DE102017120015A1 - Circuit arrangement for line break detection for continuously scanning measuring systems - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung zur Leitungsbrucherkennung, aufweisend:- einen Taktgeber (1), der dazu ausgebildet ist, ein erstes Taktsignal mit einer Frequenz fals Detektorsignal (1a) auszugeben und ein zweites Signal mit einer Frequenz fals Synchronisationssignal (1b) auszugeben;- eine Wandlereinheit (2), die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal (1a) in eine Wechselspannung zu wandeln, die an die Zuleitung eines Sensors (8) anlegbar ist;- einen selektiven Verstärker (3), der dazu ausgebildet ist, selektiv eine Signalkomponente mit der Frequenz faus einer Wechselspannung, die an der Impedanz des Sensors (8) erzeugbar ist, zu verstärken;- einen Filter (4), der dazu ausgebildet ist, die Signalkomponente mit der Frequenz faus der Wechselspannung, die an der Impedanz des Sensors (8) erzeugbar ist, zu dämpfen;- einen Analog-Digital-Wandler (5), der dem Filter (4) nachgeschaltet ist, der mit dem Synchronisationssignal (1b) getaktet ist, und der dazu ausgebildet ist, ein von dem Filter (4) ausgegebenes Signal in einen digitalen Datenstrom zu konvertieren;- einen Controller (6), der dazu ausgebildet ist, das von dem selektiven Verstärker (3) ausgegebene Signal auszuwerten.Circuit breakage detection circuit, comprising: - a clock generator (1) adapted to output a first clock signal having a frequency fals detector signal (1a) and to output a second signal having a frequency fals synchronization signal (1b), - a converter unit (2) adapted to convert the detector signal (1a) into an AC voltage which can be applied to the supply line of a sensor (8), - a selective amplifier (3) adapted to selectively produce a signal component of frequency f A filter (4) which is adapted to the signal component with the frequency faus the AC voltage, which is generated at the impedance of the sensor (8), to amplify AC voltage which is generated at the impedance of the sensor (8), - an analog-to-digital converter (5) which is connected downstream of the filter (4), which is clocked with the synchronization signal (1b) and which is adapted to one of the filter (4) out convert a given signal into a digital data stream, - a controller (6) which is designed to evaluate the signal output by the selective amplifier (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Leitungsbrucherkennung für kontinuierlich abtastende Messsysteme sowie ihre Verwendung zur Leitungsbrucherkennung, und ein Verfahren zur Leitungsbrucherkennung.The present invention relates to a circuit arrangement for line break detection for continuously scanning measuring systems and their use for line break detection, and a method for line breakage detection.
Eine häufige Aufgabe in der elektronischen Messtechnik ist die Erkennung eines Fühlerbruchs eines Sensors oder der Leitungsbruch in der Zuleitung zu einem Messsystem mit einem Sensor. Besonders wichtig ist eine Erkennung bei Fühlern bzw. Sensoren, welche innerhalb ihres Messbereichs auch gültige Spannungen von null Volt ausgeben können und somit über den Zustand des Fühlers keine Aussage aufgrund des Messsignals an sich getroffen werden kann. Hierzu zählen z.B. Thermoelemente, welche keine Messspannung abgeben, wenn beide Leitungsenden sich auf gleicher Temperatur befinden.A common task in electronic measuring technology is the detection of sensor breakage of a sensor or the line break in the supply line to a measuring system with a sensor. It is particularly important to detect sensors or sensors which can also output valid voltages of zero volts within their measuring range, so that no statement can be made about the condition of the sensor due to the measuring signal itself. These include e.g. Thermocouples, which do not deliver a measuring voltage, if both line ends are at the same temperature.
Um die Funktionalität der Sensoranordnung überprüfen zu können, ist es daher im Stand der Technik üblich, einen geringen Gleichstrom durch die Sensoranordnung fließen zu lassen. Wird diese Methode beispielsweise bei einer Sensoranordnung mit einem Thermoelement verwendet, entsteht bei einem Fühler- oder Leitungsbruch am Messeingang eine Spannung, die negativer ist als die maximal mögliche negative Thermospannung. Dadurch kann ein Leitungs- oder Fühlerbruch einfach erkannt werden.In order to be able to check the functionality of the sensor arrangement, it is therefore customary in the prior art to let a small direct current flow through the sensor arrangement. If this method is used, for example, in a sensor arrangement with a thermocouple, a voltage that is more negative than the maximum possible negative thermoelectric voltage is produced at a sensor or line break at the measuring input. This makes it easy to detect a line or sensor break.
