DE102016107808A1

DE102016107808A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung eines Zustands

Info

Publication number: DE102016107808A1
Application number: DE102016107808.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Fink; Philipp Herbst
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: US10684158B2; DE102016107808B4; US20170314985A1

Abstract

Offenbart ist eine Anordnung (10) zur Überwachung eines Zustands, zum Beispiel eines Füllzustands eines Behälters (400) mit einem ersten Sensor (30), der in Betrieb einen Messwert erzeugt, und einen zweiten Sensor (40), der in Betrieb einen zweiten diskreten Messwert erzeugt. Der erste Messwert und der zweite Messwert werden über eine gemeinsame Leitung an eine Auswertungseinheit (20) weitergeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung eines Zustands mit Hilfe von zwei Sensoren. Die Sensoren übertragen Messwerte der zwei Sensoren an eine Auswertungseinheit über eine Zwei-Draht-Leitung.
Für die Überwachung von sicherheitsrelevanten Aufgaben werden üblicherweise redundante Systeme verwendet. Bei diesen redundanten Systemen erfassen mehrere Sensoren den gleichen Zustand der sicherheitsrelevanten Aufgabe und übersenden die Ergebnisse an eine Auswertungseinheit. Bei Erkennung einer sicherheitsgefährdenden Lage durch einen der Sensoren wird z.B. ein Warnsignal durch die Auswertungseinheit erzeugt. Diese Sensoren können baugleich oder unterschiedlich sein. Bei baugleichen Sensoren besteht ein Risiko, dass die baugleichen Sensoren die sicherheitsgefährdende Lage nicht erkennen, da alle Sensoren die gleichen Ergebnisse an die Auswertungseinheit abliefern oder in einer ähnlichen Art und Weise ausfallen. Zur Vermeidung dieses Risikos können daher unterschiedliche Sensoren verwendet werden.
Diese unterschiedlichen Sensoren können über Zwei-Draht-Leitungen mit der Auswertungseinheit verbunden werden. Zum Beispiel ist eine Anordnung zur Übertragung von Messwerten von einem Sensor an z.B. eine Auswertungseinheit aus der US Patentschrift Nr. 7,124,655 (Micronas GmbH) bekannt. Der Sensor des Stands der Technik sendet ein PWM-Signal an die Auswertungseinheit, wobei die Breite der Pulse dem von dem Sensor erfassten Messwert entspricht. Diese Patentschrift lehrt lediglich den Anschluss eines einzelnen Sensors an die Auswertungseinheit.
Alle Sensoren müssen mit der Auswertungseinheit verbunden werden und benötigen bisher separate Leitungen für den Anschluss an der Auswertungseinheit. Auf Grund der erforderlichen Redundanz der Sensoren entstehen dadurch sehr viele Leitungen. In zum Beispiel einem Auto ist es aus Platz-, Kosten- und Gewichtsgründen vorteilhaft, die Anzahl der Leitungen zu verringern.
Eine Anordnung zur Reduzierung der Anzahl von Leitungen bei mehreren Sensoren ist in diesem Dokument offenbart. Diese erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen ersten Sensor, der in Betrieb einen ersten Messwert erzeugt, wobei der erste Messwert eine Breite von Messwerten annimmt; und einen zweiten Sensor, der in Betrieb einen zweiten Messwert erzeugt, wobei der zweite Messwert eine begrenzte Zahl von diskreten Messwerten (z.B. 1 oder 0) annimmt und wobei der erste Sensor und der zweite Sensor in parallel geschaltet sind und eine gemeinsame Leitung zur Übertragung des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes an eine Auswertungseinheit verwenden.
Der erste Sensor und der zweite Sensor erfassen den gleichen Zustand, z.B. die Stärke eines magnetischen Felds, und erzeugen Messwerte nach unterschiedlichen Protokollen, die über die gemeinsame Leitung an die Auswertungseinheit übertragen werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Protokollen ermöglicht der Auswertungseinheit die jeweiligen Messwerte voneinander zu trennen und somit den Messwert des jeweiligen Sensors korrekt zu erfassen. Die Anordnung spart daher die Verwendung einer separaten Leitung für den zweiten Sensor ein.
In einem Aspekt der Anordnung hat der erste Sensor einen ersten Ausgang zur Übertragung der ersten Messwerte an die Auswertungseinheit mit einem Pulsweitemodulation-Protokoll. Der zweite Sensor ist ein Schwellenwert-Sensor mit einem Ausgangssignal von 1 oder 0 je nachdem ob der erfasste zweite Messwert den Schwellwert übersteigt oder nicht.
