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Die
Erfindung betrifft einen ersten Messumformer mit einem Anschluss
zum Anschließen
an eine Zweileiter-Stromschleife und mit einem Messwerteingang für einen über die
Zweileiter-Stromschleife
zu übertragenden
Messwert. Der Messumformer weist eine an den Anschluss geschaltete
Reihenschaltung aus einem regelbaren Strombegrenzungselement, einem
Spannungsbegrenzungselement und einem Messwiderstand zur Messung
eines Schleifenstroms in der Zweileiter-Stromschleife auf. Es ist
mittels des Strombegrenzungselementes ein zum Messwert korrespondierender
Stromwert in die Zweileiter-Stromschleife einprägbar. Zur elektrischen Versorgung
des Messumformers ist eine elektrische Leistung aus einer an dem
Spannungsbegrenzungselement anliegenden Speisespannung auskoppelbar.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin einen zweiten Messumformer mit einem
Anschluss zum Anschließen
an eine Zweileiter-Stromschleife und mit einem Messwerteingang für einen über die
Zweileiter-Stromschleife zu übertragenden
Messwert. Der Messumformer weist eine an den Anschluss geschaltete
Reihenschaltung aus einem regelbaren Strombegrenzungselement und
einem Messwiderstand zur Messung eines Schleifenstroms in der Zweileiter-Stromschleife
auf. Es ist mittels des Strombegrenzungselementes ein mit dem Messwert
korrespondierender Stromwert in die Zweileiter-Stromschleife einprägbar.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung einen Stellungsregler mit einem Anschluss
für eine
Zweileiter-Stromschleife und mit einem Sollwertausgang für einen über die
Zweileiter-Stromschleife in Form eines Stromwertes übertragenen
Sollwert. Der Stellungsregler weist eine an den Anschluss geschaltete
Reihenschaltung aus einem Spannungsbegrenzungselement und einem
Messwiderstand zur Messung des Schleifenstroms in der Zweileiter-Stromschleife
auf. Der Stellungsregler weist eine Aus gabeeinheit zur Ausgabe des
mit dem gemessenen Stromwert korrespondierenden Sollwertes auf.
Es ist zur elektrischen Versorgung des Stellungsreglers eine elektrische Leistung
aus einer an dem Spannungsbegrenzungselement anliegenden Speisespannung
auskoppelbar.
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Schließlich betrifft
die Erfindung eine Anwendung der Messumformer und des Stellungsreglers
in der Anlagen- und Automatisierungstechnik, insbesondere in der
chemischen Industrie, in der Petrochemie und im Untertagebau.
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Messumformer,
wie z. B. vom Typ SITRANS P der Fa. Siemens, sowie Stellungsregler,
wie z. B. vom Typ SIPTART PS2 der Fa. Siemens, werden zur Übertragung
eines Messwertes bzw. eines Sollwertes an einer Zweileiter-Stromschleife
betrieben. Über dieselbe
Zweileiter-Stromschleife werden ein derartiger Messumformer und
Stellungsregler auch mit elektrischer Energie zur Speisung der elektronischen Schaltkreise
versorgt. Die speisende Gegenstelle kann eine analoge Eingabebaugruppe
bzw. eine analoge Ausgabebaugruppe eines Leitsystems, eines Prozessrechners
oder einer sogenannten SPS (für Speicherprogrammierbare
Steuerung) sein.
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Ein
Stellungsregler ist üblicherweise
ein Gerät
zur Positionierung von Ventilen in der Automatisierungstechnik.
Er wird vor allem in der Prozessindustrie eingesetzt, um die Produktionsabläufe zu kontrollieren.
Der Stellungsregler kann einen Linearantrieb oder einen Rotationsantrieb
aufweisen, um damit verbundene Anlagenkomponenten, wie Schieber,
Bremselemente, Luftklappen und dergleichen, zu betätigen. Allgemein
wandelt ein Stellungsregler ein elektrisches Eingangssignal in ein
entsprechendes Ausgangssignal um. Des Weiteren verfügen alle Stellungsreglertypen über eine
Stellungsrückmeldung,
die dazu dient, die Ist-Position zu bestimmen.
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Der
Messwertbereich eines zu übertragenden
Messwertes, wie z. B. einer Temperatur, einer Kraft, eines Druckwertes
oder dergleichen, wird üblicherweise
in einem zugeordneten Strom- Wertbereich
der Zweileiter-Schleife von 4 mA bis 20 mA (4/20 mA-Standard) übertragen.
