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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik,
mit mindestens einer Schnittstelle zur Ausgabe eines Stromsignals, mit
mindestens einer Vorgabeeinheit, welche zumindest einen Wert vorgibt,
von welchem das über
die Schnittstelle auszugebende Stromsignal abhängig ist.
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Im
Stand der Technik sind Feldgeräte,
insbesondere Messgeräte
bekannt, welche Signale und insbesondere Messwerte als 4...20 mA-Signale
ausgeben. Wenn ein Fehler im Feldgerät vorliegt, so wird ein sog.
Fehlersignal ausgegeben, welches üblicherweise außerhalb
des eigentlichen Signalbereichs zwischen 4 und 20 mA liegt. Das
Fehlersignal liegt somit entweder unterhalb von 4 mA oder oberhalb von
20 mA.
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Im
Rahmen des Konzepts der Selbstüberprüfung der
Feldgeräte
ist es dabei auch erforderlich, dass das Gerät dazu in der Lage sein sollte,
einen solchen Fehlerstrom zu signalisieren. Dabei besteht jedoch
die Problematik darin, dass dieses Fehlersignal selbst nicht an
den Ausgang des Gerätes
gelangen sollte, da es sich nur um einen Test und nicht um das Vorliegen
eines solchen Fehlers handelt. Als einfache Lösung werden daher in Testzeiträumen von den
Feldgeräten
entsprechende Fehlersignale absichtlich erzeugt. In diesen Zeiträumen ist
daher jedoch ein normaler Prozessbetrieb nicht möglich.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Feldgerät vorzuschlagen,
welches eine Überprüfung der
Fehlersignalisierung erlaubt, ohne dass dies zu einer Beeinträchtigung,
insbesondere der dem Feldgerät
nachgeschalteten Einheiten kommt.
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Die
Aufgabe löst
die Erfindung dadurch, dass mindestens eine erste steuerbare Stromsenke
und eine zweite steuerbare Stromsenke vorgesehen sind, dass die
erste steuerbare Stromsenke und die zweite steuerbare Stromsenke
derartig ausgestaltet sind, dass die erste steuerbare Stromsenke
und die zweite steuerbare Stromsenke jeweils auf eine vorgebbare Stromstärke einstellbar
sind, und dass die erste steuerbare Stromsenke und die zweite steuerbare
Stromsenke derartig mit der Schnittstelle verbunden sind, dass das
Stromsignal, welches an der Schnittstelle anliegt, im Wesentlichen
von der niedrigeren Stromstärke
der vorgebbaren Stromstärken,
auf welche die erste steuerbare Stromsenke und die zweite steuerbare
Stromsenke eingestellt sind, abhängig
ist. Bei dem Feldgerät
handelt es sich insbesondere um ein 4...20 mA-Signal-Feldgerät.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass das Feldgerät das Vorliegen eines Fehlers
des Feldgerätes durch
ein Fehlersignal über
die Schnittstelle signalisiert, wobei das Fehlersignal innerhalb
eines Fehlersignalintervalls liegt. Das Fehlersignalintervall liegt dabei
insbesondere zwischen 0 mA und 4 mA bzw. 3.6 mA, wenn es sich bei
der Schnittstelle um eine 4...20 mA-Schnittstelle handelt.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass das Fehlersignal eine Stromstärke unterhalb
eines vorgegebenen Wertes, insbesondere kleiner 3.6 mA, aufweist.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die erste steuerbare Stromsenke und
die zweite steuerbare Stromsenke in Reihe geschaltet sind.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Steuereinheit vorgesehen
ist, und dass die Steuereinheit derartig ausgestaltet ist, dass
die Steuereinheit ausgehend von der Vorgabeeinheit die erste steuerbare
Stromsenke und die zweite steuerbare Stromsenke jeweils auf eine
vorgebbare Stromstärke einstellt.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit derartig ausgestaltet
ist, dass die Steuereinheit ausgehend von der Vorgabeeinheit die
erste steuerbare Stromsenke und die zweite steuerbare Stromsenke
derartig steuert, dass das an der Schnittstelle anliegende Signal
in einem vorgebbaren Intervall variiert.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass die erste steuerbare Stromsenke mindestens
