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Die
Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur
Messung einer industriellen Prozeßvariablen bei vorgegebener
maximaler Leistungsaufnahme durch die Meßeinrichtung. Spezieller betrifft
die Erfindung eine Meßeinrichtung
zum Anschluß an
eine Stromschleife, insbesondere eine 4–20 mA-Stromschleife, oder
an eine digitale Kommunikation.
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Einrichtungen
zur Messung einer Prozeßvariablen
werden verwendet, um eine Prozeßvariable zu
erfassen und die gemessenen Werte zur anschließenden Verarbeitung weiterzugeben.
Die Weitergabe der gemessenen Werte kann über ein Stromschleife geschehen
oder über
eine di gitale Kommunikation. In beiden Fällen ist es von Vorteil, wenn
die Meßeinrichtung
ihre benötigte
Leistung aus den beiden Leitungen entnimmt, über die der Meßwert weitergegeben
wird.
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Bei
der Weitergabe der Meßwerte über eine Stromschleife
wird der Strom in der Stromschleife so eingestellt, daß seine
Größe die Größe der Prozeßvariablen
widerspiegelt. Es hat sich heutzutage ein Standard durchgesetzt,
der Ströme
zwischen 4 mA und 20 mA verwendet, wobei ein Strom von 4 mA durch
die Stromschleife den maximalen (oder minimalen) Meßwert und
ein Strom von 20 mA den minimalen (oder maximalen) Meßwert der
Prozeßvariablen
repräsentiert.
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Diese
Meßtechnik
erweist sich als weitgehend stör-unempfindlich
und hat große
Verbreitung in industrieller Anwendung erfahren.
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Einer
Meßeinrichtung,
die mittels einer Stromschleife versorgt wird, steht nur eine begrenzte Leistung
zur Verfügung.
Diese Leistung hängt
von der Versorgungsspannung und dem (gemäß dem auszugebenden Meßwert) aktuell
eingestellten Strom ab. Herkömmliche
Meßeinrichtungen
sind so dimensioniert, daß sie
mit der minimal zur Verfügung stehenden
Leistung auskommen, d. h. nur die bei minimalem Strom und minimaler
Spannung anstehende Leistung benötigen.
Steht mehr Leistung zur Verfügung,
wird diese zusätzliche
Leistung in einer Stromstufe in Verlustleistung umgesetzt und nicht
in der Meßeinrichtung
zur Verbesserung der Messung verwendet.
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Meßeinrichtungen,
die über
eine digitale Kommunikation angesteuert werden, haben oft eine konstante
Stromaufnahme, da dies für
die Datenübertragung
notwendig ist. Hier ist die zur Verfügung stehende Leistung abhängig von
der angelegten Klemmenspannung. Herkömmliche Meßeinrichtungen sind auch hier
so ausgelegt, daß die
Meßschaltung
eine konstante Leistungsaufnahme hat, die der Leistung bei minimaler
Versorgungsspannung entspricht. Zu sätzlich angebotene Leistung
bei größerer Versorgungsspannung
wird auch hier in Verlustleistung umgesetzt.
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Aus
EP 0 687 375 ist ein Verbesserungsvorschlag
bekannt, bei dem ein intelligenter Meßwertgeber mit einer Fühlerschaltung
ausgestattet wird. Der Meßwertgeber
wird bei einer Meßfrequenz
betrieben, die einer Leistungsaufnahme entspricht, die größer ist
als die bei minimalem Strom und minimaler Spannung über die
Stromschleife verfügbare
Leistung. Kommt es dadurch zu einem Defizit (d. h. die verbrauchte
Leistung übersteigt
die zulässige
verfügbare
Leistung), dann ermittelt die Fühlerschaltung
dieses Defizit und veranlaßt,
daß die
Ausführung
des Meßprogramms
ausgesetzt wird, bis das Defizit nicht mehr besteht.
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Dies
führt jedoch,
neben anderen Problemen, zu wiederholter Ausgabe falscher Meßwerte, was
nicht akzeptabel ist.
