DE102018112299A1 - Einrichtung, Verfahren und Steuermodul zur Überwachung einer Zweidrahtleitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) und ein zugehöriges Verfahren zur Überwachung einer Zweidrahtleitung (2), insbesondere einer Zweidrahtleitung (2) eines Brandschutzsystems. Die Einrichtung (1) umfasst eine passive Abschlusskomponente (10) zum Abschluss der Zweidrahtleitung (2), wobei die passive Abschlusskomponente einen ladbaren Energiespeicher (12) aufweist, eine Konstantstromquelle (20) zum Bereitstellen eines Messstroms (11) zu der passiven Abschlusskomponente, eine Spannungserfassungseinheit (30) zum Erfassen eines Spannungsverlaufes (V1) an Ausgangsklemmen (4, 6) der Zweidrahtleitung (2), eine Steuereinheit (40) zum Ansteuern der Konstantstromquelle (12) und zum Auswerten des erfassten Spannungsverlaufes, wobei die Steuereinheit (40) dazu eingerichtet ist, einen Längswiderstand (RL) und einen Parallelwiderstand (PS) der Zweidrahtleitung (2) zu bestimmen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung einer Zweidrahtleitung, insbesondere einer Zweidrahtleitung eines Brandschutzsystems sowie ein zugehöriges Verfahren und ein zugehöriges Steuermodul.
• Entsprechend dem Standard EN54 Teil 13 müssen Brandschutzsysteme, beispielsweise zur Branderkennung und Alarmerzeugung, zertifiziert sein und insbesondere die Kompatibilität von Systemkomponenten beurteilt werden. Hierzu ist es beispielsweise notwendig, dass ein Widerstand einer Zweidrahtleitung, an die Teilnehmer wie beispielsweise Alarmgeber und/oder Auslöseeinrichtungen angeschlossen ist, nicht über einem bestimmten Wert liegt, um im Auslösefall hinreichend Strom bzw. Spannung bereitstellen zu können und die Auslösung nicht zu gefährden. Insbesondere lässt sich bei Zweidrahtleitungen ein Längswiderstand R_L in Längsrichtung der Leitung sowie ein Parallelwiderstand Rs zwischen den zwei Leitungen beschreiben. Ein zu hoher Längswiderstand R_L führt dazu, dass die zwischen den Leitungen angelegte Spannung nicht ausreicht um Teilnehmer, beispielsweise Ventile, auszulösen. Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass der Parallelwiderstand R_S nicht zu klein wird, was dem Fall eines Kurzschlusses der zwei Leitungen entsprechen würde.
• Gemäß dem Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten bekannt, Störungen auf Steuerleitungen in Gefahrenmelder- und Steuerungssystemen, beispielsweise in Brandschutzsystemen, zu erkennen.
• EP 2 804 163 beispielsweise betrifft Verfahren zur Messung eines Leitungswiderstandes RL und somit zur Bestimmung von Störungen von Steuerleitungen in einem solchen Gefahrenmelder- und Steuerungssystem. Das System ist aber nicht in der Lage, neben einem Längswiderstand der Leitung auch einen Parallelwiderstand zwischen den zwei Leitungen zu bestimmen. Anders ausgedrückt, das System ermöglicht lediglich einen der beiden interessanten Widerstandswerte bzw. einen aus beiden Werten resultierenden Gesamtwertzu bestimmen.
• Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen finden sich unter anderem in EP 2 232 455 , EP 2 093 737 , EP 1 816 619 , DE 2 038 795 , DE 30 36 029 .
• Allen bekannten Systemen ist gemein, dass sie entweder komplexe, aktive Abschlusskomponenten erfordern, oder aber nicht zwischen Längs- und Parallelwiderstand differenzieren können und lediglich eine Kombination aus Längs- und Parallelwiderstand detektieren. Passive Abschlusskomponenten unterliegen gegebenenfalls weiterhin Temperatureinflüssen durch Halbleiter-Bauelemente. Während die aktive Abschlusskomponente den Vorteil hat, dass sie selbst eine Überwachung der Zweidrahtleitungen vornimmt, so ist die Komponente selbst und deren Wartung allerdings sehr aufwendig. Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Überwachung einer Zweidrahtleitung, insbesondere einer Zweidrahtleitung eines Brandschutzsystems, so wie ein Verfahren zur Überwachung einer solchen Zweidrahtleitung und ein zugehöriges Steuermodul bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet.