aus einer ersten Stromsenke, einem ersten Regler, einem ersten Widerstand
und einem zweiten Widerstand besteht.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die zweite steuerbare Stromsenke mindestens
aus einer zweiten Stromsenke, einem zweiten Regler, einem ersten Widerstand
und einem dritten Widerstand besteht.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass ein Kondensator und eine Diode in
die erste steuerbare Stromsenke und/oder in die zweite steuerbare Stromsenke
eingebaut sind.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass in Reihe zur ersten Stromsenke ein
erster Messwiderstand zum Abgreifen einer ersten Messspannung vorgesehen
ist.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass in Reihe zur zweiten Stromsenke ein
zweiter Messwiderstand zum Abgreifen einer zweiten Messspannung
vorgesehen ist.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass parallel zur ersten Stromsenke und
zum ersten Messwiderstand ein erster Schalter und ein erster Überbrückungswiderstand
vorgesehen sind.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass parallel zur zweiten Stromsenke und
zum zweiten Messwiderstand ein zweiter Schalter und ein zweiter Überbrückungswiderstand
vorgesehen sind.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit mindestens zwei
Mikroprozessoren aufweist, welche im Wesentlichen unabhängig voneinander die
erste steuerbare Stromsenke und die zweite steuerbare Stromsenke
steuern.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine Darstellung einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Feldgerätes,
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2:
eine Darstellung des zeitlichen Verhaltens einiger Ströme während eines
Tests mit dem erfindungsgemäßen Feldgerät der 1,
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3:
ein erfindungsgemäßes Feldgerät in einer
zweiten Variante.
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In
der 1 ist ein erfindungsgemäßes Feldgerät 10 dargestellt.
Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Messgerät zur Bestimmung
und/oder Überwachung
einer Prozessgröße. Die
Prozessgröße ist beispielsweise
Füllstand,
Dichte, Viskosität, Durchfluss,
pH-Wert oder Temperatur.
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Das
Feldgerät 10 verfügt über eine
Schnittstelle 11, über
welche beispielsweise die Messwerte als 4...20 mA-Signale ausgegeben
werden. In dem Fall, dass ein Fehler des Feldgerätes 10 vorliegt, wird ein
Signal ausgegeben, dessen Stromstärke außerhalb dieses für die normale
Anwendung reservierten Bereichs liegt. In einer Ausgestaltung liegt
der „Fehlerstrom” unterhalb
von 3,6 mA.
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Die
hier gezeigte Schaltung erlaubt den Test, ob dieser Fehlerstrom
erzeugt werden kann, ohne dass das Fehlersignal direkt an die Schnittstelle 11 gelangt.
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In
dem Feldgerät 10 sind
zwei steuerbare Stromsenken 1, 2 in Reihe geschaltet.
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Ein
Teil der ersten steuerbaren Stromsenke 1 ist eine Stromsenke
I1. Dies ist eine elektronische Last, deren Laststrom elektronisch
regelbar ist. Als Beispiel sind ein Feldeffekttransistor (FET) zu
nennen.
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Weiterhin
umfasst die erste steuerbare Stromsenke 1 den Regler RE1,
den zweiten Widerstand R8 und den ersten Widerstand R5. Bei dem Regler
RE1 handelt es sich um einen Operationsverstärker, von dem ein Eingang mit
Masse und der andere Eingang mit der Steuereinheit 13 bzw.
speziell mit dem ersten Mikroprozessor M1 der Steuereinheit 13 verbunden
ist und dessen Ausgang die Einstellung der Stromstärke der
ersten Stromsenke I1 bewirkt. Der nicht mit Masse verbundene Eingang
des Reglers RE1 ist über
den zweiten Widerstand R8 mit einer Kontaktstelle der Schnittstelle 11 verbunden. Diese
Kontaktstelle ist über
den ersten Widerstand R5 ebenfalls mit Masse verbunden.
