfindungsgemäß wird der vom Spannungsteiler 9 bestimmte Ausgangswiderstand der Spannungsstufe 4 so niederohmig wie signaltechnisch erforderlich ausgeführt, und der dadurch entstehende Stromverlust durch einen mit der (unbekannten) Bürdenspannung versorgten Widerstand 7 ausgeglichen. Das geschieht durch Einspeisung des durch den Widerstand 7 und der Spannung über der Bürde 1 bestimmten Stroms in die Stromstufe 3, denn dadurch ist dieser Strom proportional zu den ebenfalls von der Bürdenspannung abhängigen Stromverlusten, was die genannten aufwändigen Mess- und Regeleinrichtungen überflüssig macht.
Wie sich herausgestellt hat, ist es besonders vorteilhaft, den KompensationsWiderstand 7 zwischen dem U/I-Ausgang 5 und dem Eingang der Stromstufe 3 anzuordnen.
Der beschriebene Messumformer kann vorteilhaft zur Erfassung einer Prozessgröße in einer Produktionsanlage der Lebensmittelindustrie oder auch der Chemischen Industrie zur Erfassung von Druck, Temperatur, Durchfluss oder Füllstand (Niveau) Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

1: Bürde
2: Prozesswerteingang
3: Stromstufe
4: Spannungsstufe
5: U/I-Ausgang
6, 6a, 6b: U/I-Steuereingang
7: Kompensationswiderstand
8: Operationsverstärker
9: Spannungsteiler

Claims

Messumformer zur Übertragung einer Prozessgröße an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), wobei der Messumformer eingerichtet ist, in einem Strommodus ein 4-20-mA-Stromsignal in eine Bürde (1) einzuspeisen und in einem Spannungsmodus ein 0-10-V-Spannungssignal zu erzeugen, mit einem Prozesswerteingang (2), einer Stromstufe (3), einer Spannungsstufe (4) und einem U/I-Ausgang (5) für das 4-20-mA-Stromsignal oder 0-10-V-Spannungssignal, sowie einem U/I-Steuereingang (6, 6a, 6b) zur Umschaltung zwischen den beiden Modi, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer dazu ausgebildet ist, über einen Widerstand (7) einen von der Spannung über der Bürde (1) abhängigen Strom in die Stromstufe (3) einzuspeisen und somit einen von der Spannung über der Bürde (1) abhängigen Stromverlust an der Spannungsstufe (4) zu kompensieren.
Messumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (7) zwischen dem U/I-Ausgang (5) und dem Eingang der Stromstufe (3) angeordnet ist.
Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er dazu ausgebildet ist, eine gegenseitige Beeinflussung der Betriebs-Modi, durch Abschalten der Stromstufe (3) mittels Unterbrechung ihrer Versorgungsspannung im Spannungs-Modus, und durch Kurzschließen des Eingangs der Spannungsstufe (4) im Strom-Modus zu vermeiden.
Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der U/I-Steuereingang (6, 6b) mit einem Ausgang eines Mikrocontrollers (µC) verbunden ist.