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DE 696 23 604 T2 beschreibt
eine Vorrichtung zur Messung und Signalverarbeitung, welche eine
4...20 mA-Zweidrahtschleife aufweist. Besteht ein Energieüberschuss,
kann die Überschussenergie zur
Messwerterfassung verwendet werden.
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GB 2 229 897 A beschreibt
ein Zweidraht-Telemetriesystem mit Leistungsregelung. Die Leistungsregelung
dient der Erzeugung konstanter Leistung, unabhängig davon, ob eine hohe Spannung und
ein niedriger Strom oder eine niedrige Spannung und ein hoher Strom
eingestellt sind.
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WO 00/26739 beschreibt
ein Zweidrahtmessgerät
mit einer Schaltung zum Steuern der Leistung, welche einen Teil
der verfügbaren
Leistung in Abhängigkeit
von einem durch die Messeinrichtung erzeugten Kontrollsignal weiter
verwendet. Die Leistung, die der Messschaltung bereitgestellt wird,
ist nicht limitiert.
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WO 82/00729 beschreibt
einen Low-Power-Transmitter in Zweileitertechnik, der beispielsweise
mit einer Batterie betrieben wird. Es ist ein Regler vorgesehen,
der die gewünschte
Spannung in der Transmitterschaltung einstellt.
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US 4,926,340 beschreibt
eine Messeinrichtung mit niedriger Leistung zum Anschluss an eine Zweidraht-Schleife.
Weiterhin ist ein Energiespeicher vorgesehen, der Überschussenergie
speichert und diese dann einem EEPROM während eines Schreibintervalls
zuführt.
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US 4,420,753 beschreibt
eine Schaltung für die Übertragung
eines Messsignals, bei dem die Kommunikation wie auch die Stromversorgung über eine
Zweidraht-Leitung läuft.
Es ist ein Stromschalter SQ1 sowie eine Spannungssteuerung SR1 vorgesehen,
um Strompulse zu erzeugen.
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Aufgabe
der Erfindung ist, eine Meßeinrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, die ohne die Gefahr von Fehlanzeigen
des Meßwertes
in der Lage ist, ihren Leistungsbedarf an die zur Verfügung stehende
Leistung anzupassen.
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Dabei
soll möglichst
genau so viel der insgesamt aufgenommenen Leistung zur Erfüllung der Meßaufgabe
verbraucht werden, daß zum
einen Geschwindigkeit und Qualität
der Messung optimiert werden. Theoretisch würde also die gesamte Leistung,
die dem jeweils anzuzeigenden Meßwert entspricht, durch die
entsprechend häufige
Funktion des Meßwertgebers
verbraucht. In der Praxis wird aber schon sicherheitshalber immer
noch eine gewisse Differenz zwischen zur Verfügung stehender Leistung und
zur Erfüllung
der Meßaufgabe
verbrauchter Leistung übrig
bleiben, damit kein Leistungsdefizit und damit keine Fehlfunktion
des Sensors entstehen kann. Der Überschuß an Leistung
wird in der Meßeinrichtung
in Verlustleistung (Wärme)
umgesetzt. Die Summe beider aufgenommener Leistungen muß genau
so groß sein,
daß der
insgesamt vom Sensor aufgenommene Strom einem definierten Wert entspricht.
Die ser Wert ist beim Sensor innerhalb einer Stromschleife (4–20 mA)
durch den aktuell auszugebenden Meßwert vorgegeben.
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Beim
digital kommunizierenden Sensor entspricht beispielsweise der Wert
des konstant aufgenommenen Stroms den allgemeinen Vorgaben im Zusammenhang
mit dem benutzten Kommunikationsprotokoll.