Die bekannte Methode zur Leitungsbrucherkennung bringt jedoch verschiede Nachteile mit sich. Zum einen kann der zur Leitungsbrucherkennung angelegte Strom zu Fehlern in den Sensordaten führen. Bei einem Thermoelement beispielsweise erzeugt ein zur Leitungsbrucherkennung angelegter Strom einen konstanten Spannungsabfall am Innenwiderstand des Sensors und dessen Zuleitung. Diesen Fehler erfasst das Messsystem als Offsettemperatur. Zur Erzielung genauer Messergebnisse muss die Leitungsbrucherkennung abgeschaltet werden, was mit einem entsprechenden Sicherheitsverlust einhergeht.However, the known method for line break detection has various disadvantages. On the one hand, the current applied for line break detection can lead to errors in the sensor data. For example, in a thermocouple, a current applied to open circuit detection generates a constant voltage drop across the internal resistance of the sensor and its supply line. This error is detected by the measuring system as the offset temperature. To achieve accurate measurement results, the cable break detection must be switched off, which is associated with a corresponding loss of security.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitungsbrucherkennung anzugeben, bei der die oben genannten Nachteile vermieden werden können. Konkret soll eine kontinuierlich arbeitende Leitungsbrucherkennung bereitgestellt werden, die keine Verfälschung des eigentlichen Nutzsignals hervorruft.The present invention has for its object to provide a line break detection, in which the above-mentioned disadvantages can be avoided. Specifically, a continuous line break detection is to be provided, which causes no distortion of the actual useful signal.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Leitungsbrucherkennung gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Leitungsbrucherkennung gemäß Anspruch 7 und eine Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9 gelöstThis object is achieved by a circuit arrangement for line breakage detection according to
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Leitungsbrucherkennung, aufweisend:
- - einen Taktgeber, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Taktsignal mit einer Frequenz fD als Detektorsignal auszugeben und ein zweites Signal mit einer Frequenz fS als Synchronisationssignal auszugeben;
- - eine Wandlereinheit, die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal in einen Wechselstrom zu wandeln, der an die Zuleitung eines Sensors anlegbar ist;
- - einen selektiven Verstärker, der dazu ausgebildet ist, selektiv eine Signalkomponente mit der Frequenz fD aus einer Wechselspannung, die an der Impedanz des Sensors erzeugbar ist, zu verstärken;
- - einen Filter, der dazu ausgebildet ist, die Signalkomponente mit der Frequenz fD aus der Wechselspannung, die an der Impedanz des Sensors erzeugbar ist, zu dämpfen;
- - einen Analog-Digital-Wandler, der dem Filter nachgeschaltet ist, der mit dem Synchronisationssignal getaktet ist, und der dazu ausgebildet ist, ein von dem Filter ausgegebenes Signal in einen digitalen Datenstrom zu konvertieren;
- - einen Controller, der dazu ausgebildet ist, das von dem selektiven Verstärker ausgegebene Signal auszuwerten.