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Die
erste Stromsenke I1 ist mit der anderen Kontaktstelle der Schnittstelle 11 und
mit Masse verbunden. In diesem Bereich der Schaltung sind auch zwischen
der ersten Stromsenke I1 und Masse noch eine Zenerdiode Vz und parallel
dazu ein Kondensator C vorgesehen. Überdies besteht auch eine Verbindung
zwischen den beiden in Reihe geschalteten Stromsenken I1 und I2
und dem zweiten Mikroprozessor M2 der Steuereinheit 13.
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Die
zweite steuerbare Stromsenke 2 ist analog der ersten 1
aufgebaut. Sie besteht aus der zweiten Stromsenke I2, dem zweiten
Regler RE2, dem dritten Widerstand R7 und dem ersten Widerstand R5.
Dabei sind die erste Stromsenke I1 und die zweite Stromsenke I2
in Reihe geschaltet. Der zweite Regler RE2 wird hier über den
zweiten Mikroprozessor M2 der Steuereinheit 13 gesteuert.
Die beiden Mikroprozessoren M1, M2 arbeiten unabhängig voneinander
und stellen auch unabhängig
voneinander über
die Regler RE1, RE2 die Stromstärken
der beiden Stromsenken I1, I2 ein. Der jeweilige Sollwert für den Strom
an der Schnittstelle wird von der Vorgabeeinheit 12 vorgegeben.
Dabei handelt es sich insbesondere um die Auswerteeinheit der Sensorikkomponente
des Feldgerätes 10.
Der Strom an der Schnittstelle wird somit derartig eingestellt,
dass er beispielsweise einem ermittelten Messwert für eine Prozessgröße entspricht
oder dass er beispielsweise das Erreichen eines Grenzwertes repräsentiert.
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Um
der hier stilisiert dargestellten Empfangseinheit 15 des
an der Schnittstelle 11 anliegenden Signals mitzuteilen,
dass das Feldgerät 11 noch
lebt, wird das Stromsignal innerhalb eines vorgegebenen Intervalls
variiert, d. h. es zappelt um den Sollwert der Vorgabeeinheit 12 und
ist somit ein Lebenssignal für das
Feldgerät 10.
Als Beispiel sei ein Sollwert von 19 mA angenommen, welches zwischen
zwei Stromwerten abwechselt, d. h. es ergibt sich beispielsweise ein
Ausgangssignal 19 mA ± 0,25
mA. Dieses Alternieren bedeutet damit für die Empfangseinheit 15, dass
das Feldgerät 10 noch
lebt.
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Werden
bei der ersten Stromsenke I1 und der zweiten Stromsenke I2 unterschiedliche
Stromstärken
eingestellt, so liegt jeweils der niedrigere Stromwert an der Schnittstelle 11 an.
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Für den Test,
ob das Fehlersignal (hier ein Strom kleiner 3,6 mA) erzeugt werden
kann, sind in der erfindungsgemäßen Schaltung
noch folgende Komponenten vorgesehen:
Die erste steuerbare
Stromsenke 1 verfügt über einen
in Reihe zur ersten Stromsenke I1 geschalteten ersten Messwiderstand
R1, über
den eine erste Messspannung U1 abgegriffen wird. Parallel zur ersten
Stromsenke I1 und zum ersten Messwiderstand R1 sind ein erster Schalter
S1 und ein erster Überbrückungswiderstand
R3 vorgesehen.
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Analog
sind ein zweiter Messwiderstand R2 für eine zweite Messspannung
U2, ein zweiter Schalter S2 und ein zweiter Überbrückungswiderstand R4 bei der
zweiten steuerbaren Stromsenke 2 vorgesehen.
