信号传输系统的制作方法

1.本发明涉及一种信号传输系统，其具有至少一个信号值发生器、线路以及控制和评估单元，其中所述信号值发生器具有电子单元和电流源并且将在预定的第一值和预定的第二值之间，特别是在4ma和20ma之间的范围内的施加电流馈入到所述线路中。所述控制和评估单元具有负载和微处理器，并检测在所述负载上降落的电压。此外，本发明还涉及用于对应的信号传输系统的测量值发生器和评估单元。


背景技术：

2.信号传输系统特别是在过程控制和设施技术中用于将过程值从不同位置传输到大多是中央的监视和控制位置。为此，将对应的信号值发生器定位在现场，例如在对应的机器或设施上或在所述机器或设施的环境中。所述信号值发生器例如可以是测量值发生器，该测量值发生器于是还具有至少一个用于检测测量值的传感器。但是除此之外，所述信号值发生器还可以是例如数据收集器、显示单元或执行器，它们同样可以将值经由所述线路传输到所述控制和评估单元。在下文中，大多将测量值发生器称为信号值发生器，但本发明不应限于此。
3.测量值发生器借助于对应的传感器检测相应的测量值，然后将所述测量值必要时在进行了对应的放大和归一化之后经由线路传输到布置在远方的控制和评估单元。待检测的测量值可以是例如温度、压力、气体浓度或介质速度。原则上可以将一个测量传感器分配给恰好一个控制和评估单元。然而，通常所述控制和评估单元被构造为使得可以将多个—例如四个、八个、十六个或甚至更多—测量值发生器或信号值发生器连接到所述控制和评估单元，这些测量值发生器或信号值发生器可以经由所述控制和评估单元加以配置和监视。由此可以在一个位置集中监视和显示在不同的、部分难以接近或彼此远离的位置处确定的测量值。
4.在现有设施中，通常使用模拟传输的测量值发生器，这些测量值发生器大多以星形布线连接到所述控制和评估单元。在此情况下，多年来在实践中借助于4ma到20ma范围内的施加直流电进行测量值传输已经建立了用于将模拟测量值从测量值发生器经由线路传输到控制和评估单元的事实标准。由此可以连续地传输模拟测量值，从而即使在多个测量值发生器连接到一个控制和评估单元的情况下也始终可以在所述控制和评估单元处调用或显示每个单独的测量值发生器的当前测量值。
5.各个测量值发生器与所述控制和评估单元的连接在此通常利用两芯线或三芯线线路进行。在此，使用三芯线线路的优点是：可以使用两个芯线为所述测量发生器供应能量，而对应于测量值的施加电流则经由第三个芯线传输。由于归一化，预给定测量范围的最小测量值对应于经由所述线路传输的4ma的电流，而最大测量值对应于20ma的电流。由此既可以进行监视线路断裂（电流=0ma），又可以超过测量范围（电流》20ma）。在这两种情况下，所述控制和评估单元的评估电子装置都知道到来的电流值不允许被评估和显示为实际存在的测量值。
6.即使借助于施加电流进行的测量值传输由于其可靠性及其受电磁干扰影响的能力极低而多年来就已证明了非常有价值，但它也带来了以下缺点：除了实际测量值和上述两个错误状态外，几乎不可能传输其他信息。此外，信息只能向一个方向传输，即从所述测量值发生器传输到所述控制和评估单元。此外，为了安全传输通常需要对组件或组件的连接进行额外的错误识别。
7.这两个缺点可以通过以下方式消除，即，使用数字传输的测量值发生器来代替模拟传输的测量值发生器，所述数字传输的测量值发生器通常不是经由两芯线或三芯线的星形布线连接到所述控制和评估单元，而是经由借助于环或各个串的四芯线总线布线连接到所述控制和评估单元。虽然在构造新设施时可以毫无问题地实施该解决方案，但是在现有设施的情况下需要更换所有组件，即所有测量传感器、控制和评估单元以及特别是所有线路，这不仅带来了高额的成本耗费，而且通常还需要长时间中断正在进行的过程。因此，在现有设施的情况下通常不考虑完全更换所述信号传输系统。


技术实现要素：

