DE102010040833A1

DE102010040833A1 - Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe

Info

Publication number: DE102010040833A1
Application number: DE102010040833A
Authority: DE
Inventors: Roland Grozinger; Detlef Ramin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-15
Also published as: CN103250034B; EP2616781A2; US9450399B2; CN103250034A; WO2012034796A2; US20130250460A1; WO2012034796A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zeitgesteuerte Crowbar (11), die so ausgestaltet ist, dass sie die Einschaltdauer (t) der zumindest einen nachgeschalteten elektronischen Komponente (12) und die Periodendauer (T) der Taktung und damit die Leistungszufuhr derart überwacht, dass eine in dem explosionsgefährdeten Bereich vorgegebene maximal zulässige Oberflächentemperatur der zumindest einen nachgeschalteten Komponente (12) nicht überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe, die über zumindest eine Versorgungsleitung mit zumindest einer in einem explosionsgefährdeten Bereich nachgeschalteten Komponente verbunden ist und diese schützt, indem sie die Leistungszufuhr über die Versorgungsleitung in Abhängigkeit von der in dem explosionsgefährdeten Bereich geforderten Zündschutzart überwacht, wobei die zumindest eine nachgeschaltete Komponente derart getaktet betrieben wird, dass ihre Einschaltdauer kleiner ist als die Periodendauer der Taktung.
Insbesondere im Bereich der Automatisierungstechnik, sowohl der Fabrik- als auch der Prozessautomatisierungstechnik, spielt die Zündschutzart eines in einem explosionsgefährdeten. Bereich eingesetzten Geräts eine wichtige Rolle. Die Zündschutzart soll das Risiko ausschalten, dass in einer explosionsfähigen bzw. explosionsgefährdeten Atmosphäre eine Zündquelle auftritt, die eine Explosion auslösen kann. Bei den in der Mess- und Automatisierungstechnik verwendeten Zündschutzarten wird entweder das Vorhandensein der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert, z. B. indem das Gerät durch eine Kapselung oder einen Verguss geschützt ist, oder aber das Auftreten von Zündquellen wird prinzipiell unterbunden.
Eine in der Automatisierungstechnik, insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie, äußerst wichtige Zündschutzart ist die Zündschutzart Ex-i. Geräte mit der Zündschutzart Ex-i sind eigensicher ausgestaltet, d. h. aufgrund von speziellen Konstruktionsprinzipien ist bei Ihnen sichergestellt, dass selbst im Fehlerfall nicht die Gefahr einer Explosion in einer explosionsfähigen Atmosphäre besteht. In eigensicheren Geräten sind der zugeführte Strom und die angelegte Spannung und damit die zugeführte Leistung so gering bemessen, dass eine Funkenbildung beim Schalten oder bei einem Kurzschluss nicht für die Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre ausreicht. Die Vorteile von eigensicheren Geräte sind darin zu sehen, dass hier aufwändige Gehäusekonstruktionen entfallen und Wartungsarbeiten auch während des laufenden Betriebs durchgeführt werden können.
Es ist eine Besonderheit der Zündschutzart Ex i ist, dass hier der Ex-Schutz in der Regel außerhalb des Ex-Bereichs realisiert. Insbesondere werden die in den Ex-Bereich führenden Leitungen durch sog. Ex-Barrieren gesichert. Die Ex-Barrieren begrenzen Strom und Spannung und sind so bemessen, dass der Stromkreis nicht zündfähig ist und die zu schützende nachgeschaltete Komponente nur mit einer geeignet begrenzten Leistung versorgt werden.