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Zur
Lösung
der Aufgabe dienen erfindungsgemäß die in
den unabhängigen
Ansprüchen
definierten Merkmalskombinationen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Grundsätzlich wird
in den am meisten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
die gewünschte
Anpassung der zur Durchführung
der Meßaufgabe
aufgenommenen Leistung an die zur Verfügung stehende Leistung ohne
deren Überschreitung dadurch
ermöglicht,
daß der
aktuelle Überschuß an Leistung,
der in Verlustleistung umgesetzt werden müßte, bestimmt wird. Nach Ermittlung
dieses aktuellen Überschusses
ist die Kontrolleinheit des Sensors in der Lage, durch geeignete
Maßnahmen
bezüglich
Art und Häufigkeit
der Durchführung
der Meßzyklen
die Leistungsaufnahme der Meßeinrichtung an
die vorgegebene maximal verfügbare
Leistung so anzunähern,
daß der Überschuß minimiert
wird, ohne eine bestimmte vorgegebene Grenze für den Überschuß zu unterschreiten. (Idealist
der Überschuß an dieser
Grenze also wenigstens annähernd gleich
Null.)
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Die
Bestimmung des aktuellen Überschusses
kann entweder durch direkte Messung des überschüssigen Stroms oder der überschüssigen Leistung
erfolgen. Es ist aber auch auf indirektem Weg möglich, durch Messung von Strom
oder aufgenommener Leistung zur Durchführung der Meßaufgabe und
Messung von zur Verfügung
stehender Leistung bzw. Kenntnis von zur Verfügung stehendem Strom über Differenzbildung
den aktuellen Überschuß zu ermitteln.
Wählt man
den Weg der indirekten Überschußbestimmung,
kann man eine wesentliche Ver einfachung bei geringem Nachteil dadurch
erreichen, daß auf
einzelne Messungen zur Strom- bzw.
Leistungsermittlung verzichtet wird und diese durch geeignete Schätzungen
sowie Einhaltung größerer Reserven
ersetzt werden.
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Außerdem ist
es oft möglich,
sich bei der Ermittlung von zur Durchführung der Meßaufgabe
aufgenommener Leistung auf die Leistungsaufnahme der Schaltungsteile
zu beschränken,
die bekanntermaßen
am meisten ins Gewicht fallen.
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Die
Erfindung eignet sich für
beliebige Meßeinrichtungen
für Prozeßvariable,
sofern diesen Meßeinrichtungen
extern eine Leistungsaufnahme, meist eine variierende maximale Leistungsaufnahme vorgegeben
ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um die Vorgabe der Leistungsaufnahme
bei Versorgung mittels einer Stromschleife, weil hier jeweils (mit dem
anzuzeigenden Meßwert
variierend) nur soviel Leistung maximal verbraucht werden darf,
wie dem Strom entspricht, der zur Anzeige des richtigen Meßwertes
in den Versorgungsleitungen fließen kann.
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Es
ist natürlich
denkbar, daß sich
die Begrenzung der Leistung, die die Meßeinrichtung verbrauchen darf,
aus anderen Gesichtspunkten ergibt, beispielsweise bei der Verbindung
mit einer digitalen Kommunikation oder aus ganz anderen Gründen.
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Speziell
eignet sich die Erfindung besonders für Sensoren wie beispielsweise
Füllstands-Sensoren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsformen
beschrieben, bei denen es sich einerseits um einen Radar-Füllstandssensor,
andererseits um einen Ultraschall-Füllstandssensor handelt. Solche
Sensoren werden heute regelmäßig über Stromschleifen
oder digitale Kommunikationen betrieben und sind daher den erfindungsgemäß zu überwindenden
Schwierigkeiten ausgesetzt.
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Eine
bevorzugte Realisierung der Erfindung verwendet eine Stromstufe,
die generell parallel zu den übrigen
Komponenten der Meßeinrichtung
eingeschaltet wird. Die Stromstufe dient dazu, die Leistung zu verbrauchen
(„Verlustleistung”), die übrig bleibt,
wenn man von der insgesamt (durch die Meßwert-Anzeigefunktion) vorgegebenen
Leistung den Leistungsbedarf der Meßeinrichtung im Meßbetrieb in
Abzug bringt. Dieser nicht verbrauchte Leistungsüberschuß ist, wie schon angegeben,
ein Maß für die Reserve,
die im System für
eine Steigerung der Meßleistung
noch zur Verfügung
steht, ohne daß es
zu dem im Stand der Technik (
EP
0 687 375 ) angegebenen Defizit kommt.
