CN112055817A - 具有电路中断识别的冗余的电流测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于冗余地确定电流的量值的测量装置，其中，该测量装置具有至少一个第一电流测量模块和至少一个与第一电流测量模块并联的第二电流测量模块，第一电流测量模块包括至少一个第一模拟输入以及至少一个第一电流测量电阻和配属的电压测量单元，以便测定流入模拟输入中并流经第一电流测量电阻的电流的电流值，第二电流测量模块包括至少一个第二模拟输入以及至少一个第二电流测量电阻和配属的电压测量单元，以便测定流入第二模拟输入中并流经第二电流测量电阻的电流的电流值。该测量装置的特征在于，其包括控制单元，控制单元被设计和设置用于检测由电压测量单元测定的电压的逐渐变化，并且在存在电压的逐渐变化的逆反的情况时，将一个电流测量模块从电流的量值的测定中排除。

Description

具有电路中断识别的冗余的电流测量装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于冗余地测定电流值的测量装置。此外，本发明涉及一种根据权利要求5所述的用于识别在被设计用于冗余地测定电流值的测量装置中的电路的中断的方法，以及一种根据权利要求7所述的用于测量装置的控制单元。
背景技术
自动化系统中的模拟量输入模块借助于电流值在0mA到20mA或4mA到20mA范围内的信号定期检测过程值。为了提高可用性，输入模块的相应测量变送器例如与两个冗余地运行的输入模块上的两个相应输入通道并联连接。然而，这导致以下问题：待测量的电流分布在两个输入通道上，并且待测量的电流解释必须根据另一个输入通道的状态来实现。例如，必须尽可能快地识别单侧断线，并且在换算测量结果时加以考虑，以避免错误解释。
迄今为止，为了增加检测过程值的可用性，已知以下可行性：
1)已经提到的两个有源输入通道的并联电路：该方法的缺点是，在单侧断线的情况下，保留在输入通道上的电流值会翻倍。该测量误差只能通过识别断线以计算的方式进行纠正，并且在此期间可能已经触发了不期望的开关操作。
2)模拟输入的串联：因此，全部电流都流经两个输入通道。但是，这里的缺点是，该方法仅适用于电势分离的输入通道，并且产生外部接线(例如，每个输入通道与极管桥接，以便在发生断线的情况下不中断电路)。
3)有源(低阻抗)和无源(高阻抗)输入通道的并联连接：在此，缺点是，仅有源输入通道能够识别断线。仅当由于有源输入通道处的错误而切换到无源输入通道时，才能显示无源输入通道是否可用。
文献DE102012205401A1公开了一种传感器系统，用于冗余地确定流经电池极的电池电流。
在文献EP2434358B1中公开了一种用于向负载冗余地供应电压的系统。
在WO2017/167732A1中公开了一种具有至少两个冗余的、并联的模拟输入单元的用于测量电流装置。在该装置的无源侧上，高阻抗地连接电流测量电阻(也被称为分流器)，使得通过两个模拟输入单元的并联耦合，粗略地测量有源侧的输入电路的电压。由于有源输入的输入电路中的电压下降，在正常运行中，在高阻抗(无源)侧上测量到的电压始终比在该装置的低阻抗(有源)侧上测量到电压的高出一个小的倍数。能够通过违反该标准来识别在无源侧上的电流测量电路的中断(“断线”)。利用在WO2017/167732A1中公开的测量的装置不可能在0mA至20mA测量的情况下识别在有源侧上的电流测量电路的中断，并且在4mA至20mA测量的情况下不能总是及时地识别在有源侧上的电流测量电路的中断。为此，也能够首先识别在无源侧上的中断，之后识别出一个或多个错误的电流测量值。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于在自动化系统的冗余设计的模拟输入通道中探测电流测量电路的单侧中断的有效方法，该方法尤其能够更快地切换到不受干扰的模拟输入通道。