Das heißt,
dass der zu übertragende
Messwertbereich in einen Stromwertbereich von 16 mA abgebildet wird.
Der zum Nullstromwert versetzt abgebildete Stromwertbereich ermöglicht zum
einen eine permanente Stromversorgung des Signalkreises des Messumformers
und eines daran angeschlossenen Sensors bzw. eines Stellgliedes
des Stellungsreglers. Zum anderen können Stromwerte außerhalb
dieses Bereiches, z. B. Stromwerte kleiner als 3,6 mA oder größer als
21 mA, zur Signalisierung von Fehlern verwendet werden. Ein Stromwert
von 0 mA bedeutet eine Unterbrechung der Stromschleife und ist somit
ein sicherer Hinweis auf eine Störung,
insbesondere auf einen Drahtbruch in der Zweileiter-Stromschleife.
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In
analoger Weise kann von der Gegenstelle über die Zweileiter-Stromschleife
ein Sollwert an den Stellungsregler, wie z. B. zum Einstellen eines
Drehwinkels für
ein angeschlossenes Ventil, übertragen werden.
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Das über die
Zweileiter-Stromschleife übertragene
Stromsignal ist weitestgehend unempfindlich gegenüber elektromagnetischen
Störungen.
Die maximale Länge
der Zweileiter-Stromschleife kann bei entsprechender Kompensation
der Leitungsverluste, das heißt
bei entsprechender Anhebung der Speisespannung, 1000 m und mehr
betragen. Typische Messumformer und Stellungsregler weisen einen Eingangsspannungsbereich
bis 45 V auf.
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An
dem Messumformer bzw. an dem Stellungsregler ist über die
Zweileiter-Stromschleife eine minimale Klemmenspannung bereitzustellen,
so dass immer eine ausreichend hohe elektrische Leistung für die Mess-
und Stellaufgaben zur Verfügung steht.
Typischerweise darf diese Klemmenspannung einen Wert von 14 V aus
Gründen
des Explosionsschutzes und somit zur Vermeidung einer elektrischen
Funkenbildung nicht übersteigen.
Derartige Anforderungen bestehen beispielsweise bei der chemischen
Industrie, in der Petrochemie oder beim Untertage bau. Allerdings
können
höhere
Speisespannungen in derartigen Umgebungen mittels begrenzender Barrieren
oder Speisetrenner auf einen Spannungswert von 14 V begrenzt werden.
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In
die Zweileiter-Stromschleife ist zumindest ein Messwiderstand im
Bereich von 50 bis 250 Ohm geschaltet. Dieser wird bei dem Messumformer
benötigt,
um einen mit dem Messwert korrespondierenden Stromwert in die Zweileiter-Stromschleife
mittels einer Regelschleife einzuprägen. Bei dem Stellungsregler
wird dieser Messwiderstand benötigt,
um den von der analogen Ausgabebaugruppe übertragenen Sollwert auslesen
zu können.
Zudem ist in der analogen Eingabebaugruppe ein Messwiderstand im
Bereich von 50 bis 250 Ohm erforderlich, um einen vom Messumformer
als Stromsignal übertragenen
Messwert auslesen zu können.
Darüber
hinaus weisen der Messumformer und der Stellungsregler typischerweise
eine oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden als Verpolungsschutz
auf.
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In
der analogen Ein- oder Ausgabebaugruppe kann zudem noch ein Widerstand
für eine
sogenannte HART-Kommunikation in die Schleife geschaltet sein. HART
(für Highway
Addressable Remote Transducer) ist ein standardisiertes, weit verbreitetes
Kommunikationssystem zum Aufbau industrieller Feldbusse. Es ermöglicht die
digitale Kommunikation mehrerer Teilnehmer (Feldgeräte) über einen
gemeinsamen Datenbus, vorzugsweise über die Zweileiter-Stromschleife
entsprechend dem älteren 4/20
mA-Standard. Vorhandene Leitungen nach dem 4/20 mA-Standard können direkt
benutzt und beide Systeme parallel betrieben werden.
