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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 ersten Messwiderstand besteht, wobei der erste Messwiderstand
in Reihe zur ersten Stromsenke geschaltet ist und zum Abgreifen einer
ersten Messspannung vorgesehen ist.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die zweite steuerbare Stromsenke mindestens
aus einer zweiten Stromsenke, einem zweiten Regler, einem zweiten
Widerstand und einem zweiten Messwiderstand besteht, wobei der zweite
Messwiderstand in Reihe zur zweiten Stromsenke geschaltet ist und
zum Abgreifen einer zweiten Messspannung vorgesehen ist.
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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 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 schematischen Beschaltung eines erfindungsgemäßen Feldgerätes, und
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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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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.
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. Weiterhin umfasst die erste steuerbare Stromsenke 1 den
ersten Regler RE1, den ersten Messwiderstand R1 und den ersten Widerstand
R5. Bei dem Regler RE1 handelt es sich um einen Operationsverstärker, von
dem ein Eingang mit der Steuereinheit 13 bzw. speziell
mit dem ersten Mikroprozessor M1 der Steuereinheit 13 und
ein andere Eingang mit dem ersten Widerstand R5 bzw. mit dem Spannungsabfall über den
ersten Messwiderstand R1 mit dem durch einen Operationsverstärker verbunden
ist und dessen Ausgang die Einstellung der Stromstärke der
ersten Stromsenke I1 bewirkt. Der nicht mit der Steuereinheit 13 verbundene
Eingang des Reglers RE1 ist über
den ersten Widerstand R5 mit einer Kontaktstelle der Schnittstelle 11 verbunden.
Diese Kontaktstelle ist ebenfalls mit Masse verbunden. Der erste
Messwiderstand R1 erlaubt auch den Abgriff einer ersten Messspannung
U1.
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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 zweiten Widerstand R6 und dem zweiten Messwiderstand R2. 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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Wie
zu sehen, sind die beiden steuerbaren Stromsenken 1, 2 voneinander „entkoppelt” und erlauben
eine Regelung im Wesentlichen unabhängig voneinander.
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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 über
jeweils einen Operationsverstärker
in eine dem Strom proportionale Spannung U1 bzw. U2 umgewandelt und
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):
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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 3 mA gesetzt. Der erste Regler RE1 stellt
die erste Stromsenke I1 so ein, dass die Spannung am Widerstand
R5, welche über
den ersten Messwiderstand R1 gemessen wird, der Sollwertvorgabe
vom ersten Mikroprozessor M1, d. h. gleich 3 mA, entspricht. Durch
den Zweig R1, I1 fließt
damit 3 mA. Der restliche Strom von 18,75 mA – 3 mA fließt über den Parallelzweig aus dem
Widerstand R3 und den Schalter S1. Bei dieser Schaltungsanordnung
sind Testströme
zwischen 0 mA und einem Wert Itestmax1 bei der ersten Stromsenke
I1 einstellbar. Der Wert Itestmax1 ist abhängig von dem Verhältnis zwischen
den Widerständen
R3 und R1. Seien die Werte R3 = 100 Ohm und R1 = 10 Ohm, so kann
der Teststrom in I1 zwischen 0 mA und R3·Igesamt/(R3 + R1) = 100 Ohm·18,75
mA/(100 Ohm + 10 Ohm) = 17,05 mA eingestellt werden.
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Dann
wird der Vorgabewert für
die erste Stromsenke I1 über
den ersten Mikroprozessor M1 und den ersten Regler RE1 von 3 mA
auf einen Wert größer 19,25
mA gesetzt. Über
die erste Stromsenke I1 und den ersten Messwiderstand R1 fließt wieder der
Teilstrom 18,75/2 mA. Dieser Teilstrom kann als Spannung U1 gemessen
und mit einem Referenzwert verglichen werden. Mit diesen Spannungsmessungen
kann somit das korrekte Schließen
des Schalters S1 und die Fähigkeit
der ersten Stromsenke I1, einen Strom von 3,0 mA einzustellen, überprüft werden.
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In
der Testzeit fließt
der Teilstrom Igesamt – 3
mA über
den Widerstand R3 und den Schalter S1. Zu den Klemmen und somit
nach außen
fließen
konstant 18,75 mA. 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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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.
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:
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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. 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 3 mA gesetzt. Der zweite Regler RE2 stellt die zweite
Stromsenke I2 so ein, dass die Spannung am Widerstand R6, welche über den
zweiten Messwiderstand R2 gemessen wird, der Sollwertvorgabe vom
zweiten Mikroprozessor M2, d. h. gleich 3 mA, entspricht. Durch
den Zweig R2, I2 fließt
damit 3 mA. Der restliche Strom von 18,75 mA – 3 mA fließt über den Parallelzweig aus dem
Widerstand R4 und den Schalter S2. Bei dieser Schaltungsanordnung sind
Testströme
zwischen 0 mA und einem Wert Itestmax2 bei der zweiten Stromsenke
I2 einstellbar. Der Wert Itestmax2 ist abhängig von dem Verhältnis zwischen
den Widerständen
R4 und R2. Seien die Werte R4 = 100 Ohm und R2 = 10 Ohm, so kann
der Teststrom in I2 zwischen 0 mA und R4·Igesamt/(R4 + R2) = 100 Ohm·18,75
mA/(100 Ohm + 10 Ohm) = 17,05 mA eingestellt werden. Dann wird der
Vorgabewert für
die zweite Stromsenke I2 von 3 mA auf einen Wert größer 19,25
mA gesetzt. Über
die zweite Stromsenke I2 und den Messwiderstand R2 fließt wieder
der Teilstrom 18,75/2 mA, welcher über die Spannung U2 messbar
und mit einem Referenzwert vergleichbar ist.
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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 Teilstrom Igesamt abzüglich
3 mA 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, um das Vorliegen
des jeweils erforderlichen Stromes zu überwachen. 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.