该目的通过一种根据权利要求1的、利用至少一个第一电流测量模块和至少一个第二电流测量模块冗余地测定电流值的测量装置来实现。
此外，该目的通过根据权利要求5的、被设计用于在用于冗余地测定电流值的测量装置中识别电路中断的方法来实现。
另外，该目的通过根据权利要求7的用于测量装置的控制单元来实现。
从属权利要求给出有利的改进方案。
根据本发明的用于冗余地测定电流的量值的测量装置包括至少一个第一电流测量模块和至少一个与第一电流测量模块并联的第二电流测量模块。第一电流测量模块包括至少一个第一模拟输入和至少一个第一电流测量电阻以及配属的电压测量单元，以便测定流入模拟输入中并通过第一电流测量电阻的电流的电流值。第二电流测量模块包括至少一个第二模拟输入和至少一个第二电流测量电阻以及配属的电压测量单元，以便测定流入第二模拟输入中并通过第二电流测量电阻的电流的电流值。
该测量装置的特征在于，其包括控制单元，控制单元被设计和设置用于检测由电压测量单元测定的电压逐渐变化，并且在存在电压的逐渐变化的逆反的情况时，将一个电流测量模块从电流的量值的测定中排除。在此，电流能够来自电流测量模块内部的传感器电源，也能够来自任何外部电流源。电流尤其来自测量变送器，该测量变送器例如提供0毫安至20毫安范围内的输出电流。
电流测量模块被设计用于借助于参考电阻(分流电阻)和电压测量单元测定电流的量值，该电流由测量变送器控制，并且流过参考电阻或相应的电流测量模块。在此，测量变送器能够由一个、或者为了提高可用性由多个并联的传感器电源或外部电源供电。在此，电流测量模块并联连接，以便在两个模块之一发生故障时继续进行电流测量。
控制单元能够是任何设计用于接收和评估来自电压测量单元的信号的单元。特别地，用于这些构件的控制单元能够包括微处理器。
例如，如果在第一电流测量模块中发生电路中断，则由第一电流测量模块测定的电压下降，因为不再有电流能够流过第一电流测量电阻。另一方面，由第二电流测量模块测定的电压升高，因为现在所有电流都流过第二电流测量模块。由此，根据本发明，控制单元被设计用于识别测定的电压的逐渐变化的逆反的情况，因此，通过将受电流循环的中断影响的电流测量模块从对电流的量值的测定中排除，测量装置能够对中断快速和可靠的反应。
在本发明的一个有利的改进方案中，控制单元被设计和设置用于改变至少一个电流测量模块的电流测量电阻的电阻值，该电流测量模块先前从(例如从传感器电源中流出的)电流的量值的测定中被排除。例如，如果在识别到反向的电压梯度之前，不受电路中断影响的电流测量模块的电流测量电阻处于高阻抗状态，则控制单元或与之连接的元件将使未受影响的电流测量模块的电流测量电阻变为低阻抗状态，以便主动确定电流的值。
在此，控制单元能够在空间和功能方面独立于电压测量单元地布置，其中，控制单元在此必须具有相应的连接，以便信号技术地访问电压测量单元。
特别优选地，控制单元在空间和/或功能方面分配给电压测量单元之一。这意味着控制单元能够直接访问电压测量单元测定的值，并且尤其在测定错误的电压测量值与采取适当措施之间不会发生延迟或只有微不足道的延迟。布置在两个电压测量单元之一中的控制单元与另一个电流测量模块的另一个电压测量单元连接，以便能够比较所测定的电压值的逐渐变化。
替代地，也能够设置有两个或多个控制单元，其分别在空间和/或功能方面分配给电压测量单元之一，并且通过相互的数据交换来提供上述功能。
在本发明的一个有利的改进方案中，电压测量单元中的至少两个被设计用于借助于积分测量法测定电压。在这种积分测量法中，从一个测量间隔中的多个子测量测定电压测量值。从这些子测量中能够非常迅速地(例如，在测量间隔的百分之十以内，即明显早于最终电压测量值本身)识别，在电路中断的情况下两个电流测量模块中测定的电压值将沿相反方向移动。
换句话说，能够很快地识别到，尤其在电压测量单元输出错误的测量值之前，测定的电压值的逐渐变化就逆反变动。由此，至少一个电流测量电阻的电阻值能够比以前已知的测量装置更快地改变。