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Die
Summe aus den Spannungen, die über dem
Messwiderstand in der analogen Ein- oder Ausgabebaugruppe, gegebenenfalls über dem
Kommunikationswiderstand, und über
dem entlang der Stromschleife verteilten Leitungswiderstand abfallen, führt dazu,
dass nur noch eine Klemmenspannung von ca. 10 Volt von den maximalen
14 V an den Eingangsklemmen des Messumformers bzw. Stellungsreglers „ankommt". Nach Abzug der
Messspannung über
dem internen Messwiderstand (50 Ohm), den Verpolungsdioden und über dem
Stelltransistor beim Messumformer verbleibt von dieser Klemmenspannung
bei einem maximalen Strom von 24 mA letztendlich nur noch eine Speisespannung
von ca. 7 V. Dies bedeutet, dass bei einem minimalen Strom von 3,5
mA rechnerisch nur eine elektrische Leistung von 24,5 mW für die Elektronik
der Messsensorik bzw. des Stellgliedes zur Verfügung steht.
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Die
Speisespannung kann mittels eines DC/DC-Wandlers in eine niedrigere
Ausgangsspannung, wie z. B. 3 V, umgesetzt werden, um die daran angeschlossenen
elektronischen Bauelemente mit Strom zu versorgen. Typischerweise
beträgt
der Wirkungsgrad derartiger DC/DC-Wandler in dieser Leistungsklasse
ca. 80 bis 90%. Von den ursprünglich 24,5
mW verbleiben demnach nur noch ca. 22 mW. Bei einem Stellungsregler
liegt dieser Leistungswert etwas höher, das heißt bei ca.
24 mW, da der beim Messumformer erforderliche Stelltransistor mit
einer Verlustleistung von ca. 1,75 mW hier nicht erforderlich ist.
In vielen Fällen
reduziert sich die verfügbare elektrische
Leistung allerdings nochmals, wenn z. B. zur Erhöhung der Mess- oder Stellgenauigkeit
im Messumformer bzw. im Stellungsregler anstelle eines 50-Ohm-Messwiderstandes
ein 100-Ohm-Messwiderstand eingesetzt wird.
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Der
DC/DC-Wandler kann, falls erforderlich, auch eine galvanische Trennung
aufweisen. Jedoch verringert sich dadurch der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers.
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Mit
zunehmenden Anforderungen an Genauigkeit und Funktionsumfang, wie
z. B. für
eine Erfassung mehrerer Messwerte, für eine lokale Bedienung des
Messumformers bzw. des Stellungsreglers über ein Display oder für eine erweiterte
Diagnosemöglichkeit,
nimmt der Leistungsbedarf derartiger Geräte zu. Diese Anforderungen
machten bereits eine Hochsetzung der Klemmenspannung von ursprünglich 8
V bei älteren
Geräten
auf ca. 10 bis 10,5 V erforderlich. Wegen der Anforderungen an den
Explosionsschutz bei einer typischerweise maximalen Versorgungs- oder
Batteriespannung von 14 V und wegen der zuvor genannten Spannungsabfälle in der
Zweileiter-Stromschleife ist folglich die maximale Klemmenspannung
am Messumformer bzw. am Stellungsregler auf ca. 10,5 V begrenzt.
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Zur
Sicherstellung einer im Messumformer bzw. im Stellungsregler minimalen
Versorgungsspannung, wie z. B. von 7 V, wird üblicherweise eine Zenerdiode
oder ein Spannungsregler verwendet. Überschüssige elektrische Leistung,
insbesondere bei hohen Stromwerten, fällt dann als Verlustwärme an der
Zenerdiode bzw. am Spannungsregler ab.
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Nachteilig
ist, dass bei gewünschten
höheren
Messfrequenzen oder bei einer höheren
Messgenauigkeit die an der Zenerdiode bzw. am Spannungsregler noch
zur Verfügung
stehende elektrische Leistung nicht mehr ausreicht.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, Messumformer sowie einen Stellungsregler
anzugeben, welche jeweils eine höhere
elektrische Leistung zur Eigenversorgung bereitstellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Verwendung
für derartige
Messumformer und für
einen derartigen Stellungsregler anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für
den ersten Messumformer durch einen Messumformer mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Messumformers sind in den
abhängigen
Ansprüchen
4 sowie 7 bis 13 angegeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für
den zweiten Messumformer durch einen Messumformer mit den Merkmalen
des Anspruchs 2 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Messumformers sind in den
abhängigen
Ansprüchen
3, 4 sowie 7 bis 13 angegeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für
den Stellungsregler durch einen Stellungsregler mit den Merkmalen
des Anspruchs 5 ge löst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Stellungsreglers sind in den abhängigen Ansprüchen 6 bis
13 angegeben.