8.因此，本发明所基于的任务是，进一步开发开头描述的信号传输系统，使得能够尽可能简单地检测和传送关于所述信号传输系统或其组件的附加信息。在此，一个组件（例如控制和评估单元）的更换不一定使得其他组件（例如各个信号值发生器或各个线路）的更换成为必然。
9.该任务在开头描述的信号传输系统的情况下利用具有权利要求1的特征加以解决。在根据本发明的信号传输系统情况下，所述控制和评估单元中的所述负载与至少一个电气部件串联连接，当电流流过所述电气部件时，在所述电气部件上出现直流电压降。在此，所述微处理器确定在开关的两种状态下所述负载两端降落的电压，将这些电压相互比较，并在超过或低于阈值时识别出错误，由此可以启动对应错误消息的输出。因此，所述微处理器既确定在所述电气部件被桥接时在所述负载两端降落的电压u1又确定在所述电气部件与所述负载串联连接时在所述负载两端降落的电压u2。代替在所述负载两端降落的相应电压，还可以测量流过所述负载的电流。在这两种情况下都可以通过所述微处理器确定在所述负载两端降落的电压，由此也可以对应地比较这两个电压。
10.术语“电气部件”一般是指以下部件，当电流流过所述电气部件时在所述电气部件上出现直流电压降。所述部件不仅可以是单个器件，而且可以是多个相互连接（例如彼此串联电气连接）的个体器件。在最简单的情况下，所述电气部件可以是电阻。作为电气部件例如也可以提供二极管或由电阻和二极管构成的串联电路。
11.由于在所述信号传输系统的情况下从所述测量发生器将施加电流馈入所述线路中，因此即使由于在所述控制和评估单元中接通所述电气部件而改变了所述控制和评估单元处通过所述负载和所述电气部件确定的输入电阻并且因此改变了所述线路上的负载关系，通过所述测量值发生器的电流源在正常情况下也会保持所述电流恒定。因此，在正常情况下通过所述测量值发生器中的电流源补偿了由于接通所述电气部件而引起的有功负载变化，从而使流经所述控制和评估单元中的所述负载的电流与所述电气部件是否与所述负载串联无关。当所述电气部件被桥接时在所述负载两端降落的电压u1应当基本上对应于当所述电气部件与所述负载串联连接时在所述负载两端降落的电压u2。如果不是这种情况或
者如果这两个电压之间的差异超过预给定的阈值，则所述微处理器将其识别为错误，并输出对应的错误消息。例如，错误可能例如是所述测量发生器本身有缺陷或存在错误布线。
12.上述根据本发明的措施，即在控制和评估单元中布置电气部件，使得所述电气部件可以借助于开关与负载串联或被桥接，是用于确定信号传输系统中错误的一种有效但非常简单的电路技术措施。在此特别是该措施也不需要更换现有的模拟传输的测量值发生器并且用数字传输的测量值发生器来代替现有的模拟传输的测量发生器。同样，也不太需要更换已经在各个测量值发生器与所述控制和评估单元之间铺设的线路。
13.如果将所述控制和评估单元的负载称为负荷，则通过所述电气部件和所述开关的布置来以简单的方式实现负荷切换。所述负载的电阻值和所述电气部件的电阻值在此优选为相同数量级。特别地，所述负载的电阻值可以基本上对应于用作电气部件的其他电阻的电阻值，或者可以仅与所述其他电阻的电阻值略有不同。
14.根据本发明的信号传输系统的有利设计，所述控制和评估单元中的开关以时钟方式进行切换，其中所述时钟代表或对应于预给定的串行数据流。于是根据串行数据流以时钟方式进行上述负荷切换，这可以用于将数据从所述控制和评估单元传输到所述信号值发生器。通过以时钟方式切换所述开关，将电压变化叠加在馈入所述线路中的恒定电流上，在对应设计所述信号值发生器的情况下可以由所述信号值发生器探测到所述电压变化。用于将所述电气部件与所述负载串联或桥接所述电气部件的开关的控制优选地通过布置在所述控制和评估单元中的微处理器来进行。