• In einem ersten Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zur Überwachung einer Zweidrahtleitung gelöst. Die Zweidrahtleitung ist insbesondere eine Zweidrahtleitung eines Brandschutzsystems. Die Einrichtung umfasst eine passive Abschlusskomponente zum Abschluss der Zweidrahtleitung, wobei die passive Abschlusskomponente einen ladbaren Energiespeicher aufweist, eine Konstantstromquelle zum Bereitstellen eines Messstroms zu der passiven Abschlusskomponente, eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen eines Spannungsverlaufes an Ausgangsklemmen der Zweidrahtleitung, eine Steuereinheit zum Ansteuern der Konstantstromquelle und zum Auswerten des erfassten Spannungsverlaufes, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Längswiderstand und einen Parallelwiderstand der Zweidrahtleitung separat zu bestimmen.
• Indem die passive Abschlusskomponente erfindungsgemäß einen ladbaren Energiespeicher aufweist, ist es durch die Steuereinheit möglich, mittels der Konstantstromquelle den ladbaren Energiespeicher zu laden. Der erfasste Spannungsverlauf, der beispielsweise sowohl während als auch im Anschluss an das Betreiben der Konstantstromquelle ausgewertet wird, ermöglicht in einfacher Weise sowohl eine Bestimmung des Längswiderstandes als auch des Parallelwiderstandes der Zweidrahtleitung, da der Verlauf der Spannung durch grundlegende Gesetzmäßigkeiten von ebendiesen Widerständen abhängt.
• Während der Messstrom bereitgestellt wird, wird der ladbare Energiespeicher geladen, so dass sich eine ansteigende Spannung einstellt. Ohne Bereitstellung des Messstromes wird der Parallelwiderstand der Zweidrahtleitung zusammen mit der Abschlusskomponente einen geschlossenen Stromkreis bilden und zu einer Selbstentladung des ladbaren Energiespeichers führen.
• Insbesondere fällt während einer Zeit, in der die Konstantstromquelle nicht betrieben wird, keine Spannung über dem Längswiderstand ab, so dass der Spannungsverlauf ausschließlich für den Parallelwiderstand indikativ ist. So lässt sich anhand der Spannungsverläufe, die während der Bereitstellung des Messstroms und während einer Zeit, zu der kein Messstrom bereitgestellt wird, erfasst werden, sowohl auf den Parallelwiderstand als auch auf den Längswiderstand schließen.
• Es ist besonders bevorzugt, dass die passive Abschlusskomponente an einem Ende der Zweidrahtleitung, das sich von einer Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale entfernt befindet, angeordnet ist. Die Anordnung an dem Ende ermöglicht, dass insbesondere der komplette Längsanteil des Leitungswiderstandes zwischen den Ausgangsklemmen detektierbar ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der ladbare Energiespeicher der passiven Abschlusskomponente als zwischen den beiden Drähten der Zweidrahtleitung anordenbarer Kondensator ausgestaltet. Ein Kondensator ist eine besonders einfache und effektive Form einer ladbaren Energiespeicher. In anderen Ausführungsformen sind auch andere ladbare Energiespeicher, beispielsweise Akkumulatoren, denkbar. Grundsätzlich sind vorzugsweise sämtliche ladbare Energiespeicher für das Verfahren einsetzbar, die eine zum Kondensator äquivalente Differentialgleichung für den Lade- und Entladevorgang aufweisen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kondensator eine Kapazität auf, die über 0,1 µF, insbesondere über 1 µF und besonders bevorzugt im Bereich von 1 µF bis 10 µF liegt. Mit einer Kapazität in dem bevorzugten Bereich ist sichergestellt, dass die durch den Messstrom erfolgte Aufladung sowie eine Selbstentladung des Kondensators in einer zeitlichen Größenordnung erfolgen kann, die einer effektiven Bestimmung der Leitungswiderstände gemäß EN54 Teil 13 genügen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Spannungsverlauf in Reaktion auf eine Änderung des bereitgestellten Messstromes auszuwerten. So kommt es insbesondere bei einem Einschalten und bei einem Ausschalten der Konstantstromquelle zu Sprüngen in dem erfassten Spannungsverlauf. Die Sprünge lassen direkt auf einen Leitungswiderstand schließen. Die Genauigkeit der Bestimmung hängt folglich zunächst nur von der Genauigkeit der diskreten Messwerte des Spannungsverlaufes direkt nach dem Einschalten und dem Ausschalten ab.