- a clock adapted to output a first clock signal having a frequency f D as a detection signal and to output a second signal having a frequency f S as a synchronization signal;
- - A converter unit which is adapted to convert the detector signal into an alternating current, which can be applied to the supply line of a sensor;
- - A selective amplifier, which is adapted to selectively amplify a signal component with the frequency f D from an AC voltage which can be generated at the impedance of the sensor;
- - A filter which is adapted to attenuate the signal component with the frequency f D from the AC voltage, which is generated at the impedance of the sensor;
- - An analog-to-digital converter, which is connected downstream of the filter, which is clocked with the synchronization signal, and which is adapted to convert a signal output from the filter into a digital data stream;
- a controller adapted to evaluate the signal output by the selective amplifier.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass zur Leitungsbrucherkennung ein aus dem Detektorsignal erzeugter Wechselstrom mit einer festen Frequenz fD verwendet wird. Dieser Wechselstrom erzeugt an der Impedanz des zu überprüfenden Sensors eine Wechselspannung mit der Frequenz fD. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann dem für die Leitungsbrucherkennung verwendeten Wechselstrom ein Nutzsignal mit einer von fD verschiedenen Frequenz überlagert werden. Dieses gemischte Signal wird dann dem selektiven Verstärker und dem Filter zugeführt. Der selektive Verstärker isoliert das an der Impedanz des Sensors erzeugte Wechselspannungssignal mit der Frequenz fD und hebt dessen Amplitude auf einen auswertbaren Pegel an. Dies ermöglicht eine vom Nutzsignal weitestgehend ungestörte Leitungsbrucherkennung.A core idea of the present invention resides in the fact that, for line break detection, an alternating current having a fixed frequency f D and generated from the detector signal is used. This alternating current generates an alternating voltage with the frequency f D at the impedance of the sensor to be tested. With the circuit arrangement according to the invention, a useful signal with a frequency different from f D can be superimposed on the alternating current used for line break detection. This mixed signal is then fed to the selective amplifier and the filter. The selective amplifier isolates the AC signal generated at the impedance of the sensor with the frequency f D and raises its amplitude to an evaluable level. This allows for a useful signal largely undisturbed wire break detection.
Das gemischte Signal wird andererseits dem Filter zugeführt, der die zur Leitungsbrucherkennung vorgesehene Signalkomponente mit der Frequenz fD dämpft, so dass am Eingang des Analog-Digital-Wandlers nur noch sehr geringe Anteile der durch die Leitungsbrucherkennung erzeugten Störsignale anliegen. Der Analog-Digital-Wandler konvertiert das anliegende Eingangssignal in einen digitalen Datenstrom mit einer vorgegebenen Abtastrate fs. Die Leitungsbrucherkennung kann mit der erfindungsgemäßen Schaltanordnung also von der eigentlichen Messung am Sensor entkoppelt werden. Es ist nicht notwendig, einen die Messung verfälschenden Gleichstrom zur Leitungsbrucherkennung aufzuprägen. Die Leitungsbrucherkennung kann somit kontinuierlich durchgeführt werden, ohne die Messung am Detektor zu verfälschen. Dies erhöht die Sicherheit des Erkennungssystems, ohne die Messeigenschaften des Messsystems negativ zu beeinflussen.On the other hand, the mixed signal is fed to the filter which attenuates the signal component provided for line break detection with the frequency f D , so that only very small portions of the interference signals generated by the line break detection are present at the input of the analog-to-digital converter. The analog-to-digital converter converts the applied input signal into a digital data stream at a predetermined sampling rate fs. The Line break detection can therefore be decoupled from the actual measurement at the sensor with the switching arrangement according to the invention. It is not necessary to impose a measurement falsifying direct current for lead breakage detection. The cable break detection can thus be carried out continuously, without falsifying the measurement at the detector. This increases the security of the detection system, without adversely affecting the measurement properties of the measuring system.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Frequenz fS ein ganzzahlig Vielfaches der Frequenz fD. Der Analog-Digital-Wandler zur Wandlung des Nutzsignals ist ein integrierendes System. Wird ein Nutzsignal mit einer niedrigeren Frequenz als der Frequenz fD verwendet, können an dem Analog-Digital-Wandler Integrationsperioden verwendet werden, die mehrere Perioden des Detektorsignals umfassen. Da die zur Leitungsbrucherkennung erzeugte Wechselspannung ein flächensymmetrisches Signal ist, werden am Eingang des Analog-Digital-Wandlers noch vorhandene Komponenten dieses Signals während einer Integrationsperiode immer zu Null integriert. Damit kann der Störeinfluss der Leitungsbruchüberwachung auf das Nutzsignal weiter reduziert werden.In a preferred embodiment of the invention, the frequency f S is an integer multiple of the frequency f D. The analog-to-digital converter for converting the useful signal is an integrating system. If a useful signal having a lower frequency than the frequency f D is used, integration periods comprising a plurality of periods of the detector signal can be used on the analog-to-digital converter. Since the AC voltage generated for line break detection is a surface-symmetric signal, remaining components of this signal are always integrated to zero at the input of the analog-to-digital converter during an integration period. Thus, the interference of the line break monitoring on the useful signal can be further reduced.