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Im
Anspruch 14 ist eine geeignete Verwendung des Messumformers und
des Stellungsreglers in der Anlagen- und Automatisierungstechnik
angegeben.
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Wesentliches
Merkmal der Erfindung ist, dass die Speisespannung, die am stromabhängigen Spannungsregler
anliegt, entsprechend dem vorliegenden Schleifenstrom derart verändert wird,
dass bei kleinen Schleifenstromwerten eine höhere Speisespannung zur Verfügung steht.
Dadurch ist auch bei vorgegebenem Schleifenstrom eine höhere elektrische
Leistung am stromabhängigen
Spannungsregler auskoppelbar.
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Erfindungsgemäß ist bei
dem ersten Messumformer die Speisespannung mittels eines regelbaren
Spannungsbegrenzungselementes in Abhängigkeit vom gemessenen Schleifenstrom
einstellbar.
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Durch
das Ersetzen der Zenerdiode bzw. des Festspannungsreglers durch
einen schleifenstromabhängigen
Spannungsregler kann im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhaft
bei kleinen Strömen mehr
elektrische Leistung entnommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann
ein Messwiderstand mit einem höheren
Widerstandswert verwendet werden, so dass vorteilhaft die Messgenauigkeit
oder Messfrequenz des Messumformers erhöht werden kann. Analog dazu
kann die Stellgenauigkeit des Stellungsreglers erhöht werden.
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Erfindungsgemäß ist bei
dem zweiten Messumformer parallel zum regelbaren Strombegrenzungselement
eine Reihenschaltung aus einem Konstantstromregler und einem Spannungsbegrenzungselement
geschaltet. Zur elektrischen Versorgung des Messumformers ist eine
elektrische Leistung aus einer an dem Spannungsbegrenzungselement
anliegenden Speisespannung auskoppelbar. Die Speisespannung ist
mittels eines regelbaren Spannungsbegrenzungselementes in Abhängigkeit vom
gemessenen Schleifenstrom einstellbar.
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Die
Vorteile des zweiten Messumformers entsprechen denen des ersten
Messumformers.
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Nach
einer Ausführungsform
des zweiten Messumformers stellt der Konstantstromregler einen Mindeststrom
im Bereich von 3,5 mA bis weniger als 4 mA bereit. Dadurch wird
für den
Fall, dass das regelbare Strombegrenzungselement zur Abbildung eines
minimalen Messwertes den durch das Strombegrenzungselement fließenden Strom
auf 0 mA begrenzt, dennoch ein Mindeststrom und somit eine Mindestleistung
am regelbaren Spannungsbegrenzungselement bereitgestellt.
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Nach
einer Ausführungsform
ist der Messwertbereich des zu übertragenden
Messwertes bzw. der Sollwertbereich des übertragenen Sollwertes durch
korrespondierende Stromwerte in einen Bereich von 4 mA bis 20 mA
abbildbar.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
weist das regelbare Spannungsbegrenzungselement einen einstellbaren
Spannungsregler und eine damit verbundene Reglereinheit zur Einstellung
der Speisespannung am Spannungsregler auf. Die Reglereinheit ermöglicht eine
exakte und stabile Einstellung der gewünschten Speisespannung.
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Weiterhin
ist der einstellbare Spannungsregler mittels der Reglereinheit derart
ansteuerbar, dass für
zunehmende oder abnehmende Stromwerte die am Spannungsregler anliegende
Speisespannung abnimmt bzw. zunimmt.
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Insbesondere
ist gemäß der Erfindung
die Speisespannung mittels der Reglereinheit derart einstellbar,
dass eine Summenspannung aus der Speisespannung und einer über dem
Messwiderstand abfallenden Messspannung zumindest nahezu konstant
ist. Sinkt beispielsweise der Schleifenstrom auf einen Mindeststrom
von 3,5 mA, so verringert sich in entsprechender Weise die am Messwiderstand
abfallende Messspannung. Die Differenz zur vollen Messspannung bei
maximalem Schleifenstrom von 24 mA kann dann vorteilhaft zur Erhöhung der
Speisespannung verwendet werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann auch die Höhe
der Summenspannung einstellbar sein. Dies kann z. B. durch Einstellmaßnahmen
am Messumformer oder am Stellungsregler selbst erfolgen. Dadurch
kann bedarfsweise eine höhere
Leistung für den
Messumformer bzw. den Stellungsregler angefordert werden, um beispielsweise
eine höhere Messfrequenz
einzustellen oder eine Hintergrundbeleuchtung für ein Bedienungsdisplay zu
ermöglichen.