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Eine
solche Stromstufe bietet verschiedene Möglichkeiten zur Messung des
Leistungsüberschusses,
wie im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
noch beschrieben werden wird.
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Hierzu
kann der momentane Leistungsüberschuß direkt
gemessen werden. Er kann alternativ dazu auch vorausgeschätzt werden.
Dazu können bekannte
Daten der Meßeinrichtung,
beispielsweise der relativ große
Leistungsverbrauch einzelner Komponenten, herangezogen werden.
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Es
ist auch nicht immer nötig,
eine dauernde Messung oder Berechnung des sich stets ändernden Leistungsbedarfes
vorzunehmen. Eine einfachere Lösung
besteht darin, den insgesamt zur Verfügung stehenden Bereich, also
beispielsweise 4–20
mA, in Unterbereiche aufzuteilen, denen jeweils eine bestimmte Häufigkeit
der Messung pro Zeiteinheit zugewiesen wird. So läßt sich
sehr einfach erreichen, daß in
dem Unterbereich, der der höchsten
vorgegebenen Leistungsabnahme entspricht, relativ häufig gemessen
wird, während
in den Unterbereichen, die geringeren verfügbaren Leistungen entsprechen, grundsätzlich entsprechend
weniger häufig
gemessen wird.
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Es
muß dann
nur noch überwacht
werden, in welchem dieser Unterbereiche das System gerade arbeitet,
was beispielsweise bei Anschluß einer
4–20 mA
Stromschleife davon abhängt,
welcher Meßwert ausgegeben
werden muß und
welchem Strom dies dann entspricht, um dann die Betriebsweise entsprechend
zu wählen.
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Der
Anschluß der
Meßeinrichtung
an eine digitale Kommunikation, oder eine damit verbundene Stromschleife,
ermöglicht
völlig
analoge Maßnahmen zur
Erreichung der gleichen Vorteile.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung am Beispiel erfindungsgemäßer Meßeinrichtungen beschrieben.
Eine Meßeinrichtung
besteht dabei immer aus einem gattungsgemäßen Teil, der den 1, 2 oder 7 entspricht,
sowie einer Anbindung an die Versorgung entsprechend den 3 bis 6 oder 8 bis 13.
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Eine
erste beispielhafte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Meßanordnung
ist ein Radar-Füllstandssensor.
Der Sensor mißt
den Füllstand in
einem Behälter.
Der gemessene Wert wird entweder über eine Stromschleife mit
z. B. 4–20
mA oder über
eine digitale Kommunikation, z. B. einen Feldbus, weitergegeben.
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1 zeigt
einen Teil eines solchen Radar-Sensors (101). Dargestellt
ist der gattungsgemäße Teil,
der unabhängig
davon ist, wie der gemessene Wert weitergegeben ist.
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Zur
Energieversorgung des Sensors (101) dient ein Netzteil
(102), das mit Versorgungsleitungen (14) und (15)
mit einer Stromstufe verbunden ist.
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Gesteuert
wird der Sensor von einem Mikrocontroller (106), dessen
Programm sich in einem Programmspeicher (107) befindet.
Er verwendet für
seine Daten ein EEPROM (109) und ein RAM (108).
Der Mikrocontroller steuert das HF-Frontend (103), das Radar-Signale
erzeugt, an die Antenne (114) schickt und die empfangenen
Signale aufbereitet. Diese Signale werden vom Empfänger (104)
aufbereitet und mittels eines A/D-Wandlers (105) digitalisiert
an den Mikrocontroller weitergeleitet. Aus den digitalen Signalen
bestimmt der Mikrocontroller einen Meßwert. Diesen gibt er nach
einer eventuellen Umwandlung über
eine Steuerleitung (16) weiter an die Stromstufe (vgl.