该目的还通过一种用于在测量装置中识别电路的中断的方法来实现，该测量装置被设计用于冗余地测定(例如来自传感器电源的)电流的量值，其中，该测量装置具有至少一个第一电流测量模块和与至少一个第一电流测量模块并联连接的第二电流测量模块。
第一电流测量模块包括至少一个第一模拟输入以及至少一个第一电流测量电阻和配属的电压测量单元，以便测定流入模拟输入中并通过第一电流测量电阻的电流的电流值。
第二电流测量模块包括至少一个第二模拟输入以及至少一个第二电流测量电阻和配属的电压测量单元，以便测定流入第二模拟输入中并通过第二电流测量电阻的电流的电流值。
该方法的特征在于，借助于控制单元检测由电压测量单元测定的电压的逐渐变化，并且在存在电压的逐渐变化的逆反的情况时，将一个电流测量模块从对电流的量值的测定中排除。
如上面已经指出的，控制单元优选地在空间和/或功能方面分配给电压测量单元之一。
该目的还通过用于根据本发明的测量装置的控制单元来实现，该测量装置用于实施如上所述的方法。
附图说明
结合参照附图对实施例的下描述，更清楚地解释本发明的上述特性、特征和优点以及实现本发明的方法和方式。
图1示出了根据本发明的测量装置1的电路图
具体实施方式
测量装置1包括第一电流测量模块2和第二电流测量模块3。第一电流测量模块2包括具有输入电阻5、第一电流测量电阻6和电压测量单元7的第一模拟输入4。第二电流测量模块3包括具有输入电阻9、第二电流测量电阻10和电压测量单元11的第二模拟输入8。
两个电流测量模块2、3中的每一个都被设计用于借助于电流测量电阻6、10和配属的电压测量单元7、11测定通过相应的电流测量电阻6、10的电流值12、13。测量装置1用于冗余地测定从传感器电源14流出的电流15的量值。
第一电流测量模块2在其基本状态下被设计为高阻抗的或无源的。这意味着与第二电流测量电阻相比，第一电流测量电阻6具有相对较高的电阻值。例如，高阻抗的第一电流测量电阻6能够具有比低阻抗的第二电流测量电阻10高1000倍的电阻值。由于第一电流测量电阻6高，通过第一电流测量电阻6或通过第一电流测量模块2的电流值12比通过第二电流测量电阻10或第二电流测量模块3的电流值13低几个数量级。
两个电流测量模块2、3并联连接。第一电流测量模块2的输入电阻5具低的电阻值，由此，与流过第一电流模块2的低的电流值12相结合，在输入电阻5的两端上的电压仅可忽略的下降。与此相反，由于流过第二电流测量模块3的电流值13明显更高，第二电流测量模块3的输入电阻9上的电压不可忽略。因此，电压测量单元11在第二电流测量模块3的第二电流测量电阻10上测量到的电压总是比电压测量单元7在第一电流测量模块2的第一电流测量电阻6上测量到的电压大于可计算的值。
测量装置1还具有控制单元16，其相应地具有至第一电流测量模块2的电压测量单元7和至第二电流测量模块3的电压测量单元11的连接。通过借助于根据本发明的测量装置1违反标准能够容易且快速地识别断线17、即在(第一电流测量模块2的)无源侧上的中断。因此，控制单元16将第一电流测量模块2从传感器电源14流出的电流15的量值的测定中排除。
如果在(第二电流测量模块3的)有源侧上发生单侧断线，则在第二电流测量电阻10上测定的电压迅速下降。同时，由于高阻抗的电流测量电阻6，在(第一电流测量模块2的)无源侧上，在第一电流测量电阻6上测定的电压迅速上升。由控制单元16识别这些反向的梯度的同时出现。为此，控制单元直接评估基于积分测量法运行的电压测量单元7、11的各个积分级(子测量值)。
测定的电压值的反向的梯度的识别直接导致运行的测量间隔的中断。同时，高阻抗的第一电流测量电阻6的电阻值显着减小，使得第一电流测量模块2作用为有源侧。控制单元16还相应地将第二电流测量模块3从传感器电源14流出的电流15的量值的测定中排除。