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Für das Funktionieren
der Schaltung sind in der 2 die zeitlichen
Abläufe
bzw. die auftretenden Ströme
dargestellt. Dargestellt sind von oben nach unten: der Ausgangsstrom
an der Schnittstelle 11, der Strom am ersten Messwiderstand
R1, der Strom am ersten Überbrückungswiderstand
R3, der Strom am zweiten Messwiderstand R2 und der Stromverlauf
am zweiten Überbrückungswiderstand R4.
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Für den Normalbetrieb
sind die Schalter S1 und S2 offen. Die Steuerung der Schalter erfolgt
dabei beispielsweise über
die Steuereinheit 13, bzw. einzeln über die vorgesehenen Mikroprozessoren
M1 und M2, die der ersten steuerbaren Stromsenke I1 bzw. der zweiten
steuerbaren Stromsenke I2 zugeordnet sind.
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Zum
Zeitpunkt t1 sei die erste Stromsenke I1 auf 19,25 mA und die zweite
Stromsenke I2 auf 18,75 mA eingestellt. Der Ausgangsstrom an der
Schnittstelle 11 wird von der zweiten Stromsenke I2 bestimmt.
Der fließende
Strom wird über
die beiden Messwiderstände
R1 und R2 gemessen und als U1 bzw. U2 den Mikroprozessoren M1 und
M2 zur Kontrolle zugeführt
(diese Verbindungen sind für
die Übersichtlichkeit
hier nicht dargestellt).
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Würde über einen
Parallelpfad – z.
B. seien die beiden Schalter S1, S2 offen, aber niederohmig – ein Strom
von z. B. 5 mA fließen,
so regelt der Regler, welcher für
den fließenden
Strom bestimmend ist, trotzdem auf den unteren Wert von 18,75 mA,
aber in den Messwiderständen
R1 bzw. R2 fließt
nur der Differenzstrom von 18,75 mA – 5 mA = 13,75 mA. Somit liegt
ein Fehler im Feldgerät 10 vor
und die jeweilige Stromsenke I1 bzw. I2 würde den Fehlerstrom kleiner 3,6
mA einstellen.
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Nun
zur Testphase, ob das Feldgerät 10 den Fehlerstrom
auch zuverlässig
einstellen kann. Der hier gezeigte Ablauf ist dabei rein beispielhaft.
Die gestrichelten senkrechten Striche geben immer den Zeitraum an,
für welchen
jeweils ein Schalter geschlossen ist.
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Zunächst der
Test der ersten Stromsenke I1 (Test I1 in der 2):
Der
Schalter S1 wird geschlossen. Der Strom von 18.75 mA teilt sich über den
Zweig I1 und R1 und den Zweig R3 und S1 auf. In beiden Zweigen fließt im Wesentlichen
der gleiche Strom, wenn die Widerstände R1 und R3 gleich groß und der
Widerstand des Schalters S1 und der Innenwiderstand von I1 sehr klein
sind. Die am Messwiderstand R1 abfallende Spannung U1 wird gemessen
und mit einem Referenzwert verglichen. Dann wird der Vorgabewert
der Stromstärke
für die
erste Stromsenke I1 vom ersten Mikroprozessor M1 und den ersten
Regler RE1 von den oben eingestellten 19,25 mA auf einen Testwert kleiner
18,75 mA, z. B. auf 500 μA
gesetzt. Die Stromsenke I1 sperrt, da der erste Regler RE1 über den
ersten Widerstand R5 eine größere Spannung als
den Vorgabewert für
I1 sieht. Da die erste Stromsenke I1 sperrt, darf im Fall, dass
kein Fehler vorliegt, keine Spannung am Messwiderstand R1 messbar sein,
d. h. U1 muss im Wesentlichen gleich Null sein.