weiter unten), die davon abhängig
einen Strom einstellt, oder an die digitale Schnittstelle, die den Meßwert über eine
digitale Kommunikation weitergibt. Die Steuerleitungen (16)
und (17) werden dabei als Verbindung zur digitalen Schnittstelle
benutzt. Zur Reduktion der aufgenommenen Leistung hat der Mikrocontroller
die Möglichkeit,
das HF-Frontend, den Empfänger
oder andere Schaltungsteile über Stand-by-Signale in einen
Ruhezustand mit verminderter Leistungsaufnahme zu versetzen, bzw.
diese ganz auszuschalten, wie weiter unten beschrieben. Zur Messung
der aktuellen Leistungsaufnahme des Sensors dienen gegebenenfalls
Meßleitungen (18)–(20)
und ein A/D-Wandler
(110), der mit dem Mikrocontroller (106) verbunden
ist. Der Mikrocontroller hat einen Modus mit verminderter Stromaufnahme. Kondensatoren
(111), (112), und (113) mindern die Stromschwankungen,
die beim Ein- und Ausschalten der Komponenten entstehen.
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Durch Ändern der
Dauer und Häufigkeit,
mit der der Mikrocontroller die einzelnen Komponenten in den Ruhezustand
versetzt, kann er den Leistungsbedarf des Sensors beeinflussen.
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2 zeigt
als zweite beispielhafte Ausführungsform
einen ähnlich
aufgebauten Ultraschall-Sensor.
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Zur
Energieversorgung des Sensors (201) dient ein Netzteil
(202), das mit Versorgungsleitungen (14) und (15)
mit einer Stromstufe verbunden ist.
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Gesteuert
wird der Sensor von einem Mikrocontroller (206), dessen
Programm sich in einem Programmspeicher (207) befindet.
Er verwendet für
seine Daten ein EEPROM (209) und ein RAM (208).
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Der
Mikrocontroller steuert den Ultraschallsender (203), der
Ansteuersignale für
den Schallwandler (214) liefert. Der Schallwandler (214)
erzeugt dadurch Schallwellen, die ausgesendet und von einem reflektierenden
Medium zurückgeworfen werden.
Die empfangenen Signale wandelt der Schallwandler in elektrische
Signale, die dem Empfänger
(204) zugeführt
wer den. Dieser verstärkt
und filtert das Signal, bevor es mittels A/D-Wandler (205) vom
Mikrocontroller (206) erfaßt wird. Der Mikrocontroller
(206) bestimmt daraus einen Meßwert, den er nach einer eventuellen
Umwandlung über
die Steuerleitung (16) an die Stromstufe, die davon abhängig einen
Strom einstellt, oder an die digitale Schnittstelle weitergibt,
die diesen über
eine digitale Kommunikation weiterleitet.
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Eine
erste bevorzugte Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung für die Ausführungsbeispiele gemäß 1 und 2 ist
in 3 dargestellt. Sie dient zur Messung des Leistungsüberschusses,
der für
die Optimierung des Meßeinrichtungsbetriebs
jeweils zur Verfügung
steht, mittels einer Stromstufe (302).
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Die
Stromstufe (302) ist (bei (11) und (12)) mit
einer Stromschleife (4–20
mA) verbunden.
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Die
Stromstufe (302) ist parallel zur restlichen Schaltung
der Meßeinrichtung
geschaltet. Die Stromstufe überwacht
den Summenstrom über
den Spannungsabfall an einem Widerstand (R301) und hält ihn konstant.
Der Strom durch die Stromstufe wird so geregelt, daß der Summenstrom
durch den Widerstand (R301) konstant bleibt und dem durch die Steuerleitung
(16) vorgegebenen Wert entspricht.