Es ist bevorzugt, dass die Frequenz fD des Detektorsignals in einem Bereich zwischen 100 Hz und 10 MHz, weiter vorzugsweise zwischen 3 MHz und 5 MHz liegt.It is preferred that the frequency f D of the detector signal is in a range between 100 Hz and 10 MHz, more preferably between 3 MHz and 5 MHz.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Filter durch einen Bandpassfilter, vorzugsweise einen Tiefpassfilter, weiter vorzugsweise einen Antialiasing-Filter, gebildet, wobei die Frequenz fD oberhalb des Durchlassbereichs des Filters liegt. Dies ermöglicht eine effektive Dämpfung des Signals mit der Frequenz fD bei der Auswertung des Nutzsignals. Wird ein Antialiasing-Filter verwendet, können durch die Tiefpasswirkung des Antialiasing-Filters Signalkomponenten zur Leitungsbruchüberwachung sehr stark gedämpft werden.In a further preferred embodiment, the filter is formed by a bandpass filter, preferably a low-pass filter, more preferably an anti-aliasing filter, wherein the frequency f D is above the passband of the filter. This allows effective attenuation of the signal with the frequency f D in the evaluation of the useful signal. If an anti-aliasing filter is used, the low-pass effect of the antialiasing filter can be used to attenuate signal components for line break monitoring to a very high degree.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Analog-Digital-Wandler durch einen Sigma-Delta-Wandler gebildet, wobei die Frequenz fD außerhalb des Durchlassbereichs des Sigma-Delta-Wandlers liegt. Die Verwendung eines Sigma-Delta-Wandlers birgt den Vorteil, dass dieser Wandler die Wirkung eines mehrbandigen Sperrfilters hat. Liegt die Frequenz fD in einem der Sperrbänder, können Komponenten des Detektorsignals effizient aus dem digitalen Nutzsignalstrom entfernt werden.In a further preferred embodiment, the analog-digital converter is formed by a sigma-delta converter, wherein the frequency f D lies outside the passband of the sigma-delta converter. The use of a sigma-delta converter has the advantage that this converter has the effect of a multi-band blocking filter. If the frequency f D lies in one of the stop bands, components of the detector signal can be efficiently removed from the digital useful signal stream.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wobei zwischen dem selektiven Verstärker und dem Controller ein Detektor angeordnet, der als Komparator oder Analog-Digital-Wandler ausgebildet ist. Damit kann das zur Leitungsbrucherkennung erzeugte Signal mit der Frequenz fD, das von dem selektiven Verstärker isoliert wurde, auf einfache Weise in ein digitales Signal übersetzt werden. Wird ein Komparator als Detektor verwendet, wird das von dem selektiven Verstärker erzeugte Signal mit einer Referenzspannung verglichen und festgestellt, ob das der Leitungsbrucherkennung dienende Signal unterhalb oder oberhalb eines vorab definierten Schwellwerts liegt. Wird als Detektor ein Analog-Digital-Wandler verwendet, kann das zur Leitungsbrucherkennung erzeugte Signal verwendet werden, um die Impedanz des Sensors zu messen.In a further preferred embodiment, wherein between the selective amplifier and the controller, a detector is arranged, which is designed as a comparator or analog-to-digital converter. Thus, the signal generated for open-circuit detection with the frequency f D isolated from the selective amplifier can be easily translated into a digital signal. If a comparator is used as the detector, the signal generated by the selective amplifier is compared with a reference voltage and it is determined whether the signal serving for line break detection is below or above a predefined threshold value. If an analog-to-digital converter is used as the detector, the signal generated for open-circuit detection can be used to measure the impedance of the sensor.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Taktgeber in den Controller integriert. Dies vereinfacht den Aufbau der Schaltungsanordnung.In one possible embodiment, the clock is integrated in the controller. This simplifies the structure of the circuit arrangement.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Leitungsbrucherkennung, insbesondere unter Verwendung der obigen Schaltungsanordnung, gelöst,