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den ladbaren Energiespeicher während eines vorbestimmten ersten Zeitraumes durch Ansteuerung der Konstantstromquelle zu laden und eine Selbstentladung des ladbaren Energiespeichers während eines sich daran anschließenden zweiten Zeitraumes nach Abschalten der Konstantstromquelle auszuwerten. Vorzugsweise wird eine Spannung des ladbaren Energiespeichers auch während des ersten Zeitraumes ausgewertet. Der vorbestimmte erste Zeitraum beträgt beispielsweise 0,5 ms. Vorzugsweise schließt sich der vorbestimmte zweite Zeitraum direkt an den vorbestimmten ersten Zeitraum an und beträgt beispielsweise ebenfalls 0,5 ms. Diese beispielhaften Werte haben sich als besonders praktikabel herausgestellt, natürlich sind auch andere Dauern des ersten bzw. zweiten Zeitraums vorstellbar, insbesondere können auch die beiden Zeiträume verschieden sein.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung während des ersten und zweiten Zeitraumes den Längswiderstand und den Parallelwiderstand der Zweidrahtleitung zu bestimmen. Je nach Anwendung sind natürlich auch längere oder kürzere Zeiträume möglich und ebenso kann auch der zweite Zeitraum eine von dem ersten Zeitraum unterschiedliche Dauer haben.
• Vorzugsweise schließt sich an den vorbestimmten zweiten Zeitraum ein vorbestimmter dritter Zeitraum an, bevor ein erneutes Messen, beginnend mit dem ersten Zeitraum, erfolgt. Während des dritten Zeitraumes wird der ladbare Energiespeicher vorzugsweise vollständig entladen, so dass die erneute Bestimmung der Leitungswiderstände mit einer Spannung von 0 V beginnt. Demnach ist die Konstantstromquelle während des dritten Zeitraumes vorzugsweise ebenfalls abgeschaltet.
• Vorzugsweise wird der ladbare Energiespeicher hierfür während des dritten Zeitraumes über einen beispielsweise zuschaltbaren Entladewiderstand entladen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Längswiderstand der Zweidrahtleitung anhand einer Spannungsänderung beim Einschalten und/oder Abschalten der Konstantstromquelle zu bestimmen. Diese einfache Bestimmung erfordert eine auch zeitlich hohe Genauigkeit und Auflösung des erfassten Messwertes.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Parallelwiderstand und den Längswiderstand der Zweidrahtleitung anhand zweier aufeinander aufbauender Approximationen des Spannungsverlaufs während des ersten und zweiten Zeitraumes zu bestimmen. Hierbei ist insbesondere zunächst der zweite Zeitraum und darauf aufbauend der erste Zeitraum auszuwerten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, diskrete Werte des erfassten Spannungsverlaufes, insbesondere mittels des Least-Squares-Verfahrens, zu verwenden, um Konstanten zweier linearer Gleichungen der Spannung in erster Ordnung einer von der Zeit abhängigen Variablen während des ersten und zweiten Zeitraumes zu approximieren.
• Damit führen beide lineare Gleichungen zu je zwei Parametern, einem konstanten und einem in erster Ordnung von der Zeit abhängigen Parameter. Anschaulich gesprochen entspricht ein Graph der linearen Gleichungen jeweils einer Geraden, wobei die beiden Parameter dann den Ordinatenabschnitt und die Steigung der Geraden angeben. Die von der Zeit abhängige Variable kann eine lineare Abhängigkeit von derzeit, d.h beispielsweise direkt die Zeit, oder, bevorzugt, eine exponentielle funktionale Abhängigkeit von der Zeit sein. Die exponentielle Abhängigkeit von der Zeit entspricht dem exponentiellen Verlauf der Ladung und Entladung insbesondere von Kondensatoren. Aus den je Gleichung erlangten zwei Parametern lassen sich dann der Längswiderstand und der Parallelwiderstand mit hoher Genauigkeit ableiten.
• Darüber hinaus ist es durch die Approximationen nicht nötig, eine Kapazität des ladbaren Energiespeichers zu kalibrieren bzw. zu vermessen, um aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung auf die Widerstände zu schließen. Diese Kapazität ergibt sich ebenfalls aus den Approximationen und lässt sich aus den Parametern der beiden Gleichungen ableiten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit zur Überwachung mehrerer Zweidrahtleitungen ausgebildet. Dadurch wird der Gesamtaufbau der Einrichtung dadurch vereinfacht, dass nicht mehrere Steuereinheiten zur Überwachung mehrerer Zweidrahtleitungen, beispielsweise für Brandschutzsysteme die regelmäßig eine größere Anzahl von Zweidrahtleitungen umfassen, benötigt werden. Ebenso kann die Konstantstromquelle eingerichtet sein, auch mehrere der Zweidrahtleitungen mit einem konstanten Strom zu versorgen. Natürlich sind zur Überwachung auch Kombinationen mehrerer Steuereinheiten und/oder Konstantstromquellen vorstellbar.