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Der
Strom, der in die Klemmen der Meßeinrichtung fließt, teilt
sich auf in einen Anteil, der in die Versorgungsleitung (
14)
fließt,
und einen Anteil, der in die Stromstufe (
302) fließt. Der
Strom durch die Versorgungsleitung (
14) wird von der Meßeinrichtung zum
Arbeiten verwendet, der Strom durch die Stromstufe wird nicht für die Versorgung
der Meßeinrichtung
genutzt, er ist ein Maß für den aktuellen
Leistungsüberschuß. Der Mikrocontroller
mißt diesen Überschuß, in
3 dargestellt
als Spannungsmessung über
einen Widerstand (R302), und stellt den Stromverbrauch des Sensors
so ein, daß immer
ein ausreichender, wenn auch möglichst
kleiner Überschuß vorhanden
ist. Verringert sich der Überschuß, werden
Teile der Meßeinrichtung
(z. B. der Sende- und Empfangsbereich, oder auch der gesamte Signalerzeugungs- und Verarbeitungsbereich)
in einen stromsparenden Ruhezustand versetzt. Es ist möglich, bei entsprechender
Verringerung des Überschusses
eine zeitweise Aussetzung des Betriebes zu realisieren, wie im Stand
der Technik (
EP 0 687 375 )
beschrieben.
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Dadurch,
daß man
immer einen kleinen Überschuß fließen läßt, hat
die Stromstufe die Möglichkeit,
kurzzeitige Schwankungen in der Leistungsbilanz auszugleichen, ohne
daß es
zu einem Defizit kommt. Schwankungen können z. B. eine kurzzeitig erhöhte Leistungsaufnahme
oder eine Schwankung der Versorgungsspannung sein.
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Eine
exaktere Messung des Leistungsüberschusses
ergibt sich, wenn man zusätzlich
die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) mit Hilfe
der Meßleitung
(19) mißt.
Man erhält
dann durch Multiplikation von Strom und Spannung direkt die überschüssige Leistung.
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4 zeigt
alternative Möglichkeiten,
die Stromstufe (402) aufzubauen. Sie befindet sich hier in
Reihe zu den Versorgungsleitungen (14, 15). Ihr
ist eine Z-Diode (403) (alternativ eine elektronische Schaltung,
die eine variable Stromaufnahme abhängig von der Spannung besitzt)
nachgeschaltet. (Die elektronische Schaltung ist üblicherweise
zu bevorzugen.) Wie oben, gemäß 3,
wird auch hier der Summenstrom der kompletten Meßeinrichtung über einen
Widerstand (R401) gefühlt
und dementsprechend geregelt. Der Strom teilt sich nach der Stromstufe
auf in einen Teil, der zur Versorgung der Meßeinrichtung verwendet wird
(Versorgungsleitung + (14)) und einen überschüssigen Teil, der von der Z-Diode
aufgenommen wird. Die Messung des Überschusses geschieht über den
Spannungsabfall über einem
Widerstand (R402), da der Strom durch (R402) ein Maß für den aktuellen
Leistungsüberschuß ist.
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Die
Bestimmung des Leistungsüberschusses
wird genauer, wenn man zusätzlich
die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) mit der Meßleitung
(18) mißt.
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In 13 ist
eine gegenüber 4 verbesserte
Schaltung dargestellt. Eine Stromstufe (1302) ist in Reihe
zu den Versorgungsleitungen geschaltet. Ihr ist eine Schaltung (1303)
nachgeschaltet, die überschüssige Leistung
aufnimmt. Dazu fühlt
sie die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) und mit Hilfe
eine Leitung (1304) die Spannung vor der Stromstufe. Die
Schaltung (1303) nimmt dabei genau so viel Strom auf, daß der Spannungsabfall über der Stromstufe
(1302) zur Verringerung von Verlustleistung möglichst
klein wird, aber groß genug
bleibt, so daß die
Stromstufe den Strom konstant halten kann, auch wenn Schwankungen
der Versorgungsspannungen oder der Stromaufnahme des Sensors auftreten.
Ein Maß für die überschüssige Leistung
ergibt sich daher aus dem Strom durch die Schaltung (1303),
der z. B. über
den Spannungsabfall an (R1302) mit Hilfe der Meßleitung (20) gemessen wird.
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Die
Bestimmung des Leistungsüberschusses
wird genauer, wenn man zusätzlich
die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) mit der Meßleitung
(18) mißt.
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In 5 ist
eine Stromstufe (502) vergleichbar zu der in 3 gezeigt.