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Vorzugsweise
ist die Summenspannung in einem Bereich von ca. 7 V bis 10 V einstellbar.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
ist ein DC/DC-Wandler zur Auskopplung der elektrischen Leistung
parallel zum Spannungsbegrenzungselement geschaltet. Dadurch ist
im Vergleich zu einem Linearspannungsregler eine deutlich höhere elektrische
Leistung an einem Spannungsausgang des DC/DC-Wandlers verfügbar. Im
Besonderen ist der DC/DC-Wandler ein Schaltregler mit galvanischer Trennung.
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Derartige
Messumformer und Stellungsregler sind vorteilhaft in der Anlagen-
und Automatisierungstechnik, wie z. B. in der chemischen Industrie, in
der Petrochemie oder im Untertagebau verwendbar.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden
im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 beispielhaft
einen an eine analoge Eingabebaugruppe eines Leitsystems angeschlossenen
Messumformer,
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2 einen
prinzipiellen Schaltungsaufbau des beispielhaften Messumformers
gemäß 1,
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3 beispielhaft
einen an eine analoge Ausgabebaugruppe eines Leitsystems angeschlossenen
Stellungsregler,
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4 einen
prinzipiellen Schaltungsaufbau des beispielhaften Stellungsreglers
gemäß 3,
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5 ein
Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen ersten Messumformers,
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6 beispielhaft
einen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen ersten Messumformers gemäß 5 im
Detail,
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7 beispielhaft
einen Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen zweiten Messumformers im
Detail,
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8 ein
Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers und
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9 beispielhaft
den Verlauf einer Speisespannung, einer Messspannung sowie einer
Summenspannung und Klemmenspannung in Abhängigkeit von einem Schleifenstrom.
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1 zeigt
beispielhaft einen an eine analoge Eingabebaugruppe 2 eines
Leitsystems 1 angeschlossenen Messumformer 3.
Der Messumformer 3 weist einen Anschluss 6 zum
Anschließen
an eine Zweileiter-Stromschleife 20 auf. Er weist weiterhin
einen in der 1 nicht gezeigten Messwerteingang 7 für einen
Messwert MW auf, der über
die Zweileiter-Stromschleife 20 übertragen werden soll. Im Beispiel
der 1 ist der Messwert MW beispielhaft ein Druckwert
in einer Höhe
von 0,25 bar. Mit dem Bezugszeichen i ist ein Schleifenstrom bezeichnet,
der von einer Spannungsquelle 21 in der analogen Eingabebaugruppe 2 gespeist
wird, der in den Messumformer 3 hineinfließt und wieder
zur analogen Eingabebaugruppe 2 zurückfließt. Im Pfad der Zweileiter-Stromschleife 20 sind
ein Leitungswiderstand RL, welcher den verteilten Widerstand entlang
des gesamten Strompfades symbolisiert, ein Kommunikationswi derstand
RK für
eine HART-Kommunikation sowie ein Messwiderstand RM zur Erfassung
des Messwertes MW angeordnet. Mit UK ist eine Klemmenspannung bezeichnet,
welche zur Speisung am Messumformer 3 anliegt. Die minimale
Klemmenspannung liegt typischerweise im Bereich von ca. 7 bis 10
V.
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2 zeigt
einen prinzipiellen Schaltungsaufbau des beispielhaften Messumformers 3 gemäß 1.
Im linken Teil der 2 ist der elektrische Anschluss 6 für die Zweileiter-Stromschleife 20 gezeigt. Weiterhin
ist an den Anschluss 6 eine Reihenschaltung aus einem regelbaren
Strombegrenzungselement 32, einem Spannungsbegrenzungselement 33 und
einem Messwiderstand RM zur Messung des Schleifenstroms i in der
Zweileiter-Stromschleife 20 geschaltet. Zudem sind als
Verpolungsschutz beispielhaft drei Schottky-Dioden 30 in
den Strompfad geschaltet. Das regelbare Strombegrenzungselement 32 besteht
aus einem Transistor T1 und aus einer Regiereinheit 31,
die ausgangsseitig mit der Basis des Transistors T1 verbunden ist.
Eingangsseitig erfasst die Reglereinheit 31 einen Messwert
MW sowie eine Messspannung UM, die an dem Messwiderstand RM abfällt. Die
Reglereinheit 31 steuert den Transistor T1 derart an, dass
ein zum Messwert MW korrespondierender Stromwert in die Zweileiter-Stromschleife 20 eingeprägt wird.
