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Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwandler zum Erfassen einer Messgröße und zum Erzeugen eines Messsignales das in Beziehung zu der erfassten Messgröße steht.
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Ein Messwandler dieser Art ist der
DE 199 05 071 A1 entnehmbar. Bei einem räumlich verteilten Prozess sind an mehreren von einem zentralen Auswertegerät unterschiedlich weit beabstandeten Messstellen Messgrößen wie beispielsweise der Druck oder die Temperatur zu erfassen und zuverlässig an das zentrale Auswertegerät weiterzuleiten. Zu diesem Zweck sind die Messwandler über eine Zweidrahtleitung mit dem zentralen Auswertegerät verbunden, das zu diesem Zweck auch ein oder mehrere Versorgungsgeräte umfasst. Über diese Zweidrahtleitung erhält der Messwandler die für seinen Betrieb erforderliche Versorgungsspannung. Die erfassten Messdaten kann er über zwei unterschiedliche Schnittstellen an das zentrale Auswertegerät weiterleiten. Zum einen kann er den Schleifenstrom in der Zweidrahtleitung entsprechend dem erfassten Messergebnis innerhalb einem hierfür vorbestimmten Messbereich regeln (4- bis 20-mA-Standard) und zum anderen kann eine bidirekte digitale Datenübertragung über dieselbe Zweidrahtleitung stattfinden, die der HART-Spezifikation genügt.
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Insbesondere bei einer Prozessumgebung mit hoher mechanischer oder chemischer Beanspruchung der Zweidrahtleitung kann es zu einer Beeinträchtigung derselben kommen, was mit einem Anstieg von Widerständen an Kontaktstellen oder anderen Fehlern verbunden sein kann. Hierdurch kann die Versorgungsspannung am Messumformer unter einen zulässigen Minimalwert sinken, unter welchem der Messumformer nicht mehr korrekt arbeiten kann oder völlig ausfällt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird in der
DE 199 05 071 A1 vorgeschlagen die Spannung an den Anschlussklemmen des Messumformers zu ermitteln und über deren Entwicklung einen Vorhersagewert für den Zeitpunkt des Ausfalls des Messumwandlers zu bestimmen. Dies erlaubt es, einen noch intakten Messumformer beim nächsten Inspektionszyklus auszutauschen, noch bevor er tatsächlich ausfällt.
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Ein weiterer Messumformer ist der
EP 0 719 417 B1 entnehmbar. Dieser schlägt zur Lösung des Problems eine ähnliche Vorgehensweise vor. Jedoch wird hier der Widerstand der Zweidrahtleitung ermittelt indem zwei unterschiedliche Ströme eingestellt werden und auf der Grundlage dieses Messergebnisses wird dann eine Aussage bezüglich der Funktionsfähigkeit des Messwandlers ermöglicht.
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Schließlich ist noch der Messumwandler T32 der Anmelderin bekannt.
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Der Stand der Technik beschäftigt sich mit dem Problem, dass die Betriebsspannung des Messwandlers unter einem zulässigen Wert absinken könnte. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass auch der gegenteilige Fall auftritt, nämlich dass durch einen Fehler beispielsweise im Versorgungsgerät oder eine Spannungseinkopplung auf der Zweidrahtleitung die Betriebsspannung des Messwandlers die maximal zulässige Betriebsspannung überschreitet. Dies führt zunächst einmal zu einer Erwärmung des Messwandlers und somit auch zu einer Beeinträchtigung seiner Arbeitsweise bzw. der Qualität der mittels des Messwandlers ermittelten Messergebnisse. Hält dieser Zustand länger an oder übersteigt die Betriebsspannung die maximal zulässige Betriebsspannung erheblich, kann dies auch zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Messwandlers führen.