Im Unterschied dazu wird hier der momentane Leistungsüberschuß nicht
direkt gemessen. Über
einen Widerstand (R502) wird der Strombedarf der Meßeinrichtung
ermittelt. Aus der Differenz zwischen dem bekannten Strom, der in
der Stromschleife fließt,
und dem Strombedarf der Meßeinrichtung
durch (R502) läßt sich
ein Maß für den Überschuß ableiten.
Auch hier kann die überschüssige Leistung
genauer durch eine zusätzliche
Messung der an der Versorgungsleitung + (14) zur Verfügung stehenden
Spannung mittels Meßleitung
(19) ermittelt werden.
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6 stellt
eine Stromstufe (602) dar, ähnlich 4. Im Unterschied
zur Meßeinrichtung
nach 4 wird hier jedoch nicht direkt der Überschuß gemessen,
sondern die Eingangsleistung an den Klemmen der Meßeinrichtung
und die Leistungsaufnahme, die die Meßeinrichtung zur Versorgung
benötigt, bestimmt.
Die Eingangsleistung ergibt sich aus dem bekannten Strom, der in
der Stromschleife fließt,
und der über
Meßleitung
(19) gemessenen Eingangsspannung. Die Leistungsaufnahme,
die die Meßeinrichtung
zur Versorgung benötigt,
wird aus dem Strom durch (R602) und der über Meßleitung (18) gemessenen
Spannung der Versorgung + (14) bestimmt. Die Differenz
beider Leistungen ist ein Maß für den aktuell
anstehenden Überschuß an Leistung.
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Häufig ist
der Leistungsverbrauch der Meßeinrichtung
(101, 102) im wesentlichen bestimmt durch ein
oder mehrere große
Verbraucher. Erhalt man eine Information über den Leistungsverbrauch dieser
Komponenten, kann man eine Aussage über den Leistungsverbrauch
der Meßeinrichtung
machen, indem man z. B. für
den unbekannten Leistungsverbrauch der anderen Komponenten einen Worst-Case-Wert
annimmt. Zusätzlich
wird die zur Verfügung
stehende Leistung bestimmt, wie z. B. in den 3 bis 6 dargestellt
und daraus der Leistungsüberschuß bestimmt.
Anhand des Leistungsüberschusses
bestimmt der Mikrocontroller, ob Teile der Meßeinrichtung in den besagten
Ruhezustand versetzt werden müssen,
um den Leistungsverbrauch der Meßeinrichtung zu steuern. 7 zeigt hierfür als weitere
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung einen Radar-Sensor, der mit Hilfe einer Meßleitung
(715) eine Aussage über
die Leistungsaufnahme des Empfängers
(704) erhält.
Ob der Sensor hierbei mittels einer Stromschleife oder einer digitalen
Kommunikation versorgt wird, ist unerheblich. Bei einem Ultraschall–Sensor
oder einem Sensor mit am Seil geführtem Radar ist das gleiche
Vorgehen durchführbar.
Wichtig ist hierbei nur, einen oder mehrere Hauptverbraucher auszumachen,
deren aktueller Leistungsbedarf bestimmt wird.
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Es
ist möglich,
die oben beschriebenen Einrichtungen zu vereinfachen. Solche Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand 8 und 9 erläutert.
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Für eine grobe
Aussage, wieviel Überschuß momentan
vorhanden ist, kann es ausreichen, nur die zur Verfügung stehende
Leistung zu ermitteln. Diese läßt sich
z. B. aus Eingangsstrom und Eingangsspannung bestimmen. Der Eingangsstrom
ist bekannt, da er vom Mikrocontroller über die Steuerleitung (16)
der Stromstufe vorgegeben wird, die Eingangsspannung wird, wie in
den 8 und 9 gezeigt, mittels einer Meßleitung
(18) gemessen. Abhängig
von der ermittelten zur Verfügung
stehenden Leistung können
nun die Ruhezustände
der einzelnen Komponenten dazu verwendet werden, die aufgenommene
Leistung des Sensors der zur Verfügung stehenden Leistung so
anzupassen, daß immer ein
gewisser Leistungsüberschuß bestehen
bleibt.