Bei eigensicheren Geräten muss darüber hinaus sichergestellt sein, dass die Oberflächentemperatur der mit der explosionsfähigen Atmosphäre in Kontakt kommenden Komponenten auf vorgegebene Maximalwerte begrenzt ist. Für eine Elektronik bedeutet dies, dass die Oberflächentemperatur der einzelnen Komponenten oder – wenn die Elektronik vergossen ist – die Oberflächentemperatur der vergossenen Elektronik begrenzt ist. Um dieser Forderung Genüge zu tun, wird bislang die Leistung einzelner Komponenten oder auch einzelner Gebiete, zu denen mehrere Komponenten zusammengefasst sein können, begrenzt. Darüber hinaus sind benachbarte Komponenten oder Gebiete voneinander beabstandet, wobei der Abstand zwischen den Komponenten und/oder Gebieten so bemessen ist, dass eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen ist. Die Begrenzung der Oberflächentemperatur wird durch entsprechend abgestimmte Vor- oder Begrenzungswiderstände gewährleistet.
Die zuvor beschriebene Art der Begrenzung der Oberflächentemperatur hat den prinzipiellen Nachteil, dass die Leistung in Abhängigkeit von den Vor- oder Begrenzungswiderständen von einzelnen Komponenten oder Gebieten stark begrenzt werden muss. Daher ist es nicht möglich, unter der Zündschutzart Ex-i Komponenten mit großem Vor- oder Begrenzungswiderstand bei hohem Leistungsbedarf zu betreiben.
Bei den bekannten Lösungen ist das gleiche Problem gegeben, wenn das eigensichere Gerät, insbesondere also ein Feldgerät, getaktet betrieben wird. Taktung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Einschaltdauer kleiner ist als die Periodendauer der Taktung. Bei einer getaktet betriebenen Komponente ist es möglich, die mittlere Leistungsaufnahme des Geräts für die Berechnung der Oberflächentemperatur heranzuziehen. Die mittlere Leistung P_AV errechnet sich zu P_AV = P_max·(Einschaltdauer/Periodendauer) + P* und ist damit über das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer regulierbar. In der Formel kennzeichnet P* die Summe der Leistungen ist, die über weitere Verbindungsleitungen, wie Signal-, Steuer- und Kommunikations-leitungen übertragen werden. Der entsprechende Sachverhalt ist in den Figuren 2a und 2b dargestellt. Konkret gibt die Taktung also die Möglichkeit, auch sehr hohe Energiemengen in den Ex-Bereich zu übertragen, wenn das Verhältnis von Einschaltdauer und Periodendauer entsprechend ausgelegt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe vorzugschlagen, die eine korrekte Leistungsübertragung in den explosionsgefährdeten Bereich sicherstellt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass es sich bei der elektrischen oder elektronischen Sicherheitsbaugruppe um zumindest eine zeitgesteuerte Crowbar bzw. einen zeitgesteuerter Kurzschlussschalter handelt, wobei die Crowbar so ausgestaltet ist, dass sie die Einschaltdauer der zumindest einen nachgeschalteten elektronischen Komponente und die Periodendauer der Taktung und damit die Leistungszufuhr derart überwacht, dass eine in dem explosionsgefährdeten Bereich vorgegebene maximal zulässige Oberflächentemperatur der zumindest einen nachgeschalteten Komponente nicht überschritten wird.
Erfindungsgemäß erfolgt also eine sicherheitstechnische Überwachung von vorgegebener Einschaltdauer zu vorgegebener Periodendauer der nachgeschalteten getaktet betriebenen Komponente. Hierzu wird eine zeitgesteuerte Crowbar verwendet.
