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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fehlerdetektion und / oder Identifizierung mindestens einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Fehlerdetektion und / oder Identifizierung mindestens einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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In der Sicherheitstechnik werden z.B. Sensorgeräte für die Detektion giftiger oder explosiver Gase verwendet. Dabei ist es durchaus üblich, dass ein Sensorgerät mit unterschiedlichen Sensorvorrichtungen – auch Messköpfe genannt – betreibbar ist. Das Sensorgerät muss in der Lage sein, automatisch zu erkennen, welche Sensorvorrichtung mit dem Sensorgerät gekoppelt ist. Auch müssen Funktions- und / oder Kontaktierungsfehler sicher erkannt werden. Die dafür notwendigen elektrischen Schaltungen sind sehr aufwändig.
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Es besteht daher die Aufgabe, Vorrichtungen und Verfahren der genannten Art zu schaffen, die schaltungstechnisch vereinfacht sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dabei weist ein Messmittel mindestens eine hochauflösende A/D Wandler-Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines elektrischen Signals an mindestens einer Kopplungsstelle für die mindestens eine Sensorvorrichtung auf. Die Signalerfassung erfolgt in der A/D Wandler-Vorrichtung, so dass eine aufwändige Beschaltung zur Signalerfassung entfallen kann. Die Verwendung eines hochauflösenden A/D Wandlers ermöglicht insbesondere auch die Erfassung sehr kleiner Spannungsänderungen im Mikrovoltbereich, ohne dass eine Verstärkung der Signale erforderlich ist.
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Damit ist es insbesondere möglich, Sensorvorrichtungen mit unterschiedlichen Betriebsparametern zu betreiben und deren Signale auszuwerten, ohne dass für die jeweilige Sensorvorrichtung spezifische Schaltungen (z.B. keine Messsignalverstärkung, keine Nullpunkteinstellung, keine Empfindlichkeitseinstellung, keine gesonderte Fehlererkennung) erforderlich sind. Dies führt zu verringertem Platzbedarf und geringeren Kosten. Außerdem muss keine Software an die jeweilige Sensorvorrichtung angepasst werden.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die A/D Wandler-Vorrichtung ein Auflösungsvermögen von mindestens 16 bit, insbesondere 24 bit aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das an der mindestens einen Kopplungsstelle erfasste elektrische Signal ein Spannungssignal oder ein Stromsignal.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine elektrische Energieversorgung gezielt ein elektrisches Signalprofil erzeugt, das an der mindestens einen Kopplungsstelle anliegt. Das Signalprofil kann z.B. beim Starten der Vorrichtung erzeugt werden, um den Typ der der Sensorvorrichtung zu bestimmen.
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Das Signalprofil kann z.B. eine Rampe, eine Stufe, einen frequenzabhängigen Anteil und / oder einen Anteil eines Sinussignals aufweisen. Anhand der von der A/D Wandler-Vorrichtung registrierten Antwort kann auf den Typ der Sensorvorrichtung geschlossen werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das erfasste elektrische Signal an der mindestens einen Kopplungsstelle von einer Datenverarbeitungsvorrichtung – insbesondere einem Mikrocontroller – mit einem voreingestellten Muster verglichen, wobei die mindestens eine Stromversorgung in Abhängigkeit des Vergleichs steuerbar ist. Wenn das Muster erkannt wurde, kann von der Stromversorgung die geeignete Stromversorgung sichergestellt werden. Wenn das Muster nicht erkannt wurde, kann ein anderes elektrisches Signalprofil erzeugt werden, um den Typ der Sensorvorrichtung zu erkennen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn auf Grund des erfassten elektrischen Signals eine automatische Erkennung des Typs der mindestens einen Sensorvorrichtung erfolgt.
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Für die Betriebssicherheit ist es von Vorteil, wenn bei einem Systemstart oder einem Wechsel der Sensorvorrichtung automatisch der obere und der untere Schwellenwert für einen Gutbereich festlegbar ist.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst, bei dem mittels einer hochauflösenden A/D Wandler-Vorrichtung mindestens ein elektrisches Signal an mindestens einer Kopplungsstelle für die mindestens eine Sensorvorrichtung erfasst wird.