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Zur Vermeidung einer solchen überhöhten Betriebsspannung könnte nun an dem Einsatz spannungsbegrenzender Bauteile wie Suppressordioden oder Varistoren gedacht werden. Deren Schaltschwellen sind jedoch stark toleranzbehaftet. Darüber hinaus sind diese Bauteile vorwiegend für impulsförmige Überspannungen geeignet. Eine länger anliegende Überspannung führt zu einer starken Erwärmung dieser Bauteile bzw. deren Zerstörung. Dies kann beispielsweise in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre nicht hingenommen werden.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Messwandler vorzuschlagen, dessen Empfindlichkeit gegenüber Überspannungen verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Messwandler mit dem in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmal gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der vorgeschlagene Messwandler zum Erfassen einer Messgröße und zum Erzeugen eines Messsignales, das in Beziehung zu der erfassten Messgröße steht weist eine Erfassungseinrichtung auf, die feststellt, ob eine dem Messwandler zugeführte und gleichzeitig auch an der steuerbaren Stromsenke, bzw. an dem veränderbaren Widerstand anliegende Versorgungsspannung einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt. Ist dies der Fall wird der Schleifenstrom erhöht, bzw. hierzu der veränderbare Widerstand verringert.
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Der vorgeschlagene Messwandler wird in der Praxis von einem Versorgungsgerät über eine Versorgungsleitung versorgt, die beispielsweise als Zweidrahtleitung ausgeführt ist. Der Messwandler und der Bürdenwiderstand R2 zwischen dem Versorgungsgerät und dem Messwandler sind in Reihe geschaltet. Dieser Widerstand (Bürde, R2) liegt zu der Stromsenke, realisiert durch den veränderbaren Widerstand somit ebenfalls in Reihe. Bei einer Reihenschaltung ist die an den Elementen der Reihenschaltung abfallende Spannung proportional zum Widerstand, da der Strom durch die Reihenschaltung derselbe ist. Aus diesem Grund kann durch eine Verringerung des veränderbaren Widerstandes die in dem Messumformer liegende Betriebsspannung leicht bis unter die Grenze der Zulässigkeit verringert werden.
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Verringert man den veränderbaren Widerstand nur gerade so weit, dass die Betriebsspannung gerade unter dem vorbestimmten Grenzwert liegt, wird dabei auch die etwaige Verlustleistung bzw. Erwärmung des veränderbaren Widerstandes so gering wie möglich gehalten.
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Darüber hinaus wird jegliche Überspannung von dem Transmitter ferngehalten und die Verlustleistung fällt ausschließlich am veränderbaren Widerstand an. Der Transmitter selbst erwärmt sich daher nicht und kann nach Beendigung des Ausnahmezustandes sofort wieder fehlerfrei arbeiten, da er zu keinem Zeitpunkt überlastet oder erhitzt war.
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Vorteilhafterweise umfasst die Erfassungseinrichtung eine erste Erfassungseinrichtung zum Erzeugen des Messsignales und eine zweite Erfassungseinrichtung die feststellt, ob die Versorgungsspannung den Grenzwert übersteigt. Durch diese Maßnahme wird die Gerätesicherheit maßgeblich erhöht.
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Vorteilhafterweise umfasst des Weiteren die Steuereinrichtung eine erste Steuereinrichtung zur Variation des veränderbaren Widerstandes entsprechend des Messsignales und eine zweite Steuereinrichtung, die aktiv wird, wenn die Versorgungsspannung den Grenzwert übersteigt. Auch diese Maßnahme erhöht die Gerätesicherheit, da die für die Gerätesicherheit zuständige Steuereinrichtung nicht noch für andere Steuerungsaufgaben zur Verfügung stehen muss.
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Weiter vorteilhafterweise umfasst, der veränderbare Widerstand zwei veränderbare Widerstände, die parallel geschalten sind und unabhängig voneinander veränderbar sind. Auf diese Art und Weise kann der eine Widerstand zum Signalisieren der Messgröße und der andere Widerstand zur Verringerung der Betriebsspannung herangezogen werden. Auch dies trägt zur Gerätesicherheit bei.
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Weiter vorteilhafterweise ist schließlich der zweite veränderbare Widerstand für eine höhere Leistung als der erste veränderbare Widerstand ausgelegt und/oder außerhalb des Messwandlers angeordnet.
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Diese Maßnahme erlaubt es eine relativ genaue einstellbare Stromsenke zur Signalisierung des Messsignales und eine Stromsenke mit einer höheren zulässigen Verlustleistung zur Verringerung der Betriebsspannung heranzuziehen. Bei Umsetzung der Stromsenke über einen Transistor mit höherer zulässiger Verlustleistung tritt auch eine geringere Erwärmung auf, was von erheblichem Vorteil ist. Ist dieser veränderbare Widerstand dennoch noch vom Messwandler beabstandet oder außerhalb des Messwandler angeordnet bleibt der Messwandler völlig von jeglicher Erwärmung verschont.