• In einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung einer Zweidrahtleitung gelöst. Die Zweidrahtleitung ist insbesondere eine Zweidrahtleitung eines Brandschutzsystems. Das Verfahren umfasst: ein Bereitstellen eines Messstroms zu einer passiven Abschlusskomponente zum Abschluss der Zweidrahtleitung, wobei die passive Abschlusskomponente einen ladbaren Energiespeicher aufweist, ein Erfassen eines Spannungsverlaufes an Ausgangsklemmen der Zweidrahtleitung, und ein Auswerten des erfassten Spannungsverlaufes, um einen Längswiderstand und einen Parallelwiderstand der Zweidrahtleitung zu bestimmen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dieselben Vorteile zu erhalten, wie sie mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Überwachung einer Zweidrahtleitung erzielbar sind. Ferner sind sämtliche als bevorzugt beschriebenen Ausführungen der Einrichtung in analoger Weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Messstrom in einem ersten Zeitraum zum Laden des ladbaren Energiespeichers bereitgestellt und in einem daran anschließenden zweiten Zeitraum nicht bereitgestellt, wobei ein Spannungsverlauf an Ausgangsklemmen während des ersten Zeitraumes und des zweiten Zeitraumes erfasst und ausgewertet wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Parallelwiderstand und der Längswiderstand der Zweidrahtleitung anhand zweier aufeinander aufbauender Approximationen des Spannungsverlaufs während des ersten und zweiten Zeitraumes bestimmt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden diskrete Werte des erfassten Spannungsverlaufes verwendet, um den Parallelwiderstand und den Längswiderstand aus approximierten Konstanten zweier linearer Gleichungen der Spannung in erster Ordnung einer von der Zeit abhängigen Variablen während des ersten und zweiten Zeitraumes zu bestimmen.
• In einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Steuermodul einer Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale zur Überwachung einer Zweidrahtleitung eines Brandschutzsystems gelöst, wobei das Steuermodul dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
• In einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Verwendung eines Kondensators als passive Abschlusskomponente zum Abschluss einer Zweidrahtleitung eines Brandschutzsystems gelöst.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
• 1:schematisch und exemplarisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Überwachung einer Zweidrahtleitung und
• 2.schematisch und exemplarisch Spannungsverläufe bei verschiedenen Widerständen.
• 1 zeigt schematisch und exemplarisch ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 1 zur Überwachung einer Zweidrahtleitung 2. Die Zweidrahtleitung 2 wird an zwei Ausgangsklemmen 4, 6 beispielsweise mit einer Zentrale 100 eines Brandschutzsystems, wie einer Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale verbunden. Wichtig ist sicherzustellen, dass über die Leitung auftretende Widerstände innerhalb des zulässigen Bereiches liegen, damit beispielsweise in einem Auslösefall eine hinreichende Spannung abfällt bzw. anliegt.
• An einem Abschluss 8 der Zweidrahtleitung ist typischerweise eine Abschlusskomponente 50 mit als Diode 52 ausgestaltetem Verpolschutz und als Widerstand 54 dargestelltem Verbraucher vorgesehen. Damit wird ein Kurzschluss über die Zweidrahtleitung vermieden und gleichzeitig die Möglichkeit der Überwachung mit einem durch die Abschlusskomponente 10 fließenden Strom geschaffen. Insbesondere geht durch den Verpolschutz nie ein Überwachungsstrom durch die Abschlusskomponente 50.
• Die Zweidrahtleitung, an der insbesondere mehrere Teilnehmer wie Melder, Alarmgeber, etc. angeschlossen sind, kann als eine Kombination aus Längswiderstand R_L und Parallelwiderstand R_S modelliert werden. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Längswiderstand R_L und den Parallelwiderstand Rs getrennt bestimmen bzw. überwachen zu können. Hierfür schlägt die Erfindung eine besonders einfache passive Abschlusskomponente 10 vor, die an dem Abschluss 8 der Zweidrahtleitung 2 angeschlossen ist. Gegenüber der herkömmlichen Abschlusskomponente 50, die lediglich den gesamten Leitungswiderstand bestimmt, ist somit eine separate Bestimmung von R_L und Rs möglich.