Da gemäß der erfindungsgemäßen Lösung nicht mehr eine Spannungs- und Stromüberwachung für die kontrollierte Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich durchgeführt wird, sondern da erfindungsgemäß die Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Einschaltdauer bzw. einer vorgegebenen minimalen Periodendauer überwacht wird, ist es möglich, kurzzeitig eine erhöhte Leistung in den explosionsgefährdeten Bereich zu übertragen. Da die Crowbar die Einhaltung beider Zeitdauern überwacht, ist die Gefahr ausgeschlossen, dass im Fehlerfall eine maximale Oberflächentemperatur der überwachten nachgeschalteten Komponente überschritten wird. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die nachgeschaltete Komponente relativ langsam auf einen Temperatursprung reagiert, wenn also die nachgeschaltete Komponente eine relativ hohe thermische Trägheit aufweist. Hierdurch wird garantiert, dass eine kurzzeitig gesteigerte Leistungsübertragung in den explosionsgefährdeten Bereich möglich ist, ohne dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur überschritten wird. Der mit der Leistungszufuhr einhergehende Verlauf der Oberflächentemperatur ist übrigens in Figur 2c visualisiert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass eine kurzzeitig erhöhte Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich erfolgen kann. Kurzzeitig bedeutet hierbei, dass das Verhältnis von Einschaltdauer und Periodendauer so bemessen ist, dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur der nachgeschalteten Komponente nicht überschritten wird. Die Einhaltung von Einschaltdauer und Periodendauer wird über die zeitgesteuerte Crowbar garantiert. So benötigen beispielsweise die nachfolgend noch näher beschriebenen Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte kurzzeitig für den Betrieb 1 Watt. Mit der zeitüberwachten getakteten EnergeLeistungsversorgung können diese hohen Leistungen auch im explosionsgefährdeten Bereich zur Verfügung gestellt werden. Bei Feldgeräten, die eine weniger hohe Betriebsenergie benötigen kann über die erfindungsgemäße Lösung die Messrate und damit die Messgenauigkeit erhöht werden. Je höher weiterhin die thermische Trägheit der nachgeschalteten Komponente – mit oder ohne Verguss – ist, umso höher kann die gepulste Leistungszufuhr ausfallen.
Folgende Voraussetzungen sind im Hinblick auf die Erfindung zu beachten:

a) Die thermische Trägheit der nachgeschalteten Komponente oder des nachgeschalteten Gebiets muss durch geeignete Temperaturmessungen in einem Typtest nachgewiesen werden. Hierbei darf sich einerseits die Oberflächentemperatur der nachgeschalteten Komponente bzw. des nachgeschalteten Gebiets während der Einschaltdauer nur geringfügig erhöhen; andererseits darf die maximale zulässige Oberflächentemperatur der nachgeschalteten Komponente bzw. des nachgeschalteten Gebiets nicht überschritten werden.
b) Die Überwachung von Einschaltdauer und Periodendauer wird durch zumindest eine zeitgesteuerte Crowbar bzw. einen zeitgesteuerten Kurzschlussschalter sichergestellt. Erfindungsgemäß wird sichergestellt, dass auch bei Auftreten eines Fehlerfalls bei der Taktung, z. B. verursacht durch den Mikroprozessor, die erlaubte Oberflächentemperatur im Mittel nicht überschritten wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine externe Steuereinheit vorgesehen, die die über die zumindest eine Versorgungsleitung übertragene und von der zumindest einen zeitgesteuerten Crowbar überwachte Leistungszufuhr derart steuert, dass die Einschaltdauer der nachgeschalteten Komponente maximal ist, während die Periodendauer minimal ist. Hierbei ist die zeitgesteuerte Crowbar nicht aktiv, so dass die Leistungszufuhr nicht abschaltet wird. Erst im Fehlerfall, wenn die maximal erlaubte Einschaltdauer überschritten wird, macht die Crowbar einen Kurzschluss und verhindert so die Zufuhr einer eine Explosion auslösenden Leistung in den explosionsgefährdeten Bereich. Die Crowbar kann sowohl reversibel als auch irreversibel ausgestaltet sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Auftreten eines Fehlerfalls von der Steuereinheit registriert wird. Nachfolgend wird eine Fehlermeldung generiert, die z. B. dem Bedienpersonal angezeigt wird.
Insbesondere handelt es sich bei der Crowbar um eine Sicherheitsbaugruppe, die so ausgelegt ist, dass sie zur Begrenzung eines eigensicheren Stromkreises einschließlich der höchsten Zündschutzart, z. B. der Zündschutzart Ex ia, dient.