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Vorteilhafter Weise ist die Stromsenke durch veränderbare Widerstände, Transistoren realisiert.
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Eine solche steuerbare Stromsenke weist im allgemeinen einen Transistor auf, dessen Widerstand über einen Basisanschluss leicht über eine Steuereinrichtung sehr schnell und sehr genau einstellbar ist. Eine solche Stromsenke ist verschleißfrei und kann weitgehend so gesteuert werden, dass eine Überhitzung unterbleibt.
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Weiter vorteilhafter Weise erhöht die Steuereinrichtung den veränderbaren Widerstand sobald die Versorgungsspannung wieder ausreichend niedrig ist. Häufig ist die Ursache für das Auftreten einer Überspannung lediglich temporär existent. Sobald der Messwandler erkennt, dass die Versorgungsspannung wieder ausreichend niedrig ist, kann er den veränderbaren Widerstand wieder erhöhen, so dass verzögerungsfrei wieder ein regulärer Betrieb des Messwandlers möglich ist.
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Der Messwandler kann die Versorgungsspannung mehr oder weniger kontinuierlich ermitteln und den veränderbaren Widerstand entsprechend einstellen.
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Er kann diese Überprüfung der Versorgungsspannung aber auch zu genau vorbestimmten Zeitpunkten durchführen. In diesem Fall ist dann die Einstellung des veränderbaren Widerstands entsprechend einer Zuordnungstabelle hilfreich, da auf eine große Veränderung der Versorgungsspannung mit einer entsprechend großen Veränderung des Widerstandes zu reagieren ist, um rechtzeitig eine Gefährdung des Messwandlers auszuschließen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messwandlers.
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Die 2 zeigt vorteilhafte Weiterbildungen des in der 1 gezeigten Messwandlers.
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In der 1 bezeichnet 1 eine Erfassungseinrichtung, 2 eine Steuereinrichtung, 3 einen Messwandler, 4 einen Sensor, 5 ein Versorgungsgerät, 6 eine Spannungsquelle, 7 eine Versorgungsleitung, V1 eine Versorgungsspannung, V2 eine Betriebsspannung, R1 einen veränderbaren Widerstand, R2 einen Versorgungswiderstand, S ein Messsignal.
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Das Versorgungsgerät 5 weist die Spannungsquelle 6 auf und ist über eine Versorgungsleitung 7 und über den Versorgungswiderstand R2 (die Stromschleifenbürde) mit dem Messwandler 3 verbunden. Die Wahl des Widerstandswertes R2 hängt z. B. von der Länge der Versorgungsleitung sowie von den gewünschten Spannungsverhältnissen zwischen V1 und V2 ab. Vorzugsweise wird er im Bereich von 200 bis 1.500 Ohm gewählt. Die Versorgungsspannung V1 ist so zu wählen, dass sich am Eingang des Messwandlers 3 die gewünschte Betriebsspannung V2 einstellt.
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Die Versorgungsleitung 7 kann einige Meter lang sein, sie kann aber auch einige hundert Meter lang sein, je nach Größe des Prozessfeldes, in dem der Messwandler 3 zum Einsatz kommt. Bei einer langen Versorgungsleitung 7 ist der Versorgungswiderstand R2 kleiner zu wählen, als bei einer kurzen Versorgungsleitung 7.
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Der Messwandler 3 hat eine Betriebsspannung V2 von beispielsweise 24 Volt. Der vorbestimmte Grenzwert liegt dann beispielsweise bei 30 Volt. Bei dem Messwandler 3 gemäß 1 sei bis zu einem Grenzwert von 30 Volt ein fehlerfreier Betrieb möglich.
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Der Sensor 4 kann beispielsweise zur Ermittlung des Drucks oder zur Ermittlung der Temperatur oder aber auch zur Ermittlung jeder anderen beliebigen Messgröße vorgesehen sein und ist mit der Erfassungseinrichtung 1 verbunden. Die Erfassungseinrichtung 1 erzeugt ein Messsignal S, das der mittels dem Sensor 4 erfassten Messgröße entspricht. Dieses Messsignal S wird der Steuereinrichtung 2 zugeführt.