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Dann
wird der Vorgabewert für
die erste Stromsenke I1 über
den ersten Mikroprozessor M1 und den ersten Regler RE1 von 500 μA auf einen Wert
größer 19,25
mA gesetzt. Das Ausgangssignal bleibt jedoch weiterhin auf 18,75
mA. Über
die erste Stromsenke I1 und den ersten Messwiderstand R1 fließt wieder
der obige Teilstrom, welcher als U1 gemessen und mit einem Referenzwert
verglichen wird.
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Mit
diesen Spannungsmessungen wird das korrekte Schließen des
Schalters S1 und die Fähigkeit
der ersten Stromsenke I1, einen Strom kleiner 3,6 mA („Sperren”) einzustellen, überprüft.
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In
der Testzeit der ersten Stromsenke I1 fließt der gesamte Strom über den Überbrückungswiderstand
R3 und den ersten Schalter S1. An der Schnittstelle 11 liegt
konstant ein Strom von 18,75 mA an.
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Anschließend wird
der Schalter S1 geöffnet, wobei
der Strom immer noch von der zweiten Stromsenke I2 auf 18,75 mA
gehalten wird.
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Zum
Zeitpunkt t2 wird der Vorgabewert für die zweite Stromsenke I2 über den
zweiten Mikroprozessor M2 und den zweiten Regler RE2 auf 19,25 mA gesetzt.
Da die erste Stromsenke auf einen Strom größer 19,25 eingestellt wurde,
bestimmt die zweite Stromsenke I2 den Ausgangsstrom an der Schnittstelle,
welcher somit 19,25 mA beträgt.
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Das
Ausgangssignal variiert daher zwischen den beiden Werten 18,75 mA
und 19,25 mA. Somit zeigt das Feldgerät 10, dass es noch
lebt.
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Zum
Zeitpunkt t3 wird der Vorgabewert für die erste Stromsenke I1 vom
Wert größer 19,25
mA auf 18,75 mA herabgesetzt. Damit bestimmt die erste Stromsenke
I1 den Strom nach Außen
(18,75 mA). Die Spannungsmessungen an R1 und R2 ergeben im fehlerfreien
Fall den jeweils richtigen Stromwert. Stimmt der Wert, so hat der
Schalter S1 geöffnet
und die erste Stromsenke I1 ist in Ordnung.
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Der
Test der zweiten Stromsenke I2:
Hierfür wird der zweite Schalter
S2 geschlossen. Der Strom von momentan 18.75 mA teilt sich über den Zweig
I2 und R2 und den Zweig R4 und S2 auf. In beiden Zweigen fließt ungefähr der gleiche
Strom, wenn die Widerstände
R2 und R4 gleich groß und
der Widerstand des Schalters S2 und der Innenwiderstand der zweiten
Stromsenke I2 sehr klein sind. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung
U2 gemessen und mit einem Referenzwert verglichen.
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Anschließend wird
der Vorgabewert der zweiten Stromsenke I2 über den Mikroprozessor M2 und
den zweiten Regler RE2 von 19,25 mA auf einen Wert kleiner 18,75
mA, z. B. auf 500 μA
gesetzt. Die zweite Stromsenke I2 sperrt, da der zweite Regler RE2 über den
ersten Widerstand R5 eine größere Spannung
als den Vorgabewert für
I2 sieht. In fehlerfreien Fall muss die Spannung U2 im Wesentlichen gleich
Null sein.
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Dann
wird der Vorgabewert für
die zweite Stromsenke I2 von 500 μA
auf einen Wert größer 19,25
mA gesetzt. Über
die zweite Stromsenke I2 und den Messwiderstand R2 fließt wieder
der Teilstrom, welcher über
die Spannung U2 messbar und mit einem Referenzwert vergleichbar
ist. Mit diesen Spannungsmessungen kann das korrekte Schließen des
Schalters S2 und die Fähigkeit
der zweiten Stromsenke, einen Strom kleiner 3,6 mA einzustellen,
d. h. zu sperren, überprüft werden.