• Die erfindungsgemäße Abschlusskomponente 10 weist einen ladbaren Energiespeicher 12 auf, die in dem gezeigten Beispiel als Kondensator mit einer Kapazität C ausgestaltet ist. Ferner zeigt die passive Abschlusskomponente 10 keine Temperaturabhängigkeit der Bestimmung, so dass die Kapazität C automatisch bestimmt werden kann, weshalb keine Konfiguration/Einmessung der Abschlusskomponente 10 notwendig ist.
• Erfindungsgemäß wird nun der Parallelwiderstand R_S und der Längswiderstand R_L zusammen mit der Kapazität C anhand eines Spannungsverlaufes U(t) von einer Steuereinheit 40 bestimmt, deren Funktion mit Verweis auf 2 beschrieben wird.
• Eine Konstantstromquelle 20 ist zwischen den Ausgangsklemmen 4, 6 angeordnet, um einen konstanten aber vorzugsweise einstellbaren Messstrom I1 über den ladbaren Energiespeicher 12 der passiven Abschlusskomponente 10 bereitzustellen.
• Ferner ist eine Spannungserfassungseinheit 30 zum Erfassen eines Spannungsverlaufes U(t) zwischen den Ausgangsklemmen 4, 6 bereitgestellt. Die Steuereinheit 40 ist zum Ansteuern der Konstantstromquelle 20 und zum Auswerten des von der Spannungserfassungseinheit 30 erfassten Spannungsverlaufes U(t) eingerichtet. Hierbei ermöglicht es die Steuereinheit 40, auf geschickte Weise den Längswiderstand R_L und den Parallelwiderstand R_S der Zweidrahtleitung 2 zu bestimmen, wie im Folgenden erläutert wird.
• Zusammenfassend soll die Steuereinheit 40 demnach eine zuverlässige Aussage darüber machen können, ob die vorhandenen Leitungswiderstände R_L , R_S im Falle einer Ansteuerung eine ausreichende Spannung am Verbraucher ermöglichen.
• Die Steuereinheit 40 ist entweder als separates Modul, beispielsweise innerhalb der Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale 100, ausgestaltet oder kann als integraler Teil der Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale 100 ausgeführt sein. In einem bevorzugten Fall sind sämtliche der auf Seite der Zentrale vorgesehene Komponenten der Einrichtung 1 zur Überwachung einer Zweidrahtleitung in Form eines Überwachungsmoduls 110, das in 1 mit gestrichelten Linien gezeigt ist, ausgeführt. In diesem Fall wird beispielsweise eine weitere Steuereinheit 45 der Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale 100 die ergänzenden Funktionen zur Brandüberwachung und/oder Löschsteuerung übernehmen.
• Der Spannungsverlauf U(t) an den Modulklemmen 4, 6 wird kontinuierlich gemessen. Dabei wird der ladbare Energiespeicher 12 zunächst über die Konstantstromquelle 20 für einen bestimmten Zeitraum T1 mit dem Strom I1 geladen. Anschließend wird die Konstantstromquelle 20 abgeschaltet und über einen Zeitraum T2 wird die Selbstentladung der Kapazität C über den Parallelwiderstand Rs beobachtet. Schließlich wird der ladbare Energiespeicher 12 während eines darauffolgenden Zeitraumes T3 über einen Entladewiderstand einer Entladeeinheit 60 vollständig entladen.
• 2 zeigt schematisch ein Diagramm 300, in dem die erfasste Spannung U(t) über die Zeit dargestellt ist. Insbesondere ist die Unterteilung in die Zeiträume T1, T2 und T3 vorgenommen worden und vier verschiedene Spannungsverläufe 310, 312, 320, 322 für je zwei unterschiedliche Werte des Längswiderstands R_L und je zwei unterschiediche Werte des Parallelwiderstands R_s wurden aufgenommen. Während des zweiten Zeitraumes T2 fallen diese vier Spannungsverläufe 310, 312, 320, 322 auf zwei Spannungsverläufe 314, 324 zusammen, da das Zeitverhalten der Selbstentladung von dem Längswiderstand R_L unabhängig ist.
• Interessant und für die Berechnung wichtig sind insbesondere der Einschalt- und Ausschaltmoment der Konstantstromquelle 20. Aus den in dem Spannungsverlauf U1 erkennbaren Sprüngen 330, 340 lässt sich direkt der Leitungswiderstand bestimmen. Das Zeitverhalten der Selbstentladung ist nur durch eine von der Kapazität C und dem Parallelwiderstand R_S abhängende Zeitkonstante charakterisiert.
• Für den Ladevorgang im Zeitraum T1 gilt folgende Differentialgleichung der Spannung U: $$U=I{R}_L+R_S\left(I-C\frac{\partial U}{\partial t}\right)$$