在此过程期间，冻结当前的测量值，直到在新的电流测量电阻6、10的基础上新的测量间隔结束为止。这样能够避免将失真的测量值转发到例如上级的自动化系统。
通过根据本发明的测量装置1在时间和内容上显着地减少了在识别到断线或电流测量模块的电流测量电路的中断前的测量值的最大临时失真。
尽管已经通过优选的实施例详细地解释和描述了本发明，但是本发明不受公开的实例的限制，并且本领域技术人员能够在不脱离本发明的保护范围的情况下得出其他变体方案。

Claims (7)

1.一种用于冗余地测定电流(15)的量值的测量装置(1)，其中，所述测量装置(1)具有至少一个第一电流测量模块(2)和至少一个与所述第一电流测量模块(2)并联连接的第二电流测量模块(3)，
所述第一电流测量模块(2)包括至少一个第一模拟输入(4)以及至少一个第一电流测量电阻(6)和配属的电压测量单元(7)，以便测定流入所述第一模拟输入(4)中并流过所述第一电流测量电阻(6)的电流的电流值(12)，
所述第二电流测量模块(3)包括至少一个第二模拟输入(8)以及至少一个第二电流测量电阻(10)和配属的电压测量单元(11)，以便测定流入所述第二模拟输入(8)中并流过所述第二电流测量电阻(10)的电流的电流值(13)，
其特征在于
所述测量装置(1)包括控制单元(16)，所述控制单元被设计和设置用于，检测由所述第一电压测量单元(7)和所述第二电压测量单元(11)测定的电压的逐渐变化，并且在存在所述电压的逐渐变化的逆反的情况下，从对电流(15)的量值的测定中排除一个所述第一电流测量模块(2)或所述第二电流测量模块(3)。
2.根据权利要求1所述的测量装置(1)，其中，所述控制单元(16)被设计和设置用于改变至少一个所述第一电流测量模块(2)和所述第二电流测量模块(3)的电流测量电阻(6、10)的电阻值，该所述第一电流测量模块(2)或所述第二电流测量模块(3)先前未被从对电流(15)的量值的测定中排除。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置(1)，其中，所述控制单元(16)在空间和/或功能方面被分配给所述第一电压测量单元(7)或所述第二电压测量单元(11)之一。
4.根据权利要求1所述的测量装置(1)，其中，所述第一电压测量单元(7)和所述第二电压测量单元(11)中的至少一个被设计为借助于积分测量法来测定电压。
5.一种用于以测量装置(1)识别电路中断的方法，所述测量装置被设计用于冗余地测定电流(15)的量值，其中，所述测量装置(1)包括至少一个第一电流测量模块(2)和至少一个与所述第一电流测量模块(2)并联连接的第二电流测量模块(3)，
所述第一电流测量模块(2)包括至少一个第一模拟输入(4)以及至少一个第一电流测量电阻(6)和配属的电压测量单元(7)，以便测定流入所述模拟输入(4)中并流过所述第一电流测量电阻(6)的电流的电流值(12)，
所述第二电流测量模块(3)包括至少一个第二模拟输入(8)以及至少一个第二电流测量电阻(10)和配属的电压测量单元(11)，以便测定流入所述第二模拟输入(8)中并流过所述第二电流测量电阻(10)的电流的电流值(13)，
其特征在于
借助于控制单元(16)检测由所述第一电压测量单元(7)和所述第二电压测量单元(11)测定的电压的逐渐变化，在存在所述电压的逐渐变化的逆反的情况下，从对所述电流(15)的量值的测定中排除所述第一电流测量模块(2)或所述第二电流测量模块(3)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一电压测量单元(7)和所述第二电压测量单元(11)中的至少一个借助于积分测量法来测定电压。
7.一种用于根据权利要求1至4中任一项所述的测量装置(1)的控制单元(16)，所述控制单元用于实施根据权利要求5或6所述的方法。
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