Im Zusammenhang mit dem Zuvorgesagten wird es darüber hinaus als vorteilhaft oder notwendig angesehen, wenn die Crowbar mehrfach redundant ausgestaltet ist, wobei die Anzahl der redundanten Crowbars pro Versorgungsleitung in Abhängigkeit von der in dem explosionsgefährdeten Bereich geltenden Zündschutzart zu wählen ist. Bei hohen Sicherheitsanforderungen ist üblicherweise eine dreifache Redundanz pro zu sichernder Leitung vorgesehen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sicherheitsbaugruppe bzw. der erfindungsgemäßen zeitgesteuerten Crowbar sieht vor, dass die Crowbar einen Transistor oder einen Thyristor aufweist, der die Eigenschaft besitzt, dass er bei einer Spannung über Gate und Source gleich Null zwischen Drain und Source niederohmig ist. Damit ist der Leistungsverbrauch der Crowbar außerhalb des Fehlerfalls sehr gering. Als besonders wichtig wird es erachtet, dass die Schaltung auch bei kleiner Betriebsspannung den sicheren Zustand einnehmen kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass die überwachte nachgeschaltete Komponente bzw. die überwachten nachgeschalteten Komponenten einem Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße zugeordnet ist. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah in einer Fabrik- oder Prozessanlage eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Die erfindungsgemäße Lösung ist darüber hinaus auch für die Sicherung der Leistungszufuhr in einen explosionsgefährdeten Bereich bei volldigitalen Mobilfunk-Übertragungen bestens geeignet. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang explizit der häufig verwendete Standard GSM-Global System for Mobile Communications. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung generell angewendet werden kann, wenn ein getakteter Betrieb einer Komponente in einem explosionsgefährdeten Bereich vorliegt.
Als besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Lösung in Verbindung mit einem Mikrowellen-Radar-Messgerät angesehen. Bekannte Füllstandsmessgeräte arbeiten nach einem Laufzeitverfahren. Laufzeitverfahren nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal, und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. der digitalisierten Hüllkurve bestimmt, wobei die Hüllkurve die Amplituden der Echosignale als Funktion des Abstandes 'Antenne – Oberfläche des Füllguts' wiedergibt. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne zum Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts zur Antenne.
Es können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Messsignale zu bestimmen. Handelt es sich bei den Messsignalen um Mikrowellen, so kann sowohl das Pulsradar als auch das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar) zum Einsatz kommen. Mikrowellenmessgeräte, die Pulsradar verwenden, werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung 'MICROPILOT' vertrieben. Ein Gerätetyp, der mit Ultraschallsignalen arbeitet, wird von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung 'PROSONIC' angeboten. In der 1 ist ein Füllstandsmessgerät im Einsatz dargestellt.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass das Mikrowellen-Radar-Messgerät eine Antenneneinheit, ein Hochfrequenzmodul und eine Sensorelektronik aufweist, wobei das Hochfrequenzmodul die hochfrequenten Messsignale erzeugt, wobei über die Antenneneinheit die hochfrequenten Messsignale ausgesendet bzw. die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten hochfrequenten Messsignale empfangen werden, und wobei die Sensorelektronik anhand der Laufzeitdifferenz zwischen den ausgesendeten und den empfangenen hochfrequenten Messsignalen den Füllstand des Füllguts in dem Behälter ermittelt.