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In
der Testzeit fließt
der gesamte Strom über den Überbrückungswiderstand
R4 und den Schalter S2. An der Schnittstelle 11 liegt konstant
ein Stromsignal von 18,75 mA an.
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Anschließend wird
der Schalter S2 geöffnet, wobei
der Strom immer noch von der ersten Stromsenke I1 auf 18,75 mA gehalten
wird.
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Zum
Zeitpunkt t4 wird der Vorgabewert für die erste Stromsenke I1 über den
ersten Mikroprozessor M1 und den ersten Regler RE1 auf 19,25 mA gesetzt.
Damit stellt die erste Stromsenke I1 den Strom an der Schnittstelle 11 auf
19,25 mA ein.
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Zum
Zeitpunkt t5 wird der Vorgabewert für den Stromwert der zweiten
Stromsenke I2 von dem Wert größer 19,25
mA auf 18,75 mA herabgesetzt, so dass die zweite Stromsenke I2 den
Strom über
die Schnittstelle 11 nach Außen bestimmt. An den beiden Messwiderständen R1
und R2 werden die Spannungen U1 und U2 gemessen. Entsprechen die
Spannungen U1 und U2 den Referenzwerten, so hat der Schalter S2
geöffnet
und die zweite Stromsenke I2 ist in Ordnung.
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In
dem hier gezeigten Diagramm der 2 wird das
Testen mit dem nächsten
Test der ersten Stromsenke I1 weitergeführt.
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Durch
das zeitabhängige
Schalten der Stomsenken I1, I2 mit entsprechender Sollwertvorgabe des
jeweiligen Stromwertes wird erreicht, dass durch das Öffnen und
Schließen
der Schalter S1 und S2 keine ungewollten Stromspitzen auf dem 4...20 mA-Signal
an der Schnittstelle 11 erzeugt werden.
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Wenn
der erste Widertand R5 zweifach (angedeutet durch den gestrichelten
Widerstand R6) oder mehrfach in Reihe ausgeführt wird, verringert sich der
Fehler des Fehlerstromes kleiner 3,6 mA bei der Annahme der Verdopplung
bzw. Halbierung des Widerstandswertes von R5 bzw. R6. Dies bezieht sich
auf die Fehlerannahme für
einen Metallfilm-Widerstand in der FMEDA (Failure Modes, Effects
and Diagnostic Analysis).
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In
der 3 ist eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Schaltung
dargestellt, die teilweise gleich der Ausgestaltung der 1 ist.
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Die
erste steuerbare Stromsenke 1 weist hier die erste Stromsenke
I1, den ersten Regler RE1, den zweiten Widerstand R8 und den ersten
Widerstand R5 auf. Weiterhin sind auch hier – wie in der Ausgestaltung
der 1 – eine
Zenerdiode Vz und ein Kondensator C vorgesehen. Weiterhin sind auch
hier die zwei Stromsenken in Reihe geschaltet, welche unabhängig voneinander über einen
Mikroprozessor M1 bzw. M2 und über
jeweils einen Regler RE1 bzw. RE2 angesteuert werden. Der Sollwert
für den
jeweiligen Strom der Stromsenke wird hier – wie beispielsweise auch in
der Variante der 1 – über ein PWM-Register in M1
bzw. M2 mit anschließendem
Integrationsglied erzeugt.
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Der
Test erfolgt in der Variante der 3 wie folgt:
In
der Ausgangslage sind die vier Schalter S1, S2, S3, S4 offen.
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Zu
einem ersten Zeitpunkt t1 wird die erste Stromsenke I1 auf 19,25
mA eingestellt und die zweite Stromsenke I2 auf 18,75 mA. Der Ausgangsstrom an
der Schnittstelle 11 wird von der zweiten Stromsenke I2
bestimmt. Der fliesende Strom wird über die beiden Messwiderstände R1 und
R2 gemessen und als U2P1 bzw. U2P2 den Mikroprozessoren M1 und M2
zur Kontrolle zugeführt.