- - wobei ein Taktgeber ein erstes Taktsignal mit einer Frequenz fD als Detektorsignal ausgibt und ein zweites Signal mit einer Frequenz fS als Synchronisationssignal ausgibt;
- - wobei eine Wandlereinheit das Detektorsignal in eine Wechselspannung wandelt, die an die Zuleitung eines Sensors angelegt wird;
- - wobei ein selektiver Verstärker selektiv eine Signalkomponente mit der Frequenz fD aus einer Wechselspannung, die an der Impedanz des Sensors (
8 ) erzeugt wird, verstärkt; - - wobei ein Filter die Signalkomponente mit der Frequenz fD aus der Wechselspannung, die an der Impedanz des Sensors erzeugt wird, dämpft;
- - wobei ein Analog-Digital-Wandler, der dem Filter nachgeschaltet ist, der mit dem Synchronisationssignal getaktet ist, ein von dem Filter ausgegebenes Signal in einen digitalen Datenstrom konvertiert;
- - wobei ein Controller das von dem selektiven Verstärker ausgegebene Signal auswertet.
- - A clock generator outputs a first clock signal having a frequency f D as a detector signal and outputs a second signal having a frequency f S as a synchronization signal;
- - wherein a transducer unit converts the detector signal into an AC voltage which is applied to the supply line of a sensor;
- - wherein a selective amplifier selectively a signal component with the frequency f D from an AC voltage, based on the impedance of the sensor (
8th ) is amplified; - - wherein a filter attenuates the signal component having the frequency f D from the AC voltage generated at the impedance of the sensor;
- - wherein an analog-to-digital converter, which is connected downstream of the filter, which is clocked with the synchronization signal, converts a signal output by the filter into a digital data stream;
- - wherein a controller evaluates the signal output from the selective amplifier.
Vorzugsweise arbeitet der Analog-Digital-Wandler mit fester Abtastfrequenz integrierend, wobei die Frequenz fs ein ganzzahlig-Vielfaches der Frequenz fd ist, wobei das Detektorsignal aufgrund der Sperrfiltereigenschaften des integrierenden Analog-Digital-Wandlers mit fester Abtastfrequenz und des dem Nutzsignal überlagerten Detektorsignals mit einem exakten Vielfachen der Abtastfrequenz unterdrückt wird.Preferably, the analog-to-digital converter operates with fixed sampling frequency integrating, wherein the frequency f s is an integer multiple of the frequency f d , the detector signal due to the blocking filter properties of the integrating analog-to-digital converter with a fixed sampling frequency and the useful signal superimposed detector signal is suppressed with an exact multiple of the sampling frequency.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Verwendung der obigen Schaltungsanordnung zur Leitungsbrucherkennung.The above object is further achieved by a use of the above circuit arrangement for line break detection.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildung näher erläutert wird. The invention will also be described in terms of further features and advantages based on embodiments, which will be explained in more detail with reference to the figure.
Hierbei zeigt
In
Der Taktgeber
Das Detektorsignal
Das gemischte Signal aus der Wechselspannung und dem Nutzsignal wird über eine Leitung
Das so isolierte Signal wird an den Eingang des Detektors
Alternativ kann der Detektor
Das gemischte Signal aus der Wechselspannung und dem Nutzsignal wird über die Leitung
Als Filter
Das an dem Ausgang des Filters
Da das Nutzsignal, das bei der Konvertierung durch den Analog-Digital-Wandler
Die durch das Detektorsignal
Der Analog-Digital-Wandler
Der Controller
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Taktgeberclock
- 1a1a
- Detektorsignaldetector signal
- 1b1b
- Synchronisationssignalsynchronization signal
- 22
- Wandlereinheitconverter unit
- 33
- selektiver Verstärkerselective amplifier
- 44
- Filterfilter
- 55
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 66
- Controllercontroller
- 77
- Detektordetector
- 88th
- Sensorsensor
- 99
- Anschlussconnection
- 1010
- Leitungmanagement
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