Hierbei sind die Sensorelektronik und das Hochfrequenzmodul voneinander beabstandet, wobei die Energieübertragung von der Sensorelektronik zu dem Hochfrequenzmodul über die zumindest eine Versorgungsleitung erfolgt. Die Kommunikationsdaten zwischen der Sensorelektronik und dem Hochfrequenzmodul werden über zumindest eine Signalleitung überfragen. Hierbei ist die Sensorelektronik eigensicher ausgestaltet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts sieht vor, dass die zumindest eine Versorgungsleitung über zumindest eine gesteuerte Crowbar bzw. über zumindest einen gesteuerten Kurzschlussschalter gesichert ist, während die weiterhin vorhandenen Signalleitungen und ggf. weitere Übertragungsleitungen über in die Signal- und Übertragungsleitungen geschaltete Widerstände hinsichtlich einer maximalen Leitungszufuhr begrenzt sind. Hierbei ist sicherzustellen, dass die maximal erlaubte, mittlere Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich so bemessen ist, dass die Kriterien für die vorgegebene Zündschutzart erfüllt sind.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Füllstandsmessgeräts,
2a: den Verlauf der Betriebsspannung auf den Versorgungsleitungen 8 aus 3,
2b: einem dem Verlauf der Betriebsspannung (2a) entsprechenden Leistungsverlauf,
2c: ein typischer Verlauf der Oberflächentemperatur des in 3 gezeigten Bauelements 13,
3: eine schematische Darstellung der Sicherheitsbaugruppe, wobei pro Versorgungsleitung jeweils ein erfindungsgemäßer zeitgesteuerter Crowbar eingesetzt wird, und
4: ein Blocksschaltbild eines erfindungsgemäßen zeitgesteuerten Crowbars.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandsmessgeräts 6, bei dem die erfindungsgemäße Lösung bevorzugt zum Einsatz kommt. In dem Behälter 1 ist das Füllgut 2 gelagert Der Füllstand des Füllguts 2 in dem Behälter 1 wird mittels des Füllstandsmessgeräts 6 über ein Laufzeitverfahren ermittelt. Im gezeigten Fall ist die Antenneneinheit 10 mit Signalerzeugungs-, Sende- und Empfangseinheit räumlich von der Regel-/Auswerteeinheit 9 abgesetzt. Der Datenaustausch und die Stromversorgung zwischen dem die Signale erzeugenden Hochfrequenzmodul 12 und der Sensorelektronik 9 erfolgt über die Verbindungsleitungen 7, 8. Es versteht sich von selbst, dass in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung als Füllstandsmessgerät 6 auch ein Kompaktgerät eingesetzt werden kann.
Die Antenneneinheit 10 ist in der Öffnung 5 im Deckel 4 des Behälters 1 montiert ist. Über die Antenneneinheit 10 werden Messsignale Tx, insbesondere Mikrowellen, in Richtung der Oberflächennormalen des Füllguts 2 abgestrahlt. Die reflektierten Echosignale Rx werden in der Antenneneinheit 10 empfangen. Anhand der Laufzeit der Messsignale Tx/Echosignale Rx ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit 9 u. a. den aktuellen Füllstand des Füllguts 2 in dem Behälter 1.
2a zeigt den Verlauf der getakteten Betriebsspannung Vst auf den Versorgungsleitungen 8 aus 3. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Einschaltdauer t nur einen Bruchteil der Periodendauer T beträgt. In 2b ist der dem Verlauf der Betriebsspannung aus 2a entsprechende Leistungsverlauf dargestellt. Die P_AV errechnet sich zu P_AV = P_max·(Einschaltdauer t/Periodendauer T) + P* Hierbei entspricht P* der Summe der Leistungen, die über die Signal-, Steuer- und Kommunikationsleitungen 7 übertragen werden. Dieser Sachverhalt ist in den Figuren 2a und 2b dargestellt.