Die gemeinsame Leitung ist in einem Aspekt der Anordnung eine Zwei-Draht-Leitung.
Die Anordnung kann z.B. zur Erfassung des Füllstands eines Behälters verwendet werden. In dieser Anwendung liefert der erste Sensor einen Messwert, der dem Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter entspricht. Der zweite Sensor ändert seinen Ausgangswert bei Unter- bzw. Überschreiten eines Schwellwerts z.B. bei Erreichen eines Mindestfüllstands. Die zwei Sensoren erfassen beide diesen kritischen Wert des Mindestfüllabstands und somit ergibt sich eine Redundanz mit zwei unterschiedlichen Sensoren. Die Flüssigkeit ist z.B. eine hydraulische Flüssigkeit in einem Bremszylinder.
Ein Verfahren zur Überwachung eines Zustands wird auch beschrieben.
Di Erfindung wird nun an Hand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Übersicht der erfindungsgemäßen Anordnung;
2 das summierte Ausgangssignal der zwei Sensoren;
3 den Ablauf des Verfahrens; und
4 die Verwendung der Anordnung in einem Behälter.
1 zeigt eine Übersicht der erfindungsgemäßen Anordnung 10 mit einer Auswertungseinheit 20, einem ersten Sensor 30 und einem zweiten Sensor 40. Der erste Sensor 30 und der zweite Sensor 40 sind parallelgeschaltet und über eine gemeinsame Leitung 35, z.B. eine Zwei-Draht-Leitung, mit der Auswertungseinheit 20 verbunden. Der erste Sensor 30 und der zweite Sensor 40 sind mit einer Spannungsquelle 50, z.B. einer Batterie, verbunden. Zwischen der Spannungsquelle 50 und der Leitung 35 ist ein Kondensator 60 vorhanden.
Die Auswertungseinheit 20 umfasst eine Recheneinheit 25 mit einem ersten Eingang 21 und einem zweiten Eingang 22 sowie einen ersten Widerstand 24 und einen zweiten Widerstand 26. Der erste Eingang 21 der Recheneinheit 25 ist mit der Leitung 35 verbunden. Die gemeinsame Leitung 35 ist über den ersten Widerstand 24 mit dem zweiten Ausgang 22 verbunden. Der zweite Widerstand 26 ist an einem ersten Anschluss auch mit dem zweiten Eingang 22 sowie mit dem Widerstand 24 verbunden und an seinem anderen Anschluss mit einer Masseleitung 28 verbunden. Somit kann die Recheneinheit 25 die Abfallspannung über den ersten Widerstand 24 und den zweiten Widerstand 26 erfassen.
Der erste Sensor 30 und der zweite Sensor 40 sind jeweils magnetische Sensoren, welche die Stärke eines magnetischen Felds in deren Nähe erfassen und jeweils Ausgangssignale liefern, welche der Stärke des magnetischen Feldes entsprechen. In einem Aspekt der Erfindung ist der erste Sensor 30 ein sogenannter Hall-Sensor mit einem Ausgang, welcher eine kontinuierliche Breite von Messwerten anliefert, welche der Stärke des magnetischen Feldes entsprechen. Zum Beispiel ist der erste magnetische Sensor ein HAL 856 Sensor der Firma Micronas GmbH, Freiburg, Deutschland. Dieser erste magnetische Sensor 30 ist kalibrierbar und liefert über einen sogenannten PWM-Ausgang ein Ausgangsignal in der Form eines Pulses, wobei die Pulsbreite der Stärke des erfassten magnetischen Feldes entspricht.
Der zweite Sensor 40 ist ein magnetischer Schalter, der nur bestimmte Messwerte mit diskreten Werten liefert. Zum Beispiel ist der zweite Sensor 40 ein HAL 1566 Schalter der Firma Micronas GmbH, Freiburg, Deutschland, welcher ein Ausgangssignal mit einem hohen Wert (Digital 1) nach dem Über- bzw. Unterschreiten eines Schwellwerts des erfassten magnetischen Feldes liefert. Solange die Stärke des magnetischen Feldes z.B. unter einem vorbestimmten Schwellwert ist, liefert der zweite Sensor 40 ein niedriges Ausgangssignal (Digital 0). Der Schwellwert dieses zweiten Sensors 40 ist vorzugsweise programmierbar und somit kann das Ausgangssignal entweder den Wert 1 oder den Wert 0 je nach Stärke des erfassten magnetischen Feldes liefern.
Die Ausgangssignale des ersten Sensors 30 und des zweiten Sensors 40 werden auf der gemeinsamen Leitung 35 summiert. 2 zeigt ein Beispiel des kombinierten Ausgangssignals. In einem ersten Messbereich 210 ist das erfasste magnetische Feld unter dem programmierten Schwellwert des zweiten Sensors 40 und somit variiert sich der Wert des Pulssignals als Ausgangssignal des ersten Sensors 30 zwischen dem Wert I_DD,Low und I_DD,High. Die Breite des Pulses ist repräsentativ der Stärke des magnetischen Feldes.
