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DE102017103664B4 - Eingangsschaltung eines Zweileiter-Feldgerätes - Google Patents

Eingangsschaltung eines Zweileiter-Feldgerätes Download PDF

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DE102017103664B4
DE102017103664B4 DE102017103664.4A DE102017103664A DE102017103664B4 DE 102017103664 B4 DE102017103664 B4 DE 102017103664B4 DE 102017103664 A DE102017103664 A DE 102017103664A DE 102017103664 B4 DE102017103664 B4 DE 102017103664B4
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Abstract

Eingangsschaltung (1) für ein Zweileiter-Feldgerät mit einer Reihenschaltung aus
- elektrischen oder elektronischen Schutzelementen und
- einer Stromfühleinrichtung mit bekanntem Temperaturverhalten zur Ermittlung eines in der Reihenschaltung fließenden Stroms (IM) sowie
einem Stromregler (7) zur Einprägung eines Stroms in die Reihenschaltung, wobei ein erster Messanschluss (11) des Stromreglers (7) eingangsseitig und ein zweiter Messanschluss (12) des Stromreglers (7) ausgangsseitig mit der Stromfühleinrichtung verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der elektrischen oder elektronischen Schutzelemente
durch die Stromfühleinrichtung ersetzt oder der Stromfühleinrichtung ein Schaltelement (S1) zu deren zeitweiser Überbrückung parallel geschaltet ist.

Description

  • In der Prozessmesstechnik werden häufig sogenannte Zweileiter-Feldgeräte eingesetzt, die von einer externen Energieversorgungseinrichtung gespeist werden und zur Messwertübertragung ihre Stromaufnahme von 4-20 mA ändern.
  • Zur Messwertübertragung prägt das Zweileiter-Feldgerät in die Stromschleife einen Strom zwischen 4 und 20 mA ein. Informationen zu Fehler- und Wartungszuständen können bspw. durch eine Einprägung von Stromwerten unter 3.6 mA und/oder über 21.5 mA übermittelt werden. Mittels der durch den eingeprägten Strom sowie der anliegenden Spannung zur Verfügung stehenden Energie wird das Feldgerät gleichzeitig mit Energie versorgt. Typische Versorgungsspannungen von passiven Zweileiter-Feldgeräten sind beispielsweise 12V oder 24V mit einer Toleranz von +/- 20%. Im ungünstigsten Fall, d.h. bei einer Versorgungsspannung von 9.6 V (12V - 20%) und einem eingeprägten Strom von 3.55 mA (Istör < 3.6mA, bei dem der Sensor noch arbeiten sollte), steht lediglich eine Leistung von 34 mW zur Verfügung. Bei niedrigeren Versorgungsspannungen steht noch weniger Energie zur Verfügung.
  • In explosionsgefährdeten Bereichen werden für Aufgaben der Mess- und Regeltechnik elektrische bzw. elektronische Geräte in der Zündschutzart Eigensicherheit (bis 12/2004 mit EEx-i abgekürzt, seither nur Ex-i, englisch: intrinsic safety) eingesetzt. In diesen Geräten werden die Stromstärke und die Spannung auf Werte begrenzt, die eine Entzündung von explosionsfähigen Brennstoff-Luft-Gemischen sowohl durch Funken als auch durch Erwärmung nicht ermöglichen. Um ein elektrisches Gerät eigensicher auszugestalten, d.h. den Explosionsschutz sicherzustellen kann ein entsprechender Schaltungsblock mehrere Schaltungselemente aufweisen. Beispielsweise können ein Vorschaltwiderstand, eine Sicherung sowie eine Mehrzahl, bspw. drei, in Reihe geschalteten Dioden vorgesehen sein. Im Stand der Technik bei Zweileiter-Feldgeräten kann der Vorschaltwiderstand in einer Größenordnung von ca. 15 Ohm ausgeführt sein.
  • Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezeichnet die Fähigkeit eines technischen Geräts, andere Geräte nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Geräte gestört zu werden. Ein Block zur EMV kann dabei mehrere Schaltungselemente, bspw. eine Drossel, zur Sicherstellung der Unempfindlichkeit eines Geräts gegen elektromagnetische Störungen aufweisen.