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Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft in den folgenden Figuren dargestellt. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung;
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2 ein beispielhafter Prinzipschaltungsplan für eine Ausführungsform der Vorrichtung;
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3 eine prinzipielle Darstellung von Strom- und Spannungssignalen für die Erkennung von Sensorvorrichtungen;
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4 prinzipielle Darstellung von Gut- und Fehlerwerten.
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In 1 sind die Bestandteile einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Identifikation und / oder Fehlerdetektion einer Sensorvorrichtung 20 in schematischer Weise dargestellt.
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Die Sensorvorrichtung 20 ist hier über vier Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D mit einem Messmittel 10 gekoppelt. Die Kopplung kann u.a. durch ein Zusammenstecken erfolgen, so dass die Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D Anschlussklemmen umfassen. In alternativen Ausgestaltungen können auch weniger oder mehr als vier Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D verwendet werden.
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An den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D liegen elektrische Signale A an (siehe Einblendung in 1). Dabei können gleichartige oder unterschiedliche Spannungs- oder Stromsignale anliegen, die von dem Messmittel 10 erfassbar sind. Das Messmittel 10 weist in der dargestellten Ausführungsform eine hochauflösende A/D Wandler-Vorrichtung 13, eine Stromversorgung 12 und eine Datenverarbeitungsvorrichtung 14 auf.
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Die hochauflösende A/D Wandler-Vorrichtung 13 weist hier eine Auflösung von 24 bit auf. Alternativ können auch A/D Wandler anderer Bauart verwendet werden. Die A/D Wandler-Vorrichtung 13 dient zur Erfassung und Umwandlung der Messwerte, die von der Sensorvorrichtung 20 erfasst wurden.
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Mit der hochauflösenden A/D Wandler-Vorrichtung 13 werden in der dargestellten Ausführungsform die Spannungen an den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D gemessen (gestrichelte Datenleitungen in 1 zwischen der A/D Wandlervorrichtung 13 und den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D). Im Normalbetrieb liegt dort bei passiven Sensorvorrichtungen 22, 23, 24 z.B. jeweils eine Spannung von maximal 15 V an. Im Fehlerfall können bis zu 40 V anliegen.
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Im vorliegenden Fall wird die hochauflösende A/D Wandler-Vorrichtung 13 aber nicht nur zur Erfassung der eigentlichen Messwerte verwendet, sondern auch zur Auswertung der elektrischen Signale A, die an den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D anliegen und gemessen werden. Damit kann der Typ der Sensorvorrichtung 20 und / oder ein Fehler der Sensorvorrichtung 20 (z.B. Kabelkurzschluss, Kabelunterbrechung) erkannt werden, was im Zusammenhang mit 2 und 3 noch an Beispielen erläutert wird. Durch die Verwendung der hochauflösenden A/D Wandler-Vorrichtung 13 wird eine aufwändige Schaltung mit vielen Bauelementen eingespart.
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Die durch die Datenverarbeitungsvorrichtung 14 gesteuerte Stromversorgung 12 liefert hier (je nach Typ der Sensorvorrichtung 20) zwischen 50 und 450 mA oder eine Konstantspannung zwischen 22 und 28 V (durchgezogenen Linien in 1). Die Werte können je nach angeschlossener Sensorvorrichtung 20 variieren, da die Sensorvorrichtung 20 unterschiedlich auf die angelegten Spannungen und Ströme reagieren.
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Grundsätzlich kann die Stromversorgung 12 von bis zu drei unterschiedlichen Quellen gespeist werden, nämlich eine externe Spannungsquelle, eine interne Spannungsquelle und / oder eine Batterie. Gesteuert durch den Mikrocontroller der Datenverarbeitungsvorrichtung 14 kann die Stromversorgung eine Reihe von Funktionen erfüllen.
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So kann z.B. der Typ der Sensorvorrichtung 20 (d.h. des Messkopfes) ermittelt werden. Dazu wird während der Startphase oder während des Wechsels der Sensorvorrichtung 20 am Messmittel 10 die Spannungsversorgung oder die Stromversorgung und die Klemmenschaltung in geeigneter Weise gesteuert, so dass sich anhand der sich an den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D einstellenden Spannungs- bzw. Stromparametern der Typ der Sensorvorrichtung 21, 22, 23, 24 erkennen lässt.