2c zeigt den typischen Verlauf der Oberflächentemperatur T des in 3 gezeigten Bauelements 14. T_max kennzeichnet hierbei die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauelements 14 in dem explosionsgefährdeten Bereich. Die gestrichelte Linie kennzeichnet die mittlere Oberflächentemperatur, die durch die mittlere zulässige Leistung P_AV verursacht wird. Für die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils 14 wird die maximal zulässige elektrische Leistung P_AV und die durch die Crowbar 11 überwachte maximale Einschaltdauer t und die minimale Periodendauer T herangezogen. Die Crowbar 11 stellt die Einhaltung der vorbestimmten maximalen Einschaltdauer t bzw. der minimalen Periodendauer T sicher. Falls die der Sensorelektronik 9 zugeordnete Steuereinheit fehlerhaft die Einschaltdauer t zu lang bzw. die Periodendauer T zu kurz macht, verhindert die zeitgesteuerte Crowbar 11 durch einen Kurzschluss, dass die mittlere zulässige Leistung P_AV bzw. die erlaubte Oberflächentemperatur T_max in dem explosionsgefährdeten Bereich überschritten werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Leistungsbegrenzung, wobei jeweils ein erfindungsgemäßer zeitgesteuerter Crowbar 11 pro Versorgungsleitung 8 vorgesehen ist. Die Sensorelektronik 9 wird mit einer begrenzten Leistung P_max versorgt. Die Leistungsbegrenzung wird über entsprechende Widerstände im Klemmenmodul oder in einer vorgeschalteten, in der 3 nicht gesondert dargestellten Elektronik realisiert. Die Eigensicherheit der Schnittstelle 17 wird über die Widerstände 15 der Schnittstelle 17 gewährleistet. Neben den Versorgungsleitungen 8 sind zwischen der Sensorelektronik 9 und dem HF-Modul 12 sechs weitere Leitungen 7 vorgesehen. Die beiden oberen Leitungen 7 dienen zur Übermittlung des Hochfrequenzsignals HF und des Zwischenfrequenzsignals ZF. Bei den vier weiteren Leitungen 7 handelt es sich um Steuerleitungen. Die Widerstände 14 sind im Hinblick auf die Eigensicherheit entsprechend hochohmig ausgelegt.
Die in die beiden Versorgungsleitungen 8 geschalteten Crowbars 11 überwachen den zeitlichen Verlauf der Energieversorgung. Die Taktung selbst, d. h. das Verhältnis von Einschaltdauer t zu Periodendauer T, wird durch die Steuereinheit 9 vorgegeben. Der Steuereinheit 9 ist eine Intelligenz, üblicherweise ein Mikroprozessor 16, zugeordnet. Die Crowbars 11 überwachen, dass das vorgegebene Verhältnis von Einschaltdauer t zu Periodendauer T eingehalten wird. Tritt ein Fehlerfall auf, und der Mikroprozessor 16 macht die Einschaltdauer t zu lang oder die Periodendauer T zu kurz, so schließt der entsprechende zeitgesteuerte Crowbar 11 die Versorgungsleitung 8 kurz. Durch den Kurzschluss wird die Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich gänzlich unterbrochen. Die Unterbrechung durch den Crowbar 11 kann reversibel oder irreversibel sein.
Anhand von 4 wird die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen zeitgesteuerten Crowbars 11 in der Versorgungsleitung 8 verdeutlicht. Die Energieübertragung erfolgt von einem explosionsgefährdeten Bereich C4 in einen explosionsgefährdeten Bereich C6. Über die Steuerspannung Vst – es handelt sich im gezeigten Fall um eine Rechteckspannung – wird unmittelbar vor dem Schließen des Schalters S die Crowbar 11 für die Einschaltdauer t der nachgeschalteten Komponenten 12 hochohmig geschaltet. Die maximale Leistung, die in den Bereich C6 übertragen wird, errechnet sich mit einem Begrenzungswiderstand Rbeg. = 5 Ohm, einer Einschaltdauer von t = 2 ms und einer Periodendauer T = 200 mittels nachfolgender Formel zu 22,5 mW.
Mit einem Begrenzungswiderstand von 5 Ohm hätte die in den explosionsgefährdeten Bereich C6 ohne die zeitliche Einschaltbegrenzung nur 2,25 mW betragen. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es daher möglich, die in den explosionsgefährdeten Bereich übertragene Leistung erheblich zu steigern.