  • Ein Temperaturkoeffizient (Temperaturbeiwert) beschreibt die relative Änderung einer jeweils bestimmten physikalischen Größe bei Änderung der Temperatur gegenüber einer festgelegten Referenztemperatur. Der Wert des Temperaturkoeffizienten TK gibt bei Widerständen an, um wie viele ppm (parts per million = 1 x 10^-6) sich der Wert des Widerstandes pro °C Temperaturänderung relativ zur Referenztemperatur maximal verändert, wobei als Referenztemperatur häufig 20°C, oder alternativ 0°C oder 25°C verwendet werden. TK50 bedeutet also, dass sich der Widerstandswert um maximal +/- 50 x 10^-6 Ohm pro °C ändert.
  • Um eine ausreichende Messgenauigkeit zur Stromregelung sicherzustellen kommen typischerweise Widerstände in einer Größe von ca. 50 Ohm zum Einsatz. Größere Widerstände wären zwar für die Messgenauigkeit der Strommessung besser, würden aber einen zu großen Spannungsabfall verursachen, sodass schlussendlich noch weniger der ohnehin knapp bemessenen Energie zum Betrieb des Feldgerätes zur Verfügung stehen würde. Kleinere Widerstände liefern keinen ausreichenden Spannungsabfall, sodass die Messgenauigkeit nicht ausreichend wäre.
  • Aus dem Stand der Technik sind Zweileiter-Feldgeräte zum Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen mit einer Eingangsschaltung bekannt, mit einer Reihenschaltung aus wenigstens einem ersten Schaltungsblock zur Sicherstellung einer Explosionssicherheit, einem zweiten Schaltungsblock zur Sicherstellung eines Schutzes gegen elektromagnetische Störungen und einem Messwiderstand mit einem Temperaturkoeffizienten von beispielsweise TK50 oder weniger zur Ermittlung eines in der Reihenschaltung fließenden Stroms. Die Festlegung des Temperaturkoeffizienten erfolgt durch einen Kompromiss aus tolerierbarem Temperaturverhalten, Verfügbarkeit entsprechender Bauteile und den Kosten. Bauteile mit kleinerem TK sind bei sonst gleichem elektrischen Verhalten deutlich teurer. Diese Eingangsschaltungen weisen außerdem einen Stromregler zur Einprägung eines Stroms in die Reihenschaltung auf, wobei ein erster Messanschluss des Stromreglers eingangsseitig und ein zweiter Messanschluss ausgangsseitig mit dem Messwiderstand zur Ermittlung eines Spannungsabfalls verbunden ist. Aus der über den Messwiderstand abfallenden Spannung kann ein Ist-Wert des in der Stromschleife fließenden Stroms ermittelt und für die Einprägung des Stroms zur Messwertübermittlung als Regelgröße verwendet werden. Die Eingänge des Stromreglers 7 zur Spannungsmessung sind so gestaltet, dass eine Spannungsmessung nicht verfälscht wird.
  • Weitere Umformerschaltungen für Zweileiter-Feldgeräte sind beispielweise aus DE 10 2007 035 710 A1 und DE 10 2013 100 799 A1 bekannt.
  • 3 zeigt eine Eingangsschaltung 1 eines Zweileiter-Feldgerätes gemäß dem Stand der Technik.
  • Im Stand der Technik weisen Eingangsschaltungen 1 für Zweileiter-Feldgeräte zum Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen einen ersten Schaltungsblock 3 zur Sicherstellung einer Explosionssicherheit und einen dem ersten Schaltungsblock 3 in Reihe nachgeschalteten Schaltungsblock 5 zur Sicherstellung eines Schutzes gegen elektromagnetische Störungen auf. Zu dem ersten Schaltungsblock 3 und dem zweiten Schaltungsblock 5 ist ein Messwiderstand RM in Reihe geschaltet, der Bestandteil einer Stromregeleinrichtung ist und eingangsseitig mit einem ersten Messanschluss 11 und ausgangsseitig mit einem zweiten Messanschluss 12 eines Stromreglers 7 verbunden ist. Ausgangsseitig ist mit dem Messwiderstand RM ferner ein veränderbarer Widerstand 9 verbunden, dem ein Steuersignal seitens des Stromreglers 7 zugeführt ist. Der schematisch eingezeichnete veränderbare Widerstand 9 wird im Allgemeinen mit einem Transistor realisiert. Weiterhin wird über einen Strom IB in der Reihenschaltung die Messschaltung 20 versorgt. Dem Stromregler 7 ist ferner ein Sollwert, beispielsweise als veränderbare Spannung, für den zur Regelung des in der Reihenschaltung aus dem ersten Schaltungsblock 3, dem zweiten Schaltungsblock 5 sowie dem Messwiderstand RM fließenden Stromes IM zugeführt. Ausgehend von einer über den Messwiderstand RM abfallenden ersten Spannung UM kann in dem Stromregler 7 ein tatsächlich in der Reihenschaltung fließender Strom IM ermittelt und durch Anpassung des veränderlichen Widerstands 9 auf den durch den Sollwert vorgegebenen Strom IM eingestellt werden.