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In 2 ist ein Prinzipschaltungsplan einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Auch hier wird eine A/D Wandler-Vorrichtung 13 verwendet (hier ein ADS 1258 der Firma Texas Instruments, Auflösungsvermögen 24 bit), die mit einer Stromversorgung 12 und einer Datenverarbeitungsvorrichtung 14 gekoppelt ist. Diese Einheiten sind Teil eines Messmittels 10, das in 2 durch die gestrichelte Linie umrandet ist.
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Die Schnittstelle zu den zu messenden Sensorvorrichtungen 21, 22, 23, 24 wird durch die Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D, 11E gebildet, d.h. es liegen hier fünf Anschlussklemmen vor.
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Die erste Sensorvorrichtung 21 ist eine aktive Sensorvorrichtung, die zweite, dritte und vierte Sensorvorrichtung sind passive Sensorvorrichtungen 22, 23, 24.
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Des Weiteren ist im Messmittel 10 noch eine Anpassungsschaltung 15 angeordnet (in 2 durch eine strichpunktierte Linie umrandet), mit der an den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D, 11E eingelesene elektrischen Signale A aufbereitet werden können. So sind die Leitungen von der ersten, zweiten, dritten und fünften Kopplungsstelle 11A, 11B, 11C, 11E mit der A/D Wandler-Vorrichtung 13 gekoppelt, die vierte Kopplungsstelle 11D ist mit der Masse verbunden. Im Normalbetrieb liegen an den vier Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11E Spannungen bis zu 15 V (z.B. für passive Sensorvorrichtungen 22, 23, 24) an. Die hier relevanten Spannungsbereiche für den Gutfall sind die Spannungswerte, die an einem Rack gemessen werden, was in 2 dargestellt ist.
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So können für die vier Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11E der dritten Sensorvorrichtung 23 folgende Gutbereiche angegeben werden: 4,0–10,2 V (erste Kopplungsstelle 11A), 4,8–15,5 V (zweite Kopplungsstelle 11B), 2,4–7,8 V (dritte Kopplungsstelle 11C) und 0,0–5,4 V (fünfte Kopplungsstelle 11E).
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Bei der vierten Sensorvorrichtung 24 sind dies: 2,4–7,8 V (erste Kopplungsstelle 11A), 2,4–13,2 V (zweite Kopplungsstelle 11B), 1,2–6,6 V (dritte Kopplungsstelle 11C), 0,0–5,4 V (fünfte Kopplungsstelle 11E).
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Werte außerhalb dieser Bänder werden als Fehler betrachtet, was im Zusammenhang mit der 4 noch näher beschrieben wird. Im Fehlerfall können Spannungen bis 40 V auftreten.
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Die Spannungswerte, die direkt an den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11E (d.h. am Rack, in 2 auch als Anschlussklemmen bezeichnet) gemessen werden, berücksichtigen auch die Widerstände der Kabelstrecken zwischen den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11E und den Sensormitteln 21, 22, 23, 24. Eine Abweichung von den Gutwerten kann z.B. auf einen Kurzschluss oder eine Leitungsstörung schließen lassen. In der 2 ist der nominelle Leitungswiderstand mit 18 Ohm angegeben.
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Drei der vier mit der A/D Wandler-Vorrichtung 13 verbundenen Kopplungsstellen 11A, 11C, 11E weisen ferner jeweils einen 4:1 Spannungsteiler 16 auf, mit dem die Messspannungen an den Messbereich (1 bis 5 V) der A/D Wandler-Vorrichtung 13 angepasst werden. Die Reihenwiderstände RS der Spannungsteiler 16 dienen im Fehlerfall oder bei einer Einkopplung von Spannungsspitzen (EMV-Fall) zusammen mit Ableitdioden, die in der A/D Wandler-Vorrichtung 13 angeordnet sind, der Begrenzung des Eingangsstroms für die A/D Wandler-Vorrichtung 13.
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Die Leitung der dritten Kopplungsstelle 11C ist mit einem abschaltbaren Stromteiler 16 versehen, um damit Spannungen im µV-Bereich direkt ohne Auflösungsverlust messen zu können.
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An die fünf Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D, 11E können unterschiedliche Sensorvorrichtungen 21, 22, 23, 24 angeschlossen werden, die in der 2 links abgebildet sind. Diese können jeweils alternativ mit dem Messmittel 10 gekoppelt werden. Die Funktion unterschiedlicher Sensorvorrichtungen wird in Zusammenhang mit der 3 beschrieben.