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Gleichzeitig ermittelt die Erfassungseinrichtung 1 auch die Höhe der Betriebsspannung V2. Übersteigt diese Betriebsspannung V2 den vorbestimmten Grenzwert, teilt sie dies der Steuereinrichtung 2 mit, die den veränderbaren Widerstand R1 dann verringert.
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Der Widerstand R1 liegt in Reihe zum Versorgungswiderstand R2. An dieser Reihenschaltung liegt die Versorgungsspannung V1 an. Steigt durch irgendeinen Umstand nun die Betriebsspannung V2 über den vorbestimmten Grenzwert an, so kann durch eine Reduktion des Widerstandes R1 die Betriebsspannung V2 entsprechend reduziert werden. Durch die Reduktion des Widerstandes des veränderbaren Widerstandes R1 wird der Spannungsabfall am Versorgungswiderstand R2 höher.
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Als veränderbarer Widerstand R1 kann beispielsweise ein Transistor Verwendung finden, der von der Steuereinrichtung 2 entsprechend der erfassten Betriebsspannung V2 gesteuert wird.
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In Alternative zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann die Erfassungseinrichtung und die Steuereinrichtung in einer einzigen Einrichtung zusammengefasst werden.
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Die 2 zeigt über die in der 1 gezeigten Elemente hinaus einen Spannungserzeuger 10, eine erste Erfassungseinrichtung 11, eine zweite Erfassungseinrichtung 12, eine erste Steuereinrichtung 21, eine zweite Steuereinrichtung 22, ein erstes Messsignal S1, ein zweites Messsignal S2, eine Komponentenspannung V3, eine Teilerspannung V4, einen ersten veränderbaren Widerstand R11, einen zweiten veränderbaren Widerstand R12, einen ersten Teilerwiderstand R3, einen zweiten Teilerwiderstand 4 und einen Messwiderstand R5.
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Gleiche Teile wie in der 1 haben im wesentlichen dieselbe Funktion. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher vor allem auf die zusätzlichen Elemente.
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Nicht in der 2 gezeigt ist das Versorgungsgerät 5 sowie der Versorgungswiderstand R2, die aber identisch zu dem in der Figur gezeigten 1 sind.
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In der 2 umfasst die Erfassungseinrichtung 1 die erste Erfassungseinrichtung 11 und die zweite Erfassungseinrichtung 12, die Steuereinrichtung 2, die erste Steuereinrichtung 21 und die zweite Steuereinrichtung 22 und der veränderbare Widerstand R1, den ersten veränderbaren Widerstand R11 und den zweiten veränderbaren Widerstand R12.
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Am Anschlusspunkt der Versorgungsleitung 7 sind der erste Teilerwiderstand R3, der zweite Teilerwiderstand R4 und der Messwiderstand R5 in Reihe geschaltet. Der Messwiderstand R5 ist verhältnismäßig niedrig. Er dient zur Erfassung des Schleifenstroms. Sein Spannungswert, der zum Schleifenstrom proportional ist, wird der zweiten Erfassungseinrichtung 12 zugeführt.
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Der erste Teilerwiderstand R3 und der zweite Teilerwiderstand R4 sind hochohmig ausgeführt. Sie dienen zum Teilen der Betriebsspannung V2. Die Teilerspannung V4 ist daher proportional zur Betriebsspannung V2 und wird mittels der ersten Erfassungseinrichtung 11 erfasst.
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Die erste Erfassungseinrichtung 11 erzeugt ein erstes Messsignal S1, das der ersten Steuereinrichtung 21 zugeführt wird, die ein entsprechendes Stellsignal für den ersten veränderbaren Widerstand R11 erzeugt.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1, dient diese Vorgehensweise zur Verringerung der Betriebsspannung V2, wenn diese über den vorbestimmten Grenzwert ansteigt.