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Würde über einen
Parallelpfad (z. B. dadurch, dass die Schalter S1, S2 offen, aber
niederohmig sind) ein Strom von z. B. 5 mA fließen, so würde der Regler, welcher für die Einstellung
des Stroms bestimmend ist, trotzdem auf 18,75 mA regeln. Da aber
in den Messwiderständen
R1 bzw. R2 nur der Differenzstrom von 18,75 mA – 5 mA = 13,75 mA fließt, würde davon
ausgehend die erste I1 bzw. die zweite Stromsenke I2 den Fehlerstrom
kleiner 3,6 mA einstellen.
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Für den Test
der ersten Stromsenke I1 wird zunächst der Schalter S1 und dann
der Schalter S3 geschlossen. Über
den Schalter S3 fließt
ein Strom, welcher sich aus der Spannung UEingang und dem Widerstand
R9 ergibt. Dabei ist die Spannung UEingang bestimmt durch die an
der Schnittstelle 11 anliegende Eingangsspannung minus
der Flussspannungen der Verpolschutzdioden minus dem Spannungsabfall
am Widerstand R5. Die Eingangsspannung an der Schnittstelle liegt
beispielsweise zwischen 12 V und 30 V. Die Flussspannungen der Dioden
sind ca. 0,4 V. und der Spannungsabfall am Widerstand R5 ist beispielsweise
0,4 V. Damit ergibt sich für
die Spannung UEingang ein Wert zwischen 10,4 V (= 12 V – 3·0,4 V – 0,4 V)
und 28,4 V. Dieser Strom wird als U1P1 gemessen und mit einem Referenzwert
verglichen. Mit dieser Spannungsmessung kann das korrekte Schließen des
Schalters S2 überprüft werden.
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Dann
wird der Vorgabewert für
den Strom der Stromsenke I1 über
den Mikroprozessor M1 und den Regler RE1 von 19,25 mA auf z. B.
500 μA gesetzt.
Die Stromsenke I1 sperrt, da der erste Regler RE1 über den
ersten Widerstand R5 eine größere Spannung
als den Vorgabewert für
I1 sieht. Somit wird – wie
bei der Variante der 1 – die erste Stromsenke I1 getestet.
Die Diode D1 entkoppelt dabei die erste Stromsenke I1 in Richtung
der zweiten Stromsenke I2. Im Normalfall darf keine Spannung U1P1
messbar sein.
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Dann
wird der Vorgabewert für
die erste Stromsenke I1 über
den Mikroprozessor M1 und den ersten Regler RE1 von 500 μA auf einen
Wert größer 19,25
mA gesetzt. Über
den Schalter S3 fließt
jetzt wieder ein Strom U_Eingang/R9. Dieser wird als U1P1 gemessen
und mit einem Referenzwert verglichen. Dann wird der Schalter S3
geöffnet.
Mit diesen Spannungsmessungen kann das korrekte Schließen von
S2, die Funktion von D1 als Schalter und die Fähigkeit der ersten Stromsenke
I1, einen Strom kleiner 3,6 mA (sperren) einzustellen, überprüft werden.
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In
der Testzeit regelt der Regler RE2 den Querstrom über den
Widerstand R9 aus. Nach Außen
fließen
konstant 18,75 mA.
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Anschließend wird
der Schalter S1 geöffnet. Der
Strom wird immer noch von der zweiten Stromsenke I2 auf 18,75 mA
gehalten.
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Zu
einem nächsten
Zeitpunkt t2 wird der Vorgabewert für die zweite Stromsenke I2 über den
Mikroprozessor M2 und den Regler RE2 auf 19,25 mA gesetzt.
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Zu
einem nächsten
Zeitpunkt t3 wird der Vorgabewert für die erste Stromsenke I1 von
einem Wert größer 19,25
mA auf 18,75 mA gesetzt. Die erste Stromsenke I1 bestimmt somit
den Strom über
die Schnittstelle 11 nach Außen. Aus den Spannungsmessungen
U2P1 und U2P2, welcher der Überprüfung der
Stromwerte dienen, ist die Aussage möglich, ob die Schalter S1 und
S3 geöffnet
haben und die erste Stromsenke I1 in Ordnung ist.