  
• Es wird davon ausgegangen, dass der Kondensator zu Beginn jeder Messung, also vor dem Zeitraum T1, vollkommen entladen ist. Mit U(t=0) =0 ist eine Lösung der Gleichung (1) gegeben durch $$U\left(t\right)=I\left[R_L+R_S\left(1-e^{\frac{-t-R_S}{R_{S}C}}\right)\right]$$

  

  $$U\left(0-\right)=0$$

  

  $$U\left(0+\right)=I{R}_L$$

  
• Während der Selbstentladung, also während des Zeitraumes T2, fällt keine Spannung über den Längswiderstand R_L ab. Daher kann die Standardgleichung der Kondensator-Entladung verwendet werden $$U\left(t\right)=U\left(T_L+\right)e^{-\frac{t-T_L}{R_{S}C}}$$

  

  $$U\left(T_L+\right)=U_C\left(T_L-\right)$$

  
• Die erzwungene Entladung während des dritten Zeitraumes T3 wird nicht betrachtet. Die Entladezeit muss nur so lange gewählt sein, dass der ladbare Energiespeicher 12 zu Beginn der nächsten Messung vollständig entladen ist.
• Der oben erläuterte und in 2 skizzierte 3-teilige Messverlauf wird zur Bestimmung der Widerstandswerte vorzugsweise periodisch wiederholt. Für jede Messung liegen diskrete Spannungswerte vor, die in Lade- und Selbstentladevorgang eingeteilt werden können. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der kurzen für die Detektion einer Störung benötigten Zeitdauer, die im Bereich weniger Millisekunden liegt.
• Der Spannungsverlauf U(t) wird im Folgenden zurweiteren Verarbeitung in den Zeiträumen T1, T2 bzw. T3 entsprechende Messwertverläufe U1, U2 bzw. U3 aufgeteilt. Es liegen daher von der Spannungserfassungseinheit 30 insbesondere Messwert-Vektoren U1 und U2 vor, die während der Zeiträume T1 und T2 erfasst werden. Das Ziel der folgenden Berechnungen ist, aus U1 und U2 möglichst genau die Parameter R_L und P_S sowie nebenbei C zu bestimmen.
• Dazu werden die Gleichungen (2) und (3) betrachtet, in denen diese Parameter vorkommen. Es fällt auf, dass in Gleichung (3) zwei Unbekannte vorhanden sind: Die Zeitkonstante τ = R_S * C und der Startwert U(T_L+). Die Steuereinheit 40 bestimmt nun vorzugsweise zunächst diese Konstanten, bevor sie in einem getrennten anschließenden Schritt unter Verwendung der Gleichung (2) die restlichen Unbekannten bestimmt.
• Das Ziel ist, wie erwähnt, ausgehend von den erfassten Messreihen der Spannungsverläufe U1 und U2 Aussagen über die Parameter zu treffen. Die Gleichungen (2) und (3) definiert den zeitlichen Verlauf der Spannungswerte, wobei über eine Schätzung bzw. Approximation die Parameter bestimmt werden, die den Kurvenverlauf am besten nachbilden. In diesem Beispiel wird hierfür das Least-Square-Verfahren verwendet, mit dem N beobachtete Messwerte mit möglichst geringem gemittelten Fehler auf eine Funktion projiziert werden, in diesem Fall auf eine lineare Gleichung erster Ordnung der Zeit t: $$y\left(t\right)=\alpha +\beta t$$