  • Der Messwiderstand RM ist im Stand der Technik mit einem Wert von beispielsweise 50 Ohm oder 100 Ohm und einem geringen Temperaturkoeffizienten, beispielsweise TK50 oder besser ausgeführt. Technisch sind aktuell Werte bis TK15 mit vertretbarem Aufwand und Kosten machbar. Aufgrund des geringen Temperaturkoeffizienten kann mit dem Messwiderstand RM mit hoher Zuverlässigkeit ein tatsächlich in der Reihenschaltung fließender Strom IM ermittelt werden, da sich der Messwiderstand RM auch bei größeren Temperaturänderungen nur sehr wenig ändert. Eine Verringerung des TK ist natürlich nur sinnvoll, wenn Sollwert und Stromregelschaltung 7 einen ebenso niedrigen oder niedrigeren Temperaturkoeffizienten aufweisen und ihrerseits nicht die Regelung verfälschen. Es kann vorgesehen sein, dass die Messschaltung 20 und die Stromregelschaltung 7 in einem Funktionsblock zusammengefasst sind.
  • Der erste Schaltungsblock 3 zur Sicherstellung einer Explosionssicherheit ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Serienschaltung eines Vorschaltwiderstandes REX, einer Sicherung Si sowie von drei Dioden D ausgebildet. Der Vorschaltwiderstand REX weist einen Wert von beispielsweise 15 Ohm auf, die Sicherung Si eine Stromfestigkeit von 40 oder 32 mA. Der zweite Schaltungsblock 5 zur Sicherstellung eines Schutzes gegen elektromagnetische Störungen ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich als eine Drossel L ausgebildet, um die Ausbreitung elektromagnetischer Störungen zu vermeiden.
  • Insgesamt ist durch die Eingangsschaltung 1 damit eine Anordnung geschaffen, die sowohl eine Schutzschaltung für explosionsgefährdete Bereiche als auch eine Stromregelung zur Messwertausgabe ermöglicht.
  • Da der Energieverbrauch der Feldgeräte, bspw. durch den Einsatz von zusätzlichen Funkmodulen, stetig steigt, besteht die Anforderung möglichst viel Energie für das Feldgerät an sich zur Verfügung zu stellen und die Energiebilanz der restlichen Schaltungsteile zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Eingangsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Eingangsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
  • Eine erfindungsgemäße Eingangsschaltung für ein Zweileiter-Feldgerät zum Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen mit einer Reihenschaltung aus einem ersten Schaltungsblock zur Sicherstellung einer Explosionssicherheit, einem zweiten Schaltungsblock zur Sicherstellung eines Schutzes gegen elektromagnetische Störungen und einem Messwiderstand mit einem Temperaturkoeffizienten von TK50 oder weniger zur Ermittlung eines in der Reihenschaltung fließenden Stromes sowie einem Stromregler zur Einprägung eines Stroms in die Reihenschaltung, wobei ein erster Messanschluss des Stromreglers eingangsseitig und ein zweiter Messanschluss des Stromreglers ausgangsseitig mit dem Messwiderstand zur Ermittlung eines ersten Spannungsabfalls verbunden ist zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorschaltwiderstand des ersten Schaltungsblocks durch den Messwiderstand ersetzt oder dem Messwiderstand ein Schaltelement zu dessen zeitweiser Überbrückung parallel geschaltet und ein weiterer Messanschluss eingangsseitig mit einem Schaltungselement der Reihenschaltung verbunden ist.