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Jetzt
wird der Schalter S3 und dann der Schalter S4 geschlossen. Über den
Schalter S4 fließt ein
Strom, welcher sich ergibt aus dem Spannungsabfall an der Zenderdiode
Vz plus dem Spannungsabfall am zweiten Messwiderstand R2 plus dem Spannungsabfall
an der zweiten Diode D2 geteilt durch den Widerstand R11. Dieser
Strom wird als Spannung U1P2 gemessen und mit einem Referenzwert
verglichen. Mit dieser Spannungsmessung kann das korrekte Schließen des
Schalters S4 überprüft werden.
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Dann
wird der Vorgabewert für
die zweite Stromsenke I2 wird über
den Mikroprozessor M2 und den Regler RE2 von 19,25 mA auf z. B.
500 μA gesetzt.
Die zweite Stromsenke I2 sperrt, da der Regler RE2 über den
ersten Widerstand R5 eine größere Spannung
als den Vorgabewert für
die Stromsenke I2 sieht. Somit wird die zweite Stromsenke I2 getestet. Die
Diode D2 entkoppelt die zweite Stromsenke I2 in Richtung der Zenerdiode
Vz. Jetzt darf keine Spannung an U1P2 messbar sein.
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Dann
wird der Vorgabewert für
die zweite Stromsenke I2 über
den zweiten Mikroprozessor M2 und den zweiten Regler RE2 von 500 μA auf einen Wert
größer 19,25
mA gesetzt. Über
den Schalter S4 fließt
wieder ein Strom (Vz + UR2 + UD2)/R11. Dieser kann an U1P2 gemessen
und mit einem Referenzwert verglichen werden. Dann wird der Schalter
S4 geöffnet.
Mit dieser Spannungsmessung kann das korrekte Schließen des
Schalters S4, die Funktion der Diode D2 als Schalter und die Fähigkeit
der zweiten Stromsenke I2, einen Strom kleiner 3,6 mA (sperren)
einzustellen, überprüft werden.
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In
der Testzeit regelt der Regler RE1 den Querstrom über den
Widerstand R11 aus. Nach Außen
fließen
konstant 18,75 mA. Anschließend
wird der Schalter S2 geöffnet.
Der Strom wird immer noch von der ersten Stromsenke I1 auf 18,75
mA gehalten.
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Zum
Zeitpunkt t4 wird der Vorgabewert für I1 über den ersten Mikroprozessor
M1 und den ersten Regler RE1 auf 19,25 mA gesetzt.
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Zum
Zeitpunkt t5 wird der Vorgabewert für die zweite Stromsenke I2
von größer 19,25
mA auf 18,75 mA herabgesetzt. Die zweite Stromsenke I2 bestimmt
jetzt den Strom nach Außen
(18,75 mA). Eine Spannungsmessung von U2P1 und U2P2 auf den richtigen
Stromwert erlaubt die Feststellung, ob die Schalter S2 und S4 geöffnet haben
und ob die zweite Stromsenke I2 in Ordnung ist.
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Durch
das zeitabhängige
Schalten der Stromsenken I1, I2 mit entsprechender Sollwertvorgabe
des Stromes wird erreicht, dass durch das Öffnen und Schließen der
Schalter S1 und S3 keine ungewollten Stromspitzen auf dem 4...20
mA-Signal erzeugt werden.
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Wenn
der erste Widerstand R5 zweifach (angedeutet durch den gestrichelten
Widerstand R6) oder mehrfach in Reihe ausgeführt wird, verringert sich der
Fehler des Fehlerstromes kleiner 3,6 mA bei der Annahme der Verdopplung
bzw. Halbierung des Widerstandswertes von R5 bzw. R6.