In dem zweiten Messbereich 220 ist das magnetische Feld stärker und sein Wert liegt über den vorbestimmten Schwellwert des zweiten Sensors 40. In diesem zweiten Fall ist der Puls breiter, da das Ausgangssignal von dem ersten Sensor 30 einen breiteren Puls aufgrund des stärkeren magnetischen Feldes liefert. In diesem zweiten Messbereich 200 ist eine Komponente des summierten Ausgangssignals auch durch den zweiten Sensor 40 beigesteuert, da die Stärke des magnetischen Feldes über den vorbestimmten Schwellwert liegt. Das Ausgangssignal des zweites Sensors 40 ist somit hoch und dieser Wert ist mit dem Pulssignal des ersten Sensors 30 summiert.
Dieses summierte Ausgangssignal wird über den ersten Widerstand 24 und den zweiten Widerstand 26 von der Recheneinheit 25 erfasst und liefert zwei Messwerte. Der erste Messwert ist von dem ersten Sensor 30 und ist repräsentativ der Stärke des magnetischen Feldes und der zweite Messwert aus dem zweiten Sensor 40 zeigt das Über- bzw. Unterschreiten des magnetischen Feldes einer bestimmten vordefinierten Stärke.
3 zeigt den Ablauf des Verfahrens. In einem ersten Schritt 310 erzeugt der erste Sensor 30 einen ersten (kontinuierlichen) Messwert. Der zweite Sensor 40 erzeugt in dem Schritt 320 einen zweiten (diskreten) Messwert. Der erste Messwert aus dem ersten Sensor 30 und der zweite Messwert aus dem zweiten Sensor 40 werden in dem Schritt 330 addiert (kombiniert) und über die gemeinsame Leitung 35 als ein Ausgangssignal an die Auswertungseinheit 20 geliefert. Die Auswertungseinheit 20 wertet in dem Schritt 340 das kombinierte Ausgangssignal aus und liefert ein Ergebnis.
In einem Aspekt der Anordnung 10 kann die Auswertungseinheit 20 bei Überschreitung der Stärke des magnetischen Feldes ein Warnsignal erzeugen und an einen Nutzer in dem Schritt 350 weitergeben. Durch die Kombination der Messung der Stärke des magnetischen Feldes durch den ersten Sensor 30 sowie die zweite Erfassung des Überschreitens des Schwellwerts des magnetischen Felds durch den zweiten Sensor 40 erhält man eine Vorrichtung zur Erfassung eines magnetischen Felds mit einer Redundanz.
4 zeigt eine exemplarische Verwendung der Anordnung dieser Offenbarung. 4 zeigt einen Behälter 400 mit einer Flüssigkeit 410. Die Flüssigkeit 410 könnte z.B. Benzin, Brems- oder eine hydraulische Flüssigkeit sein. Die Flüssigkeit 410 wird entweder aus dem Behälter 400 entnommen oder es besteht ein Risiko, dass die Flüssigkeit 410 aus dem Behälter leckt. Eine Warnanlage (nicht dargestellt) ist daher erforderlich, um den aktuellen Füllstand zu bestimmen und bei dem Unterschreiten eines Mindestfüllstands ein Warnsignal auszugeben. Das erzeugte Warnsignal wird durch eine Sensoranordnung 450 in einem Dorn 420 in dem Behälter 400 erzeugt. Die Sensoranordnung 440 ist z.B. aus dem ersten Sensor 30 und dem zweiten Sensor 40 konstruiert und hat eine (nicht dargestellte) gemeinsame Leitung 35, welche mit einer auch nicht dargestellten Auswertungseinheit 20 verbunden ist. Um den Dorn 420 ist ein Dauermagnet 430 in der Form eines Ringmagneten angeordnet. Dieser Dauermagnet 430 schwimmt auf der Oberfläche der Flüssigkeit 410 um den Dorn 420 und wird je nach Füllstand des Behälters 400 nach oben oder nach unten um den Dorn 420 bewegt. Der Dauermagnet 430 erzeugt ein magnetisches Feld, welches von der Sensoranordnung 440 erfasst wird. Der erste Sensor 30 in der Sensoranordnung 450 kann die Stärke des magnetischen Feldes von dem Dauermagneten 430 erfassen und gibt einen Wert, welcher dem Füllstands des Behälters 400 entspricht. Der zweite Sensor 40 in der Sensoranordnung 440 ist so programmiert, dass der zweite Sensor 40 ein hohes Ausgangssignal nur dann liefert, wenn das erfasste magnetische Feld von dem Dauermagneten 430 einen Schwellwert überschreitet. Dieser Schwellwert kann so programmiert werden, dass der Schwellwert dem Mindestfüllstand in dem Behälter 400 entspricht. Bei dem Unterschreiten dieses Mindestfüllstands kann somit ein Warnsignal an einen Nutzer weitergegeben werden.
Bezugszeichenliste