  • Wird beispielsweise ein Vorschaltwiderstand des ersten Schaltungsblocks mit einer Größe von 15 Ohm durch den Messwiderstand ersetzt und weist der Messwiderstand eine typische Größe von etwa 50 Ohm auf, so reduziert sich die Summe beider Widerstände von 65 Ohm auf 50 Ohm, was einer Reduktion von etwa 23% entspricht. Es kann also durch die Ersetzung des Vorschaltwiderstandes durch den Messwiderstand eine Reduktion des Gesamtwiderstandes der Reihenschaltung erreicht und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Energieversorgungseinrichtung ermöglicht werden. Gleichzeitig bleibt die Genauigkeit der Ermittlung des Stroms in der Reihenschaltung erhalten.
  • Alternativ kann dem Messwiderstand ein Schaltelement zu dessen zeitweiser Überbrückung parallel geschaltet sein, so dass der Messwiderstand nicht dauerhaft in der Reihenschaltung enthalten ist. Dadurch, dass ein weiterer Messanschluss des Stromreglers eingangsseitig mit einem Schaltungselement der Schaltung verbunden ist, beispielsweise eingangsseitig mit dem ersten Schaltungsblock verbunden sein kann, wird eine Strommessung auch während der Zeit in der der Messwiderstand durch das Schaltelement überbrückt, d. h. kurzgeschlossen ist, ermöglicht. In der Zeit, in der der Messwiderstand in der Reihenschaltung enthalten ist, kann ein Kompensationsfaktor zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit der übrigen Schaltungselemente errechnet werden, so dass während der Zeit, in der der Messwiderstand überbrückt ist, aufgrund der an den weiteren Schaltungselementen abfallenden Spannung eine hinreichend genaue Bestimmung möglich ist.
  • Vorzugsweise weist die Eingangsschaltung eine Steuerschaltung zum zeitweisen Schließen des Schaltelements auf. Die Steuerschaltung ist dabei vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass ein Zeitintervall, in dem das Schaltelement geschlossen ist, zeit- und/oder temperatur- und/oder stromabhängig ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass beispielsweise bei Temperaturen und/oder Strömen, bei denen eine erhöhte Präzision benötigt wird, oder bei denen stark temperatur- oder stromabhängige Widerstandsänderungen der übrigen Schaltungselemente der Reihenschaltung zu erwarten sind der Messwiderstand dauerhaft oder in kürzeren Zeitabständen zur Strommessung in der Reihenschaltung ist, so dass dauerhaft das Ergebnis des Messwiderstands verwendet werden kann oder ein Kompensationsfaktor zumindest häufiger berechnet bzw. korrigiert wird.
  • Das Zeitintervall kann ferner von einem Temperatur- und/oder Stromgradienten abhängig sein, so dass beispielsweise bei weitestgehend konstanten Bedingungen das Zeitintervall, in dem das Schaltelement geschlossen ist, größer sein kann als in Situationen mit starken Temperatur- und/oder Stromänderungen. Bei einer rein zeitabhängigen Steuerung kann das Schaltelement beispielsweise für 99ms geschlossen und für 1ms geöffnet sein, so dass der Messwiderstand zu 99% der Zeit kurzgeschlossen ist und damit während dieser Zeit keine Verlustleistung erzeugt.
  • Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Betreiben der Eingangsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Abschnitte, bei dem zyklisch die folgenden Schritte ausgeführt werden:
    • - Ermitteln eines ersten Stroms IM mittels des Stromfühleinrichtung,
    • - zeitnahes, d. h. vorzugsweise gleichzeitiges oder innerhalb weniger Millisekunden, insbesondere einer, zwei oder drei Millisekunden erfolgendes, Ermitteln eines Spannungsabfalls über wenigstens ein anderes Schaltungselement der Reihenschaltung und Ermitteln einer dafür ursächlichen Stromstärke,
    • - Ermitteln eines Kompensationsfaktors aus der ersten Stromstärke und der zweiten Stromstärke,
    • - Schließen des Schaltelements für ein vorgegebenes Zeitintervall, Messen des zweiten Spannungsabfalls über das andere Schaltungselement (kann auch bei geöffnetem Schaltelement erfolgen), Ermitteln und Kompensieren einer dafür ursächlichen Stromstärke,
    • - Nutzung dieser Stromstärke als Ist-Wert für den Stromregler.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Zeitintervall abhängig von einer Temperatur- und/oder einer Stromstärke angepasst werden.