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In 3 mit Bezug auf 2 wird anhand von Beispielen dargestellt, wie eine Erkennung unterschiedlicher Sensorvorrichtungen 21, 22, 23, 24 erfolgt. Dazu werden gemessene elektrische Signale (in 1 mit „A“ bezeichnet) ausgewertet.
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Eine Spannung Uout wird von der Datenverarbeitungsvorrichtung 14 gesteuert und von der Stromversorgung 12 an die zweite Kopplungsstelle 11B angelegt. Die Spannung Uout ist ein zeitabhängiges Signal, bei dem zunächst eine Rampe gefahren wird, die dann in eine konstante Spannung übergeht. Alternativ können auch andere Signalprofile für die Spannung Uout verwendet werden, wie z.B. eine Stufe und / oder Sinusanteile. Auch kann ein Stromsignal als Signalprofil verwendet werden.
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In 3 sind vier unterschiedliche Stromsignale Iout dargestellt, die sich je nach Typ der Sensorvorrichtung 21, 22, 23, 24 in Abhängigkeit vom Signal Uout ergeben.
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Die erste Sensorvorrichtung 21 hat die Bezeichnung AKTIV 4–20 mA. Mit dieser ersten Sensorvorrichtung 21 können unterschiedliche Sensorelemente betrieben werden. Die erste Sensorvorrichtung 21 weist neben einem Sensorelement ein Elektronikmodul auf, das das Sensorelement versorgt und den Messwert in ein 4–20 mA Konstantstromsignal umwandelt, das über die erste Kopplungsstelle 11A von der AD Wandler-Vorrichtung 13 ausgewertet wird. Die Stromversorgung mit einer Konstantspannung erfolgt über die zweite Kopplungsstelle 11B.
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Das Signal Iout der ersten Sensorvorrichtung weist zwei Sprungantworten auf, was charakteristisch für diesen Typ von Sensorvorrichtung 21 ist, nämlich einer aktiven Sensorvorrichtung 21. Der Stromverlauf ist hier nicht proportional zum Spannungssignals Uout. Vielmehr liegt erst ab bestimmten Schwellenwerten ein bestimmtes Stromsignal an.
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Die zweite Sensorvorrichtung 22 hat die Bezeichnung HL81XX. Damit können toxische Gase, wie z.B. Kohlenmonoxid oder Schwefelwasserstoff, oder explosive Gase detektiert werden.
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Über die zweite Kopplungsstelle 11B wird die zweite Sensorvorrichtung 22 mit Konstantstrom versorgt. Das Sensorelement HL (ein aktiver, auf Gas reagierender Widerstand) wird durch die Stromversorgung auf Betriebstemperatur gebracht. Gase, die an das Sensorelement HL gelangen, verringern den Widerstand des Sensorelementes HL. Dies führt an der dritten Kopplungsstelle 11C zu einem Spannungsanstieg an dem Widerstand HL_M in der Anpassungsschaltung 15, die von der A/D Wandler-Vorrichtung 13 ausgewertet wird.
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Das erfasste Iout Signal der zweiten Sensorvorrichtung 22 weist eine ausgesprochen flache Rampe und einen sehr niedrigen Endwert auf.
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Die dritte Sensorvorrichtung 23 hat die Bezeichnung WT10. Es handelt sich dabei um einen Messkopf für die Detektion brennbarer Gase (z.B. Methan, Wasserstoff, Ethylen) mit einem Messbereich von 10% UEG. Über die zweite Kopplungsstelle 11B wird die dritte Sensorvorrichtung 23 mit Konstantstrom versorgt. Die Sensorelemente D und K (jeweils zwei in Reihe geschaltete Widerstände) werden dadurch erhitzt. Brennbare Gase, die an das aktive Sensorelement D gelangen, werden dort oxidiert, was zu einer Temperaturerhöhung am Sensorelement D führt. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung des Widerstandes am Sensorelement D. Die daraus resultierende Spannungssteigerung am Sensorelement D wird als Messsignal über die dritte Kopplungsstelle 11C abgegriffen und von der A/D Wandler-Vorrichtung 13 ausgewertet.