Unter den Randbedingungen, dass die Bauteile – mit oder ohne Verguss – eine genügend hohe thermische Trägheit aufweisen und dass die Einschaltdauer t zur Periodendauer T über einen Crowbar 11 sicherheitstechnisch überwacht wird, ist es erfindungsgemäß möglich, Bauteilen kurzzeitig eine hohe Leistung zuzuführen, ohne dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur überschritten wird.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Crowbars 11 beschrieben: Bei dem Transistor V handelt es sich im gezeigten Fall um einen N-Kanal Depletion-Mosfet. Depletion Mosfets haben die Eigenschaft, dass für den Fall, dass die Verbindung zwischen Gate G und Source S Null ist, die spannung zwischen Drain D und Source S niederohmig sind. Mit dieser Eigenschaft ist sichergestellt, dass die Crowbar 11 bis hin zu kleinsten Betriebsspannungen immer den sicheren Zustand einnehmen kann.
Solange sich die Crowbar 11 im niederohmigen Zustand befindet, ist die Steuerspannung Vst im HIGH-Zustand und der Kondensator C lädt sich über die Widerstände R1 und R2 auf die HIGH-Spannung auf. Um für die Einschaltdauer t in den hochohmigen Zustand zu wechseln, wird die Steuerspannung Vst auf Null bzw. LOW (= 0 V) geschaltet. An das Gate G des Transistors V wird dann über die Diode D an den Kondensator C eine negative Spannung in Höhe der HIGH-Spannung abzüglich der Schwellspannung der Diode D angelegt. Der Transistor V befindet sich im hochohmigen Zustand, und zwar solange, bis entweder die Steuerspannung Vst wieder in den HIGH-Zustand zurückwechselt, oder bis sich der Kondensator C über den Widerstand R2 unter die Schwellspannung des Transistors V entladen hat. Dieser Zustand entspricht einem sicheren Zustand für den Fall, dass die durch die Steuereinheit 16 geschaltete Einschaltdauer t die maximal erlaubte Einschaltdauer überschreitet. Da der Widerstand R1 wesentlich größer ist als der Widerstand R2, begrenzt er das Laden des Kondensators C und verhindert so eine zu kurze Periodendauer T. Somit ist auch sichergestellt, dass die Crowbar 11 anspricht, wenn die von der Steuereinheit geschaltete Periodendauer T die vorgegebene Periodendauer T unterschreitet.
Um sicherzustellen, dass die an die Sicherheitsbaugruppe gestellten Sicherheitsanforderungen auch noch dann gelten, wenn die in 4 im Detail dargestellte Crowbar 11 ausfällt, ist die Crowbar 11 redundant ausgeführt. Im gezeigten Fall ist die Sicherung über die Crowbars 11 dreifach redundant ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Füllgut
3: Oberfläche des Füllguts
4: Deckel
5: Öffnung
6: Füllstandsmessgerät/Feldgerät
7: Verbindungsleitung
8: Verbindungsleitung/Versorgungsleitung
9: Regel-/Auswerteeinheit/Sensorelektronik
10: Antenne
11: Crowbar
12: Nachgeschaltete Komponente/HF-Modul
13: Transistor
14: Widerstand/Widerstände für Leistungsbegrenzung
15: Widerstände für die Eigensicherheit der Schnittstelle
16: Mikroprozessor
17: Schnittstelle

Claims

Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe (11), die über zumindest eine Versorgungsleitung (8) mit zumindest einer in einem explosionsgefährdeten Bereich nachgeschalteten Komponente (12) verbunden ist und diese schützt, indem sie die Leistungszufuhr über die Versorgungsleitung (8) in Abhängigkeit von der in dem explosionsgefährdeten Bereich geforderten Zündschutzart überwacht, wobei die zumindest eine nachgeschaltete Komponente (12) derart getaktet betrieben wird, dass ihre Einschaltdauer kleiner ist als die Periodendauer der Taktung, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrischen oder elektronischen Sicherheitsbaugruppe (11) um zumindest eine zeitgesteuerte Crowbar bzw. einen zeitgesteuerter Kurzschlussschalter handelt, wobei die Crowbar (11) so ausgestaltet ist, dass sie die Einschaltdauer der zumindest einen nachgeschalteten elektronischen Komponente (12) und die Periodendauer der Taktung und damit die Leistungszufuhr derart überwacht, dass eine in dem explosionsgefährdeten Bereich vorgegebene maximal zulässige Oberflächentemperatur der zumindest einen nachgeschalteten Komponente (12) nicht überschritten wird.