  • Vorteilhafterweise wird das Zeitintervall abhängig von einem Temperaturgradienten und/oder einem Gradienten der Stromstärke angepasst, so dass bei starken Temperaturänderungen und/oder Änderungen der Stromstärke, was bei der vorliegenden Anordnung einer starken Änderung des Messwertes entspricht, eine erhöhte Präzision durch häufigere oder dauerhafte Zuschaltung des Messwiderstandes erreicht wird.
  • Zeitnah im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet, dass eine Zeit zwischen der Ermittlung des Stroms mittels der Stromfühleinrichtung und Messen des Spannungsabfalls über das andere Schaltungselement signifikant kleiner als eine Geschwindigkeit der Temperaturänderung ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Eingangsschaltung gemäß der vorliegenden Anmeldung,
    • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Eingangsschaltung gemäß der vorliegenden Anmeldung und
    • 3 eine Eingangsschaltung gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Eingangsschaltung für ein Zweileiter-Feldgerät zum Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen.
  • Die Eingangsschaltung 1 weist, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, einen ersten Schaltungsblock 3 zur Sicherstellung einer Explosionssicherheit sowie einen zweiten Schaltungsblock 5 zur Sicherstellung eines Schutzes gegen elektromagnetische Störungen auf. Der erste Schaltungsblock 3 und der zweite Schaltungsblock 5 sind mit einem Messwiderstand RM in Reihe geschaltet, wobei dieser eingangsseitig mit einem ersten Messanschluss 11 eines Stromreglers 7 und ausgangsseitig mit einem zweiten Messanschluss 12 des Stromreglers 7 verbunden ist. Die Messschaltung 20, die über den Teilstrom IB versorgt wird, ermittelt den Messwert und gibt dem Stromregler 7 einen passenden Sollwert vor, beispielsweise als veränderbare Ausgangsspannung eines DA-Wandlers oder eines PWM-Signals.
  • Der erste Schaltungsblock 3 zur Sicherstellung einer Explosionssicherheit ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Serienschaltung eines Vorschaltwiderstandes REX, einer Sicherung Si sowie von drei Dioden D ausgebildet. Der Vorschaltwiderstand REX weist einen Wert von beispielsweise 15 Ohm auf, die Sicherung Si eine Stromfestigkeit von 40 oder 32 mA. Der ohmsche Widerstand der Sicherung beträgt bei diesen Auslösewerten etwa 15 bzw. 25 Ohm. Der zweite Schaltungsblock 5 zur Sicherstellung eines Schutzes gegen elektromagnetische Störungen ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich als eine Drossel L ausgebildet, um die Ausbreitung elektromagnetischer Störungen zu vermeiden. Der ohmsche Widerstand beträgt 1 Ohm oder weniger. Die Dioden D haben zwar kein ohmsches Verhalten, jedoch kann auch deren Spannungsabfall für die Stromregelung herangezogen werden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dem Messwiderstand RM ein Schaltelement S1 parallel geschaltet mit Hilfe dessen der Messwiderstand RM überbrückt werden kann. Das Schaltelement S1 ist über eine Steuerleitung mit dem Stromregler 7 verbunden, so dass das Schaltelement S1 auf Basis eines Steuersignals des Stromreglers 7 geöffnet und geschlossen werden kann. Bei geöffnetem Schaltelement S1 fällt über den Messwiderstand RM eine erste Spannung UM ab, mit Hilfe derer bei bekannter Größe des Messwiderstands RM ein in dem Messwiderstand RM und damit in der Reihenschaltung fließender Strom IM ermittelt werden kann. Da der Messwiderstand RM mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten, beispielsweise TK15, ausgebildet ist, kann der erste Strom IM sehr zuverlässig und mit hoher Genauigkeit auch über einen größeren Temperaturbereich hinweg ermittelt werden.
  • Der Stromregler 7 weist ferner einen weiteren Messanschluss 13 auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel über einen Vorschaltwiderstand RV eingangsseitig mit dem ersten Schaltungsblock 3 verbunden ist. Dem Stromregler 7 ist ferner ein Sollwert, beispielsweise in Form einer Spannung zugeführt.