15.在根据本发明的信号传输系统的另一特别优选的设计中，所述信号值发生器被构造为使得所述信号值发生器可以探测和评估由所述控制和评估单元经由所述线路传输并叠加在所述恒定电流上的串行数据流。为此，所述信号值发生器具有比较器，其中所述比较器的一个输入端与所述线路连接。由此可以通过简单的方式从施加在所述线路上的电压变化中产生串行数据流，所述电压变化是由于以时钟方式切换所述控制和评估单元中的开关而引起的，所述串行数据流对应于用于以时钟方式切换所述控制和评估单元中的开关的串行数据流。可以在所述比较器的下游连接施密特触发器，于是所述施密特触发器与所述比较器的输出端连接并产生迟滞，以便从模拟输入信号中产生明确的二进制信号。
16.因此，通过所述控制和评估单元中的开关的上述时钟方式切换以及具有比较器的所述测量值发生器的上述设计，提供了将串行数据形式的信息从所述控制和评估单元传输到所述测量值发生器并且从所述测量值发生器接收所述串行数据而在此无需将已经铺设的线路（例如两芯线或三芯线线路）替换为专用的总线线路的可能性。
17.在所述测量值发生器的上述设计中，所述测量值发生器优选地具有微处理器，如果在所述比较器的下游连接施密特触发器，则所述微处理器与所述比较器的输出端或与所述施密特触发器的输出端连接。借助于所述微处理器，可以检查所检测的串行数据流的合理性，并由此可以识别出传输错误。此外，可以在所述微处理器中评估所接收的数据流。
18.根据所述信号传输系统的另一特别优选的设计，所述信号值发生器附加地被构造为，使得除了实际的测量值之外，还可以由所述信号值发生器将串行数据经由所述线路传输到所述控制和评估单元。为此，所述信号值发生器优选具有混合器，在所述混合器中将时钟信号叠加到待传输的测量值上，所述时钟信号代表所述串行数据流。然后，由所述信号值发生器将经过调制的电流馈入所述线路中，所述电流的幅度经过了调制。载波幅度也可以
与待传输的测量值成比例，也就是说优选在4ma和20ma之间。通过叠加所述时钟信号，在所述串行数据流的时钟中轻微地改变了所述载波幅度，从而通过幅度调制仅在数据传输期间影响经由所述线路的测量值传输。
19.为了检测和评估由所述信号值发生器经由所述线路传输的数据，根据本发明的信号传输系统的另一有利设计，所述控制和评估单元同样具有比较器，其中所述比较器的一个输入端与所述线路连接。所述比较器的所述一个输入端在此特别是连接到所述负载和所述电气部件之间的连接点。通过使用比较器，可以再次以简单的方式探测和评估调制到所述恒定电流上的数据信号。从而借助于所述比较器，可以从在所述负载两端降落的电压中恢复由所述信号值发生器调制到电流上的串行数据流，所述电压以数据流的时钟脉动。
20.在此，可以再次在所述比较器的下游连接施密特触发器，由此所述施密特触发器与所述比较器的输出端连接。在此，也优选地将微处理器与所述比较器或所述施密特触发器的输出端连接，以便检查所评估的数据流的合理性并由此识别可能的传输错误。
21.上述根据本发明的信号传输系统使得可以通过简单且灵活的方式使现有的信号传输系统现代化，其中可以继续使用现有的线路。在第一步骤中，可以替换和根据本发明修改现有的控制和评估单元。此外，所述控制和评估单元可以与已经存在的模拟传输的测量值发生器连接或替代地以及与可以传送和接收附加数据的连续的新测量值发生器连接。
22.如开头所述，除了上面详细描述的信号传输系统之外，本发明还涉及用于这种信号传输系统的测量值发生器以及控制和评估单元。关于根据本发明的测量值发生器的设计，参考权利要求11。根据本发明，所述测量值发生器除了至少一个传感器、电子单元和电流源之外附加地还具有比较器，其中所述比较器的一个输入端连接到输出连接端，在所述输出连接端上可获得施加电流。从而可以从施加在所述输出端子上的脉动电压中确定串行数据流。
23.根据所述测量值发生器的优选设计，所述测量值发生器具有混合器，借助于所述混合器将代表串行数据流的时钟信号叠加到由传感器检测的测量值上，从而在所述测量值发生器的输出连接端处可获得经过幅度调制的电流。由此，除了实际的测量值之外，所述测量值发生器还可以将其他信息经由所述线路传送到所述控制和评估单元，从而例如可以评估关于所述测量值发生器的易磨损传感器的剩余使用寿命的信息。由此可以及时识别出即将发生的缺陷，并可以采取对应的恢复措施。从而总的来说，可以使干扰时间最小化并由此增加设施的运行时间和生产率。