Der Messwertbereich des zu übertragenden
Messwertes MW ist üblicherweise
durch korrespondierende eingeprägte Stromwerte
in einen Bereich von 4 mA bis 20 mA abgebildet. Mit dem Bezugszeichen 36 ist
eine Messwerterfassungseinheit bezeichnet. Diese kann z. B. ein
Digital/Analog-Umsetzer sein, welcher einen in digitaler Form am
Messwerteingang 7 vorliegenden Messwert MW in eine entsprechende
analoge Größe umsetzt.
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Mit
US ist eine an dem Spannungsbegrenzungselement 33 anliegenden
Speisespannung bezeichnet. Das Spannungsbegrenzungselement 33 begrenzt
die Speisespannung US auf eine Mindestspannung, wie z. B. 7 V, um
ein Auskoppeln einer elektrischen Leistung P zur Versorgung des
Messumformers 3 sicherzustellen. Mit dem Bezugszeichen 34 ist
ein Leistungsauskoppler, insbesondere ein DC/DC-Wandler, bezeichnet,
welcher die Speisespannung US in eine zumeist niedrigere Spannung, wie
z. B. 3 V, leistungsmäßig umsetzt.
Der DC/DC-Wandler 34 ist typischerweise ein Schaltregler
mit einer galvanischen Trennung. An einem Spannungsausgang 9 des
Leistungsauskopplers 34 können ein Messsensor, eine Messerfassungseinheit
sowie die in der 2 dargestellten Bauelemente
für die
Stromsignalübertragung
elektrisch gespeist werden.
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3 zeigt
beispielhaft einen an eine analoge Ausgabebaugruppe 4 eines
Leitsystems 1 angeschlossenen Stellungsregler 5.
Im Unterschied zu 1 weist die analoge Ausgabebaugruppe 4 keinen
Kommunikationswiderstand und keinen Messwiderstand auf. Typischerweise
ist die gezeigte Stromversorgungseinheit 41 eine Stromquelle,
welche einen von einer Digital/Analog-Ausgabebaugruppe vorgegebenen Strom
bereitstellt. Der Ausgabebaugruppe kann gegebenenfalls eine Leistungsstufe nachgeschaltet
sein. Alternativ kann auch eine schnell regelnde Spannungsquelle
verwendet werden. Der im rechten Teil der 3 dargestellte
Stellungsregler 5 steuert in Abhängigkeit eines über die Zweileiter-Stromschleife 20 übertragenen
Stromwertes beispielhaft ein Ventil 51 an.
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4 zeigt
einen prinzipiellen Schaltungsaufbau des beispielhaften Stellungsreglers 5 gemäß 3.
Im Vergleich zu 2 fehlt das regelbare Strombegrenzungselement.
Weiterhin wird beispielhaft nur eine einzige Diode 50 als
Verpolungsschutz verwendet. Der Stellungsregler 5 weist,
wie auch der Messumformer 3, einen Messwiderstand RM zur Messung
des Schleifenstroms i in der Zweileiter-Stromschleife 20 auf.
Es wird über
eine Ausgabeeinheit 56 ein zum gemessenen Stromwert korrespondierender
Sollwert SW ausgegeben, der an einem Sollwert-Ausgang 8 anliegt.
Mit dem Bezugszeichen 56 ist eine Sollwertausgabeeinheit
bezeichnet. Diese ist typischerweise ein Analog/Digital-Umsetzer,
welcher die an dem Messwiderstand RM anliegende Messspannung UM
in einen digitalen Wert umsetzt. Die Auskopplung der elektrischen
Leistung P an dem Spannungsbegrenzungselement 53 erfolgt in
analoger Weise zum Messumformer 3.
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5 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Messumformers 3.
Im oberen Teil der 5 ist wiederum das Strombegrenzungselementes 32 zu
sehen, welches einen zum Messwert MW korrespondierenden Stromwert
in die Zweileiter-Stromschleife 20 einprägt. Die
Begrenzung des Schleifenstroms i auf den gewünschten Stromwert erfolgt über den
Regler 31.
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Erfindungsgemäß ist die
Speisespannung US mittels eines regelbaren Spannungsbegrenzungselementes 37 in
Abhängigkeit
vom gemessenen Schleifenstrom i einstellbar. Dies ist durch das Schaltungssymbol
einer gesteuerten Spannungsquelle symbolisiert. Das regelbare Spannungsbegrenzungselement 37 weist
einen einstellbaren Spannungsregler 38 und eine damit verbundene Reglereinheit 39 zur
Einstellung der Speisespannung US am Spannungsregler 38 auf.