  • Da der Stromregler 7 mit seinem weiteren Messanschluss 13 mit dem Eingang des ersten Schaltungsblocks 3 verbunden ist, kann ferner eine zweite Spannung U2 , die über den ersten Schaltungsblock 3 und den zweiten Schaltungsblock 5 abfällt, ermittelt werden. Wird der Messwiderstand RM wenigstens zeitweise durch das Schaltelement S1 überbrückt und damit aus der Reihenschaltung genommen, dann regelt der Stromregler 7 den Messstrom IM dergestalt, dass sich die zuvor ermittelte Spannung U2 einstellt. Auf diese Weise kann das Temperaturverhalten der Bauelemente der Schaltungsblöcke 3 und 5 kompensiert werden. Versuche haben ergeben, dass in einer möglichen Ausgestaltung das Schaltelement S1 für 1 ms geöffnet und für 99 ms geschlossen sein kann. Der Messwiderstand R2 ist damit zu 99% der Zeit nicht in der Reihenschaltung enthalten, wobei durch die zyklische Kompensation des Temperaturverhaltens der Bauelemente der Schaltungsblöcke 3 und 5 weiterhin eine zuverlässige Messung des in der Reihenschaltung fließenden Stroms ermöglicht wird.
  • Eine Regelung des veränderbaren Widerstands 9 und damit eine Einstellung des tatsächlich in der Reihenschaltung fließenden Stroms IM auf den Sollstrom erfolgt wie aus dem Stand der Technik bekannt.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energieversorgungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Vorschaltwiderstand REX des ersten Schaltungsblocks 3 durch den Messwiderstand RM ersetzt ist, bzw. die Funktionen des Ex-Schutzes REX und der Stromerfassung RM in einem Bauteil zusammengefasst sind. Auf diese Weise wird ein Widerstand in Größe des ursprünglichen Vorschaltwiderstands REx , im vorliegenden Ausführungsbeispiel 15 Ohm eingespart und eine Strommessung ist weiterhin mit hoher Zuverlässigkeit möglich. Um den Vorschriften zur Sicherstellung der Explosionssicherheit Genüge zu leisten sind der erste Messeingang 11 und der zweite Messeingang 12 des Stromreglers 7 über Vorschaltwiderstände Rv eingangsseitig und ausgangsseitig mit dem als Messwiderstand RM ausgebildeten Vorwiderstand REx verbunden.
  • Durch die Ersetzung des Vorwiderstands REx durch den Messwiderstand RM mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten von beispielsweise TK50 oder besser kann eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Energieversorgungseinrichtung bei einer Eingangsspannung von 9.6 V um 3 % bei einem Messstrom von IM = 20 mA und um 0.6 % bei einem Messstrom von IM = 4 mA erreicht werden.
  • Ferner besteht die Möglichkeit, bei der Ermittlung des in der Reihenschaltung fließenden Stroms auch die über die weiteren Schaltungselemente Si, D und L abfallende Spannung zu berücksichtigen. Entsprechende Verbindungen zu dem weiteren Messeingang 13 des Spannungsreglers 7 sind in 2 mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Die Messung des Spannungsabfalls an den Schaltungselementen Si, D und L kann auch zur Funktionskontrolle derselben verwendet werden, da auch unter veränderlichen Betriebsbedingungen bestimmte Werte für den Spannungsabfall erwartet werden können. Die Regelung des in der Reihenschaltung fließenden Stroms über den veränderbaren Widerstand 9 auf Basis einer als Sollwert zugeführten Spannung erfolgt gemäß dem Stand der Technik.
  • Bei den oben angeführten Schaltungskonzepten wird für eine weitestgehend temperaturunabhängige Stromregelung ein Messwiderstand RM mit kleinem Temperaturkoeffizienten TK benötigt. Diese Voraussetzung ist jedoch nicht zwingend für eine genaue Stromregelung. Der Messfehler durch einen Messwiderstand RM mit großem Temperaturkoeffizienten TK kann kompensiert werden, wenn das Temperaturverhalten des Messwiderstandes RM bekannt ist.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Eingangsschaltung
    3
    erster Schaltungsblock
    5
    zweiter Schaltungsblock
    7
    Stromregler
    9
    veränderbarer Widerstand, Stromsenke
    11
    erster Messanschluss
    12
    zweiter Messanschluss
    13
    weiterer Messanschluss
    REx
    Vorwiderstand
    RM
    Messwiderstand
    RV
    Vorschaltwiderstand
    Si
    Sicherung
    D
    Diode
    L
    Drossel
    S1
    Schaltelement
    IM
    Messstrom
    IR
    Regelstrom
    UM
    Spannungsabfall am Messwiderstand
    U2
    zweiter Spannungsabfall
    k
    Kompensationsfaktor
    IB
    Betriebsstrom der Messschaltung, IB <= IM
    UB
    Betriebsspannung
    IS
    Shuntstrom, IS = IM - IB
    20
    Messschaltung

Claims (13)

  1. Eingangsschaltung (1) für ein Zweileiter-Feldgerät mit einer Reihenschaltung aus - elektrischen oder elektronischen Schutzelementen und - einer Stromfühleinrichtung mit bekanntem Temperaturverhalten zur Ermittlung eines in der Reihenschaltung fließenden Stroms (IM) sowie einem Stromregler (7) zur Einprägung eines Stroms in die Reihenschaltung, wobei ein erster Messanschluss (11) des Stromreglers (7) eingangsseitig und ein zweiter Messanschluss (12) des Stromreglers (7) ausgangsseitig mit der Stromfühleinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der elektrischen oder elektronischen Schutzelemente durch die Stromfühleinrichtung ersetzt oder der Stromfühleinrichtung ein Schaltelement (S1) zu deren zeitweiser Überbrückung parallel geschaltet ist.