10: Anordnung
20: Auswertungseinheit
21: Erster Eingang
22: Zweiter Eingang
24: Erster Widerstand
25: Recheneinheit
26: Zweiter Widerstand
28: Masse
30: Erster Sensor
35: Gemeinsame Leitung
40: Zweiter Sensor
50: Spannungsquelle
60: Kondensator
400: Behälter
410: Flüssigkeit
420: Dorn
430: Dauermagnet
440: Sensoranordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7124655 [0003]

Claims

Anordnung (10) zur Überwachung eines Zustands umfassend: einen ersten Sensor (30), der in Betrieb einen ersten Messwert erzeugt, wobei der erste Messwert eine Breite von Messwerten annimmt; und einen zweiten Sensor (40), der in Betrieb einen zweiten Messwert erzeugt, wobei der zweite Messwert eine begrenzte Zahl von diskreten Messwerten annimmt und wobei der erste Sensor (30) und der zweite Sensor (40) parallelgeschaltet sind und gemeinsame Leitungen (35) zur Übertragung des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes an eine Auswertungseinheit (20) verwenden.
Anordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (30) ein magnetischer Feldsensor ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor (30) einen ersten Ausgang zur Übertragung der ersten Messwerte an die Auswertungseinheit (20) mit einem Pulsweitemodulation-Protokoll aufweist.
Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sensor (40) ein Schwellenwert-Sensor ist.
Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sensor (40) ein Hall-Schalter zur Erfassung des Überschreitens eines Schwellwerts eines magnetischen Felds ist.
Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die gemeinsame Leitung (35) eine Zwei-Draht-Leitung ist.
Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Zustand der Füllstand eines Behälters (400) ist.
Verfahren zur Überwachung eines Zustands umfassend: Erzeugen (310) eines ersten Messwerts, der eine Breite von Messwerten annehmen kann; Erzeugen (320) eines zweiten Messwerts, der eine begrenzte Zahl von diskreten Werten annehmen kann; Kombinieren (330) des ersten Messwerts und des zweiten Messwerts in ein gemeinsames Signal; und Auswerten (340) des gemeinsamen Signals zur Weitergabe von Informationen über den Zustand.
Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend das Erzeugen (350) eines Warnsignals bei Erreichen eines bestimmten Messwerts.
Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erfassung des Füllzustands eines flüssigkeitsenthaltenden Behälters (430).
Behälter (400) für eine Flüssigkeit (410) mit einem Dorn (420), in dem eine Sensoranordnung (440) mit einem ersten magnetischen Sensor (20) und einem zweiten magnetischen Sensor (40) angeordnet sind, wobei der erste magnetische Sensor (20) einen ersten Messwert mit einer Breite von Werten erzeugt und der zweite magnetische Sensor (30) einen zweiten Messwert mit einer begrenzten Anzahl von Messwerten erzeugt; einen Dauermagneten (430), der um den Dorn (420) angeordnet ist und mit die Höhe der Flüssigkeit in dem Behälter (400) angibt.
Behälter (400) nach Anspruch 12, wobei die Flüssigkeit (410) eine hydraulische Flüssigkeit ist.
Behälter (400) nach Anspruch 12 oder 13, wobei der erste magnetische Sensor (20) und/oder der zweite magnetische Sensor (30) ein Warnsignal bei Erreichen eines kritischen Pegels der Flüssigkeit erzeugen.