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Eine
hierauf aufbauende Vereinfachung besteht darin, die Eingangsspannung
nicht zu messen, die Meßleitung
(18) in den 8 und 9 ist dann nicht
notwendig. Anhand des eingestellten Stromes, der nicht gemessen
werden muß,
da er vom Mikrocontroller über
die Steuerleitung (16) der Stromstufe vorgegeben wird,
kann man eine Aussage über
die zur Verfügung
stehende Leistung treffen. Bei maximalem Strom, z. B. 20 mA, steht
selbst bei minimaler Spannung relativ viel Leistung zur Verfügung, erst
bei relativ kleinen Strömen,
z. B. nahe 4 mA, kann wenig Leistung zur Verfügung stehen. Es reicht daher
aus, die Steuerung der Ruhezustände
nur abhängig
vom eingestellten Strom auszurichten und die Dauer und Häufigkeit,
mit der die Ruhezustände
aktiviert werden, so einzustellen, daß auch bei minimaler Eingangsspannung
und maximalem Leistungsverbrauch der einzelnen Komponenten die zur
Verfügung
stehende Leistung nicht überschritten
wird.
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Weitere
erfindungsgemäß bevorzugte
Vereinfachungen zeigen die 10 und 11.
Hier wird nur der momentan benötigte
Strom als Spannungsabfall über
den Widerstand (R1002) mit Hilfe der Meßleitung (18) bzw. über (R1102)
mit Hilfe der Meßleitung
(20) gemessen. Der Mikrocontroller kann diesen Strom durch
Steuerung der Ruhezustände
so regeln, daß er
immer unter dem aktuell zur Verfügung stehenden
Strom bleibt.
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Ausgehend
von 7 ist es möglich
als weitere Vereinfachung nur den Leistungsbedarf eines oder mehrerer
Hauptverbraucher zu bestimmen und davon abhängig die Ruhezustände der
Komponenten zu steuern, ohne die zur Verfügung stehende Leistung zu bestimmen.
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Bei
Meßeinrichtungen
mit Anschluß an
eine digitale Kommunikation, z. B. einem Feldbus, stellen sich ähnliche
Ansprüche
an die Meßeinrichtung.
Der Strom, den die Meßeinrichtung
dem digitalen Bus entnehmen darf, muß konstant sein, er ist üblicherweise
fest eingestellt. Auch hier gibt es die Notwendigkeit, die Leistungsaufnahme
der Meßeinrichtung dem
Leistungsangebot anzupassen. Die Art und Weise, wie dies zu realisieren
ist, entspricht den bisherigen Ausführungen. Es ist lediglich zu
beachten, daß der
Strom durch die Stromstufe nicht vom Meßwert abhängt, sondern üblicherweise
fest eingestellt ist.
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Beispielhaft
ist in 12 ein Teil einer solchen Meßeinrichtung
dargestellt. Die Stromstufe (1202) hält den Strom in Zeiten, wenn
keine Kommunikation stattfindet, konstant. Zum Senden digitaler Signale
erhält
die digitale Schnittstelle (1203) über die Steuerleitung (16)
vom Mikrocontroller Daten, die sie in modulierter Form an die Stromstufe
weitergibt, welche den Strom entsprechend verändert. Die Art der Modulation
hängt von
den Spezifikationen der verwendeten digitalen Kommunikation ab.
Daten werden empfangen, indem die Signale an der Versorgungsleitung
+ (14) oder an der Stromstufe (1202) von der digitalen
Schnittstelle (1203) erkannt und demoduliert über die
Steuerleitung (17) an den Mikrocontroller weitergeleitet
werden. Die Messung des Überschusses
wird, wie in 3 bereits dargelegt, realisiert,
indem der Spannungsabfall über
(R1202) mit der Meßleitung
(18) gemessen wird oder zusätzlich die Spannung an der
Versorgungsleitung + (14) mit der Meßleitung (19). Genauso
sind die anderen bisher beschriebenen Verfahren auf Meßeinrichtungen
mit digitaler Kommunikation anwendbar.