Eingangsseitig ist die Reglereinheit 39 mit einer Referenzspannung
UR sowie mit einem Anschluss des Messwiderstands RM zur Erfassung
der dort anliegenden Messspannung UM in Bezug auf ein Bezugs- oder
Massepotential M verbunden. Die Reglereinheit 39 vergleicht
die Referenzspannung UR mit der erfassten Messspannung UM und steuert
in Abhängigkeit
ihrer Differenz den einstellbaren Spannungsregler 39 in
einer Regelschleife entsprechend an. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung
derart, dass die am Spannungsregler 38 anliegende Speisespannung
US für
zunehmende Stromwerte abnimmt bzw. für abnehmende Stromwerte zunimmt.
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6 zeigt
beispielhaft einen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Messumformers 3 gemäß 5 im
Detail. Im unteren mittleren Teil der 6 ist ein
Operationsverstärker
OV dargestellt, der ausgangsseitig über einen Vorwiderstand R6
an die Basis eines Transistors T2 geschaltet ist. Die beiden Eingänge des
Operationsverstärkers
OV, das heißt
der invertierende und der nichtinvertierende Eingang, sind über ein
Widerstandsnetzwerk an den Messwiderstand RM sowie an die Referenzspannung
UR geschaltet. Die Dimensionierung der gezeig ten Widerstände R1–R5 des
Widerstandsnetzes erfolgt derart, dass eine Summenspannung UG aus der
am Transistor T2 anliegenden Speisespannung US und aus der über dem
Messwiderstand RM abfallenden Messspannung UM zumindest nahezu konstant
ist.
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Weiterhin
ist es möglich,
die Summenspannung UG durch Veränderung
der Referenzspannung UR zu verändern,
wie z. B. in einem Bereich von ca. 7 bis 10 V. Dadurch kann bedarfsweise
eine höhere Leistung
für den
gezeigten Messumformer wie auch für den in der nachfolgenden 8 gezeigten
Stellungsregler 5 angefordert werden, um z. B. eine höhere Messfrequenz
einzustellen oder eine Hintergrundbeleuchtung für ein Bedienungsdisplay zu
ermöglichen.
Die Referenzspannung UR kann z. B. an einem Ausgang eines Digital/Analog-Umsetzers
abgegriffen werden und entsprechend einfach geändert werden, wie z. B. über das
Bedienungsdisplay.
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Im
rechten Teil der 6 ist ein DC/DC-Wandler 34 zur
Bereitstellung einer Ausgangsspannung UA zu sehen.
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7 zeigt
beispielhaft einen Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen zweiten
Messumformers 3 im Detail. Im Unterschied zum Schaltungsaufbau
des ersten Messumformers 3 teilt sich der Schleifenstrom
i nun in zwei Pfade mit einem variablen Strom iv und
einem konstanten Strom iK auf. Die beiden
Strompfade sind an dem einen Anschluss des Messwiderstandes RM wieder
zusammengeführt,
so dass an diesem wieder eine zum Schleifenstrom i proportionale
Messspannung UM abfällt.
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Entsprechend
der Stromaufteilung weist der zweite Messumformer 3 somit
eine an den Anschluss 6 geschaltete Reihenschaltung aus
einem regelbaren Strombegrenzungselement 32 und dem Messwiderstand
RM zur Messung des Schleifenstroms i in der Zweileiter-Stromschleife 20 auf.
Analog zum ersten Messumformer 3 ist mittels des Strombegrenzungselementes 32 ein
zum Messwert MW korrespondierender Stromwert in die Zweileiter-Stromschleife 20 einprägbar. Hierzu
dient der Regler 31. Er ist eingangsseitig mit der Messwerterfassungseinheit 36 und einem
Anschluss des Messwiderstandes RM zur Rückführung der Messspannung UM verbunden. Ausgangsseitig
steuert der Regler 31 den Transistor T1 an.