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Der erste und der zweite veränderbare Widerstand R11, R12 sind zueinander parallel geschaltet. Diese Parallelschaltung ist zum Spannungserzeuger 10 in Reihe geschaltet. Der Spannungserzeuger 10 ist derart aufgebaut, dass er aus dem Schleifenstrom eine Komponentenspannung V3 erzeugt. Diese Komponentenspannung dient zum Betrieb der Erfassungseinrichtung 1, und der Steuereinrichtung 2 und falls es sich bei dem Sensor 4 um einen aktiven Sensor handelt, auch zur Erzeugung der Versorgungsspannung für den Sensor 4, sowie weiterer, nicht gezeigter Komponenten des Messwandlers 3.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 arbeitet die zweite Erfassungseinrichtung 12 unabhängig von der ersten Erfassungseinrichtung 11 und erzeugt ein zweites Messsignal S2 entsprechend der mittels dem Sensor 4 erfassten Messgröße.
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Die zweite Steuereinrichtung 22 steuert den Strom durch den zweiten veränderbaren Widerstand R12 entsprechend der erfassten Messgröße. Der durch den Messwandler fließende Schleifenstrom ist somit in einem vorbestimmten Bereich von beispielsweise 4 bis 20 Milliampere proportional zu der erfassten Messgröße.
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Der erste veränderbare Widerstand R11 und der zweite veränderbare Widerstand R12 sind beide als Transistoren ausgeführt und bilden jeweils eine Stromsenke, die von der Steuereinrichtung 2 entsprechend gesteuert wird.
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Der erste veränderbare Widerstand R12 kann derselbe sein, wie der zweite veränderbare Widerstand R12.
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Da der erste veränderbare Widerstand mit einer höheren Betriebsspannung arbeitet als der zweite veränderbare Widerstand ist er vorzugsweise mit einer höheren Verlustleistung als der zweite veränderbare Widerstand R12 gewählt. Dies verhindert oder verringert eine Erwärmung des ersten Widerstands. Der erste veränderbare Widerstand R12 kann auch im Bereich des Messwandlers, aber außerhalb desselben angeordnet sein, um eine Erwärmung des Messwandlers noch besser auszuschließen.
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Der zweite veränderbare Widerstand R12 kann dann unbeeinflusst vom ersten veränderbaren Widerstand R11 den Schleifenstrom innerhalb des zulässigen Bereiches der Versorgungsspannung sehr genau einstellen. Vorzugsweise ist der erste veränderbare Widerstand R12 sehr hochohmig, solange sich die Betriebsspannung V2 innerhalb des zulässigen Bereiches befindet.
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Nicht gezeigt in der 2 ist eine Kommunikationseinrichtung des Messwandlers 3, die nach einer Hartspezifikation mit dem Versorgungsgerät 5 oder jedem anderen Terminal kommunizieren kann, das nach der Hartspezifikation arbeitet.
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Die Erfassungseinrichtung 1 kann digital oder analog arbeiten. Dies gilt für beide Teile der Erfassungseinrichtung.
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Wenn die erste Erfassungseinrichtung analog arbeitet, kann sie einen Komparator umfassen, der die Teilerspannung V4 mit einem entsprechend verringerten Grenzwert vergleicht und das Vergleichsergebnis als erstes Messsignal S1 ausgibt.
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Ist die erste Erfassungseinrichtung 11 digital ausgeführt, umfasst sie einen analog-digital Wandler, der einem Mikrocomputer das entsprechende Messergebnis in digitaler Form zuführt. In der ebenfalls nicht gezeigten Speichereinrichtung des nicht gezeigten Mikrocomputers befindet sich dann ein digital abgelegter Grenzwert, den der Mikrocomputer mit dem Messwert vergleicht, um dann die Steuereinrichtung geeignet anzusprechen.
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Insbesondere bei einer digitalen Ausführung der Erfassungseinrichtung bietet es sich an, dass der Mikrocomputer nicht nur die Aufgaben der Erfassungseinrichtung, sondern auch die Aufgaben der Steuereinrichtung übernimmt. In diesem Fall ist dann die Erfassungseinrichtung 1 und die Steuereinrichtung 2 als eine Komponente zu sehen.
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In Abwandlung der 2 kann auch nur eine oder zwei der Komponenten-Erfassungseinrichtung 1, Steuereinrichtung 2 oder veränderbarer Widerstand R1 doppelt ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19905071 A1 [0002, 0003]
- EP 0719417 B1 [0004]