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Der Signalverlauf von Iout bei der dritten Sensorvorrichtung 23 ist analog zum Signal Uout. Zunächst erfolgt ein rampenförmiger Anstieg. Sobald Uout konstant ist, ist auch Iout konstant.
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Die Sensorelemente K sind in der dargestellten Ausführungsform der dritten Sensorvorrichtung inaktiv. Grundsätzlich dienen sie zur Kompensation von Feuchte und externen Temperatureinflüssen. Es findet dort keine Oxidation brennbarer Gase statt.
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Die vierte Sensorvorrichtung 24 hat die Bezeichnung WT100. Funktionell ist sie identisch zur dritten Sensorvorrichtung 23, so dass auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden kann. Im Unterschied zur dritten Sensorvorrichtung 23 hat diese einen Messbereich von 100% UEG. Auch ist die Beschaltung mit den Sensorelementen D und K etwas anders.
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In 3 ist erkennbar, dass der Verlauf des Signals Iout der vierten Sensorvorrichtung 24 ähnlich ist wie bei der dritten Sensorvorrichtung 23. Allerdings ist die Steigung der Rampe größer und der Endwert von Iout ist größer.
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Anhand dieser Unterschiede können die beiden Sensorvorrichtungen 23, 24 für brennbare Gase unterschieden werden.
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Anhand der vier unterschiedlichen Sensorvorrichtungen 21, 22, 23, 24 wird deutlich gemacht, dass diese alle unterschiedlich auf ein Signal Uout reagieren. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 14 kann anhand von erfassten Signale Iout automatisch erkennen, welcher Typ dies ist, ohne dass eine aufwändige Beschaltung erforderlich ist.
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Eine Fehlererkennung in den Sensorvorrichtungen 21, 22, 23, 24 ist auch mittels der an den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D, 11E erfassten elektrischen Signale möglich. Dazu kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 14 z.B. die Signale Iout und Iin (in 3 nicht dargestellt) an den zweiten und vierten Kopplungsstellen 11B, 11D erfassen, wobei diese über Widerstände 17, 18 geführt werden, so dass ein Spannungssignal gemessen werden kann. Dieses erlaubt dann einen Rückschluss auf Fehler.
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Ferner ist in der 3 dargestellt, dass ab einer bestimmten Zeit nach dem Einschwingen eines stationären Zustands von der Sensorvorrichtungserkennung in den Messbetrieb umgeschaltet wird.
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Auch bei dieser Funktion wird die hochauflösende A/D Wandler-Vorrichtung 12 verwendet, die unmittelbar mit den erfassten Signalen arbeiten kann und keine zusätzliche elektronische Schaltung für die Signalaufbereitung benötigt.
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In 4 ist in schematischer Weise dargestellt, wie ein Gutzustand an den Kopplungsstellen 11A, 11B, 11C, 11D, 11E definiert ist. Während der gesamten relevanten Zeit müssen sich die Spannungssignale innerhalb eines bestimmten Bandes bewegen. Eine Unter- oder Überschreitung von Schwellenwerten wird als Fehler gewertet. Die relevanten Schwellenwerte für die hier dargestellten Ausführungsformen sind in der 2 als die Spannungswerte angegeben, die am Rack gemessen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messmittel
- 11
- Kopplungsstelle
- 11A
- erste Kopplungsstelle
- 11B
- zweite Kopplungsstelle
- 11C
- dritte Kopplungsstelle
- 11D
- vierte Kopplungsstelle
- 11E
- fünfte Kopplungsstelle
- 12
- Stromversorgung
- 13
- A/D Wandler-Vorrichtung
- 14
- Datenverarbeitungsvorrichtung
- 15
- Anpassungsschaltung
- 16
- Spannungsteiler
- 17
- Widerstand
- 18
- Widerstand
- 20
- Sensorvorrichtung
- 21
- erste Sensorvorrichtung
- 22
- zweite Sensorvorrichtung
- 23
- dritte Sensorvorrichtung
- 24
- vierte Sensorvorrichtung
- A
- erfasstes elektrisches Signal
- D
- Sensorelement (Widerstand)
- Iout
- erfasstes elektrisches Signal (Sensorbetriebsstrom)
- HL
- Sensorelement (Widerstände)
- HL_M
- Widerstand in Anpassungsschaltung
- K
- Sensorelement (Widerstand)
- Uout
- angelegtes Signalprofil (Sensorbetriebsspannung)