  
• Mit dem Least-Square-Verfahren wird zu den Messwerten y_i , die zu jeweiligen zugehörigen Zeitpunkten t_i aufgenommen wurden, ein zugehöriger Messfehler ε_i addiert, der eine Abweichung gegenüber der idealen Messkurve beschreibt: $$y_i=\alpha +\beta t_i+{\epsilon }_i$$

  

  $$Q\left(\alpha ,\beta \right)={\displaystyle \sum _{i=1}^N{\epsilon }_i}={\displaystyle \sum _{i=1}^N\left(y_i-\alpha -\beta t_i\right)\stackrel{!}{{\displaystyle =}}min}$$

  

  $$\widehat{\alpha }=\overline{y}-\widehat{\beta }\overline{t}$$

  

  $$\widehat{\beta }=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^N\left(t_i-\overline{t}\right)\left(y_i-\overline{y}\right)}}{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^N{\left(t_i-\overline{t}\right)}^2}}=\frac{cov\left(t,y\right)}{var\left(t\right)}$$

  
• Das Least-Square-Verfahren summiert zunächst die Quadrate der individuellen Messfehler ε_i zu einer Summe Q, die von den beiden Parametern α- und β abhängt. Die anschließende Minimierung dieser Summe führt zu den besten Schätzungen α̂, β̂ für die Parameter α- und β.
• Wie erwähnt wird zunächst Gleichung (3) für den Selbstentladevorgang während des Zeitraums T2 herangezogen, da diese lediglich von zwei der drei Parameter beeinflusst ist. Der Einfachheit halber wird der Zeitpunkt, an dem die Konstantstromquelle 20 abgeschaltet wird, in den Zeitlichen Nullpunkt geschoben: $$\begin{array}{c}U\left(t\right)=U\left(T_L+\right)e^{-\frac{t}{R_{S}C}}\\ \tau =R_{S}C\\ U\left(t\right)=U\left(T_L+\right)e^{-\frac{t}{\tau }}\end{array}$$

  
• Diese Gleichung ist nicht linear sondern exponentiell von der Zeit t abhängig. Die Gleichung ist demnach exponentiell und damit nicht linear und muss zur Überführung in eine lineare Gleichung in erster Ordnung der Zeit t beiderseitig logarithmiert werden. Hierbei kommen die üblichen Rechengesetze für den natürlichen Logarithmus zur Anwendung: $$\text{log}\left(x\ast y\right)=\text{log}\left(x\right)+\text{log}\left(y\right)$$

  

  $$\text{log}\left(e^x\right)=x$$

  

  $$\text{log}\left(U\left(t\right)\right)=\text{log}(U\left(T_L+\right)-\frac{t}{\tau }$$

  

  $$\text{log}\left(U\left(t\right)\right)={\alpha }_2+{\beta }_{2}t$$

  

  $${\alpha }_2=\text{log}\left(U\left(T_L+\right)\right)$$

  

  $${\beta }_2=-\frac{1}{\tau }$$

  
• In Gleichung (4) ist die nun lineare Form in Bezug auf t zu erkennen. Das heißt, es werden zunächst alle erfassten Spannungen U2 logarithmiert. Auf diese Werte kann dann der Least-Square-Ansatz auf einfache Weise, vgl. Gleichung (4), angewendet werden.
• Aus der Anwendung des Least-Square-Ansatzes auf alle Messwerte während der Selbstentladung aus U2 folgen die Parameter α₂ und β₂. Anschließend kann über die Gleichung (6) die Zeitkonstante τ bestimmt werden: $$\tau =-\frac{1}{{\beta }_2}$$