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Steuereinheit (9) vorgesehen ist, die die über die zumindest eine Versorgungsleitung (8) übertragene und von der zumindest einen zeitgesteuerten Crowbar (11) überwachte Leistungszufuhr derart steuert, dass die Einschaltdauer der nachgeschalteten Komponente (12) maximal ist, während die Periodendauer minimal ist, ohne dass die zeitgesteuerte Crowbar (11) aktiv ist und die Leistungszufuhr abschaltet.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, wobei es sich bei der Crowbar (11) um eine Sicherheitsbaugruppe handelt, die zur Begrenzung eines eigensicheren Stromkreises einschließlich der höchsten Zündschutzart, z. B. der Zündschutzart Ex ia, dient.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Crowbar (11) mehrfach redundant ausgestaltet ist, wobei die Anzahl der redundanten Crowbars (11) in Abhängigkeit von der in dem explosionsgefährdeten Bereich geltenden Zündschutzart gewählt ist.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Crowbar (11) einen Transistor (13) oder einen Thyristor aufweist, der die Eigenschaft besitzt, dass er bei einer Spannung über Gate (G) und Source (S) gleich Null zwischen Drain (D) und Source (S) niederohmig ist.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, wobei die überwachte nachgeschaltete Komponente (12) bzw. die nachgeschalteten überwachten Komponenten einem Feldgerät (6) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße zugeordnet ist.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Feldgerät (6) um ein Mikrowellen-Radar-Messgerät handelt, das insbesondere den Füllstand eines Füllguts (2) in einem Behälter (1) über ein Laufzeitverfahren ermittelt.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellen-Radar-Messgerät (6) eine Antenneneinheit (11), ein Hochfrequenzmodul (12) und eine Sensorelektronik (9) aufweist, wobei das Hochfrequenzmodul (die hochfrequenten Messsignale erzeugt, wobei über die Antenneneinheit (11) die hochfrequenten Messsignale ausgesendet bzw. die an der Oberfläche (3) des Füllguts (2) reflektierten hochfrequenten Messsignale empfangen werden, und wobei die Sensorelektronik (9) anhand der Laufzeitdifferenz zwischen den ausgesendeten und den empfangenen hochfrequenten Messsignalen den Füllstand des Füllguts (2) in dem Behälter (1) ermittelt.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektronik (9) und das Hochfrequenzmodul (12) voneinander beabstandet sind, dass die Energieübertragung von der Sensorelektronik (12) zu dem Hochfrequenzmodul (9) über die zumindest eine Versorgungsleitung (8) erfolgt, und dass Kommunikationsdaten zwischen der Sensorelektronik (9) und dem Hochfrequenzmodul (12) über zumindest eine Signalleitung (7) übertragen werden.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Sensorelektronik (9) eigensicher ausgestaltet ist.
Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Versorgungsleitung (8) über zumindest eine gesteuerte Crowbar (11) bzw. über zumindest einen gesteuerten Kurzschlussschalter gesichert ist, und dass vorhandene Signalleitungen (7) und ggf. weitere Übertragungsleitungen über in die Signal- und Übertragungsleitungen (7) geschaltete Widerstände (15) hinsichtlich einer maximalen Leitungszufuhr begrenzt sind, wobei die maximale Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich so bemessen ist, dass die Kriterien für die vorgegebene Zündschutzart erfüllt sind.