24.根据权利要求15，根据本发明的控制和评估单元的特征在于，所述控制和评估单元除了微处理器和与信号输入端连接的负载外还具有至少一个电气部件和开关，其中电阻与所述负载串联连接并且可以选择性地借助于所述开关桥接所述电阻。在此，对于所述电气部件与所述负载串联连接的情况以及对于所述电气部件被桥接的情况，所述微处理器都确定所述负载两端降落的电压。如果这两个电压的比较表明这两个电压之间的差异超过阈值，则所述控制和评估单元识别出错误，然后可以对应地输出该错误。这种错误通知可以以光学、声学和/或电气方式进行。
25.根据所述控制和评估单元的优选设计，所述控制和评估单元还具有比较器，并且优选还具有施密特触发器，其中所述比较器的一个输入端连接到所述负载和所述电气部件之间的连接点，并且所述施密特触发器连接到所述比较器的输出端。此外，所述微处理器优
选与所述施密特触发器的输出端连接。
附图说明
26.具体地，存在用于设计和扩展根据本发明的信号传输系统、测量值发生器以及控制和评估单元的大量可能性。为此，既参考权利要求书又参考结合附图对优选实施例的以下描述。在附图中：图1示出了具有控制和评估单元以及两个测量值发生器的信号传输系统的简化框图，以及图2示出了根据本发明的信号传输系统的简化电路图。
具体实施方式
27.图1示出了如何能够构造信号传输系统1的示意图。示出了两个测量值发生器2，这些测量值发生器与多个其他未示出的测量值发生器一样分别经由线路3连接到控制和评估单元4。各个测量值发生器2分别具有至少一个传感器5，所述传感器取决于设计可以测量不同的物理变量。
28.如果信号传输系统1例如是气体警报设施，则各个测量值发生器2具有传感器5，所述传感器5可以测量易燃、有毒气体的浓度或氧气的浓度。在这种气体警报设施的情况下，控制和评估单元4通常也称为气体警报中心。各个测量值发生器2与控制和评估单元4的连接在此通常经由三芯线线路3进行，其中两个芯线用于向测量值发生器2供应能量，第三个芯线用于传输所检测的测量值。由测量值发生器2的传感器5检测的测量值，即例如特定的气体浓度，借助于电流源7和设置在测量值发生器2中的电子单元6转换为4ma至20ma范围内的施加直流电，其中通常4ma对应于特定的可调测量范围的最小值，20ma对应于所述特定的可调测量范围的最大值。也可以想到反过来的分配，从而4ma对应于特定的可调测量范围的最大值，20ma对应于所述特定的可调测量范围的最小值。
29.从图2所示的信号传输系统1的简化电路图中可以看出，测量值发生器2中的电流源7经由输出连接端8与线路3的一个芯线连接，即上述的第三个芯线，经由该芯线传输代表测量值的施加直流电。在线路3的另一端，该芯线与控制和评估单元4的信号输入端9连接。控制和评估单元4具有负载10，该负载与信号输入端9连接，使得经由线路3的第三个芯线传输的电流流过负载10。借助于微处理器11中的a/d转换器，可以检测和评估负载10两端降落的电压。
30.在根据本发明的信号传输系统1或根据本发明的控制和评估单元4中，除了负载10之外还提供了电气部件，特别是其他电阻12，所述其他电阻与负载10串联连接，其中所述其他电阻布置在信号输入端9和负载10之间。此外，提供开关13，借助于该开关可以桥接其他电阻12。为此，开关13布置在与其他电阻12并联设置的桥接支路14中。代替仅一个电阻12作为电气部件，也可以例如将由电阻和二极管（这里未示出）构成的串联电路与负载10串联连接。
31.因为在信号传输系统1的情况下由测量值发生器2将施加电流馈入线路3中，所以流过负载10的电流通过电流源7保持恒定，而与其他电阻12在开关13闭合时被桥接还是在开关13断开时与负载10串联无关。通过接通或桥接其他电阻12，在控制和评估单元4中进行