  2. Eingangsschaltung 1 gemäß Anspruch 1, d a durchgekennzeichnet, dass die Strohmfühleinrichtung als ohmscher Widerstand ausgebildet ist.
  3. Eingangsschaltung 1 gemäß Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand einen Temperaturkoeffizienten TK von 50 oder kleiner aufweist, vorzugsweise TK20 oder kleiner weiter vorzugsweise TK15 oder kleiner
  4. Eingangsschaltung 1 gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzelemente als Widerstände, Sicherungen, Dioden, und/oder Drosseln ausgebildet sind.
  5. Eingangsschaltung 1 gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein Temperaturgang der Stromfühleinrichtung kompensiert wird.
  6. Eingangsschaltung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Stromregler (7) einen weiteren Messanschluss (13) aufweist, der mit der Reihenschaltung eingangsseitig verbunden ist.
  7. Eingangsschaltung (1) gemäß Anspruch 6, dadurchgekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung (1) eine Steuerschaltung zum zeitweisen Schließen des Schaltelements (S1) aufweist.
  8. Eingangsschaltung (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung derart ausgebildet ist, dass ein Zeitintervall in dem das das Schaltelement (S1) geschlossen ist, zeit- und/oder temperatur- und/oder stromabhängig ist.
  9. Eingangsschaltung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall von einem Temperatur- und/oder Stromgradienten abhängig ist.
  10. Eingangsschaltung (1) gemäß Anspruch 9, dadurchgekennzeichnet, dass das Schaltelement (S1) für 99 ms geschlossen und für 1 ms geöffnet ist.
  11. Verfahren zum Betreiben einer Eingangsschaltung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem zyklisch die folgenden Schritte ausgeführt werden - Messen eines Messstroms IM mittels der Stromfühleinrichtung (I1) - zeitnahes Messen eines Spannungsabfalls (U) über wenigstens ein anderes Schaltungselement der Reihenschaltung und Ermitteln einer dafür ursächlichen zweiten Stromstärke (I2), - Ermitteln eines Kompensationsfaktors (k) aus der ersten Stromstärke (I1) und der zweiten Stromstärke(I2), - Schließen des Schaltelements für eine vorgegebenes Zeitintervall, Messen des zweiten Spannungsabfalls (U2) über das andere Schaltungselement, Ermitteln und Kompensieren einer dafür ursächlichen Stromstärke (I2), - Nutzung der Stromstärke (I2) als Ist-Wert für den Stromregler (7).
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurchgekennzeichnet, dass das Zeitintervall abhängig von einer Temperatur und/oder einer Stromstärke angepasst wird.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurchgekennzeichnet, dass das Zeitintervall abhängig von einem Temperaturgradienten und/oder von einem Gradienten der Stromstärke angepasst wird.
DE102017103664.4A 2017-02-22 2017-02-22 Eingangsschaltung eines Zweileiter-Feldgerätes Active DE102017103664B4 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102007035710A1 (de) 2007-07-30 2009-02-05 Siemens Ag Messumformer und Stellungsregler zum Anschließen an eine Zweileiter-Stromschleife sowie deren Verwendung
DE102013100799A1 (de) 2012-12-21 2014-06-26 Endress + Hauser Flowtec Ag Umformerschaltung mit einer Stromschnittstelle sowie Meßgerät mit einer solchen Umformerschaltung

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