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Erfindungsgemäß ist parallel
zu dem regelbaren Strombegrenzungselement 32 eine Reihenschaltung
aus einem Konstantstromregler 35 und einem Spannungsbegrenzungselement 37 geschaltet. Der
Konstantstromregler 35 ist so eingestellt, dass ein konstanter
Mindeststrom iK im Bereich von 3,5 mA bis
weniger als 4 mA bereitgestellt wird. Dadurch wird für den Fall,
dass das regelbare Strombegrenzungselement 32 zur Abbildung
eines minimalen Messwertes MW den durch das Strombegrenzungselement 32 fließenden Strom
IV auf 0 mA begrenzt, dennoch ein Mindeststrom
iK und somit eine Mindestleistung am regelbaren
Spannungsbegrenzungselement 37 bereitgestellt. Der Konstantstromregler 35 ist
vorzugsweise mit einem als Emitterfolger geschalteten Transistor,
insbesondere mit einem PNP-Transistor, realisiert.
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Zur
elektrischen Versorgung des Messumformers 3 ist eine elektrische
Leistung aus einer an dem Spannungsbegrenzungselement 37 anliegenden
Speisespannung US auskoppelbar. Diese ist mittels des regelbaren
Spannungsbegrenzungselementes 37 in Abhängigkeit vom gemessenen Schleifenstrom
i einstellbar. Hierzu weist der zweite Messumformer 3 beispielhaft
einen Operationsverstärker
OV auf, der ausgangsseitig über
einen Vorwiderstand R6 an die Basis eines Transistors T2 geschaltet
ist. Die beiden Eingänge
des Operationsverstärkers
OV sind zur Regelung der stromabhängigen Speisespannung US über ein
Widerstandsnetzwerk an den Messwiderstand RM sowie an die Referenzspannung
UR geschaltet.
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8 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers 5.
Im Vergleich zum Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Messumformers 3 gemäß 5 fehlen
hier die Schaltungsteile für
eine messwertabhängige
Stromregelung. Es erfolgt wiederum eine Rückführung der Messspannung UM am
Messwiderstand RM zur stromabhängigen
Einstellung der Speise spannung US zu einer Reglereinheit 59.
Zudem wird ein von der Leitstelle in Form eines Stromsignals übertragener
Sollwert SW an dem Sollwert-Ausgang 8 ausgegeben. Der Sollwert
SW kann mittels einer Sollwertausgabeeinheit 56, wie z.
B. mittels eines A/D-Umsetzers, als digitale Größe ausgegeben werden. Mit dem
Bezugszeichen 54 ist wiederum ein DC/DC-Wandler zur Bereitstellung
einer Ausgangsspannung UA bezeichnet.
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9 zeigt
beispielhaft den Verlauf einer Speisespannung VUS, einer Messspannung
VUM sowie einer Summenspannung VUG und einer Klemmenspannung VUK
in Abhängigkeit
von einem Schleifenstrom i.
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Über dem
Schleifenstrom i sind die jeweiligen Spannungswerte der Speisespannung
US, der Messspannung UM, die aus diesen Spannungen US, UM gebildete
Summenspannung UG sowie die Klemmenspannung UK aufgetragen. Die
an der rechten Seite angebrachte Beschriftung der Ordinate gilt dabei
lediglich für
die Messspannung UM. Wie die 9 zeigt,
nimmt die Messspannung UM entsprechend dem ohmschen Gesetz proportional
mit dem durch den Messwiderstand des Werts 50 Ω hindurch fließenden Schleifenstrom
i zu. Umgekehrt dazu verringert sich die mittels der Reglereinheit 39, 59 eingestellte
Speisespannung US in der Weise, dass die Summenspannung UG aus der
Speisespannung US und der Messspannung UM konstant ist. Mit anderen Worten
wird die Speisespannung US zur Erhöhung der auskoppelbaren Leistung
P in dem Maße
erhöht, in
dem die Messspannung UM an dem Messwiderstand RM abnimmt.
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Mit
VUK ist der Verlauf der Klemmenspannung UK bezeichnet. Sie ist geringfügig größer als die
Summenspannung UG, nämlich
um die an der Schottky-Diode 50 in 4 abfallende
Durchflussspannung größer.
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Die
erfindungsgemäßen Messumformer 3 und
der erfindungsgemäße Stellungsregler 5 können in
der Anlagen- und Automatisierungstechnik, insbesondere in der chemischen
Industrie, in der Petrochemie sowie im Untertagebau eingesetzt werden. Dort ist
insbesondere eine Begrenzung der maximalen Versorgungsspannung zur
Einhaltung der Anforderungen an den Explosionsschutz in der analogen Ein-
und Ausgabebaugruppe des Leitsystems zwingend erforderlich.