有功负载变化，但是所述有功负载变化在正常情况下不应导致流过线路3以及因此还流过负载10的电流发生变化，因为通过电流源7补偿所述负载变化。
32.现在如果通过控制和评估单元4的微处理器11既在开关13断开时又在开关13闭合时测量流过负载10的电流或在负载10两端降落的电压，则可以从这两个电压或电流的比较中探测出信号传输系统1中的错误。例如，错误可能在于：测量值发生器2或其电流源7有缺陷，或者存在错误布线或线路3上存在缺陷。通过上述选择性地桥接其他电阻12或将其他电阻12与负载10串联连接的措施，可以以非常小的电路技术耗费识别出控制和评估单元4中的错误。
33.在图2所示的信号传输系统1的优选实施例中，开关13不仅为了执行上述错误识别而被断开或闭合，而且开关13还用于将数据从控制和评估单元4传输到测量值发生器2。为此，以时钟方式进行开关13的切换，其中该时钟代表预给定的串行数据流。由此将电压变化叠加在馈入线路3中的恒定电流上，所述电压变化也可以在测量值发生器2中探测到。为此，测量值发生器2具有比较器15和施密特触发器16，其中比较器15的一个输入端17与线路3连接，而另一个输入端18与参考电位19连接。比较器15的输出端20与施密特触发器16连接，从而测量值发生器2可以从施加在线路3上的电压变化中接收串行数据流并因此接收由控制和评估单元4发送的信息，所述电压变化是通过以时钟方式切换控制和评估单元4中的开关13引起的。为了评估所接收的串行数据流，测量值发生器2还具有微处理器21，该微处理器还可以用于检查所接收的串行数据流的合理性。为此，微处理器21与施密特触发器16的输出端22连接。
34.为了除了测量值之外还能够从测量值发生器2向控制和评估单元4传输附加信息，测量值发生器2具有混合器23，借助于该混合器23将时钟信号叠加在由传感器5检测的测量值上，所述时钟信号代表串行数据流，从而将经过调制的电流馈入线路3中。然后，对馈入线路3中的电流进行幅度调制，其中载波幅度通过由传感器5测量的测量值确定，即优选在4ma至20ma之间。
35.通过所述控制和评估单元具有比较器24以及当前情况下连接在所述比较器下游的施密特触发器25，在控制和评估单元4中探测出通过这种方式除了实际的测量值之外还经由线路3传输的测量值发生器的信息，所述信息例如可以包含关于传感器5的剩余使用寿命的结论。比较器24的一个输入端26连接到负载10和其他电阻12之间的连接点27，而另一个输入端28与参考电位29连接。比较器24的输出端30与施密特触发器25连接，施密特触发器25连接到微处理器11的输入端。
36.通过使用比较器24以及上述互连，可以以简单的方式探测和评估调制到恒定电流上的数据信号。由此还可以在控制和评估单元4一侧接收由测量值发生器2调制到实际测量值上的附加信息。
37.图1还示出了测量值发生器2以及控制和评估单元4的示意图。在测量值发生器2的情况下，除了传感器5之外还示出了电子单元6和微处理器21。此外还表明，测量值发生器2具有显示器31，经由该显示器也可以在现场显示测量值。在根据图2的简化电路图中示出了测量值发生器2的其他先前描述的主要电子部件，如电流源7、比较器15和混合器23。
38.对应地，在控制和评估单元4的情况下各个电子器件也仅在图2中示出，而在图1中也未示出。然而，在根据图1的框图中示出了未在图2中示出的微处理器11，利用该微处理器
11来切换开关13以及评估经由比较器24和施密特触发器25接收的串行数据信号。此外，控制和评估单元4还具有显示器32和多个操作按键33，利用这些操作按键可以选择各个测量值发生器2的各个测量值。
39.如果控制和评估单元4被构造为连接多个测量值发生器2，如图1所示，则图2所示的电路配备有对应地用于每个信号输入端9的负载10、其他电阻12和开关13。还可以对应地为每个信号输入端9提供比较器24。然而，替代于此地，可以仅提供一个比较器，该比较器可以选择性地经由对应的开关分别与信号输入端9或连接点27连接。