  
• Die gewünschten Parameter R_S , R_L und C sind damit weiterhin unbekannt. Sie können jetzt allerdings durch Betrachtung des Ladevorgangs ermittelt werden.
• Gleichung (2) beschrieb bereits den Spannungsverlauf des Ladevorgangs. In den zeitlichen Nullpunkt verschoben und unter Verwendung der Zeitkonstante τ lässt sie sich schreiben als $$U\left(t\right)=I\left[R_L+R_S\left(1-e^{-\frac{t}{\tau }}\right)\right]$$

  
• Diese exponentielle Kurve hat im Gegensatz zur Entladekurve zusätzlich einen Offset. Sie lässt sich damit nicht direkt mit dem Least-Square-Ansatz berechnen.
• Allerdings ist die Zeitkonstante τ bereits bestimmt. Gleichung (7) kann daher in eine lineare Form, vgl. Gleichung (8), umgeschrieben werden: $$U\left(t\right)=I\left(R_L+R_S\right)-I{R}_S{e}^{-\frac{t}{\tau }}$$

  

  $$U\left(t\right)={\alpha }_1+{\beta }_1{e}^{-\frac{t}{\tau }}$$

  

  $${\alpha }_1=I\left(R_L+R_S\right)$$

  

  $${\beta }_1=-I{R}_S$$

  
• Dazu muss lediglich mit der bekannten Zeitkonstante τ für jeden Zeitwert die entsprechende Exponentialfunktion berechnet werden.
• Aus Anwendung des Least-Square-Ansatzes auf alle Messwerte U1, d.h. aus dem Zeitraum T1, folgen die Parameter α₁ und β₁. Mit den Gleichungen (10, 9, 3a) können nun schließlich die gewünschten Parameter R_S , R_L und C direkt berechnet werden: $$R_S=-\frac{{\beta }_1}{I}$$

  

  $$R_L=\frac{{\alpha }_1}{I}-R_S$$

  

  $$C=\frac{\tau }{R_S}$$

  
• Im Ergebnis bedeutet das, dass nach jeder Lade-Selbstentlade-Kurve über lediglich zwei durchzuführende Least-Square-Schätzungen die benötigten Werte präzise angegeben werden können.
• Die Zeitdauern T1, T2 und T3 können beispielsweise im Bereich von Bruchteilen von Millisekunden, insbesondere 0,1-1 ms, und besonders bevorzugt 0,5 ms, oder wenigen Millisekunden liegen. Damit ist durch die kurze Messdauer eine angemessen hohe Rate der Wiederholung der Messung möglich.
• Bezugszeichenliste

1

Einrichtung zur Überwachung einer Zweidrahtleitung

2

Zweidrahtleitung

4, 6

Ausgangsklemme der Zweidrahtleitung

8

Abschluss der Zweidrahtleitung

10

Abschlusskomponente

12

ladbarer Energiespeicher

20

Konstantstromquelle

30

Spannungserfassungseinheit

40

Steuereinheit

45

Steuereinheit

50

Verbraucher mit Verpolschutz

52

Diode

54

Widerstand

60

Entladeeinheit

100

Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale

110

Überwachungsmodul

R_L

Längswiderstand

R_S

Parallelwiderstand

C

Kapazität

I1

Messstrom

U(t)

Spannungsverlauf

T1

erster Zeitraum

T2

zweiter Zeitraum

T3

dritter Zeitraum

300

Diagramm

310, 312, 314, 320, 322, 324, 326

Spannungsverlauf

330

Spannungssprung

340

Spannungssprung

• 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
• EP 2804163 [0004]
• EP 2232455 [0005]
• EP 2093737 [0005]
• EP 1816619 [0005]
• DE 2038795 [0005]
• DE 3036029 [0005]

Claims (15)

1. Einrichtung (1) zur Überwachung einer Zweidrahtleitung (2), insbesondere einer Zweidrahtleitung (2) eines Brandschutzsystems, umfassend eine passive Abschlusskomponente (10) zum Abschluss der Zweidrahtleitung (2), wobei die passive Abschlusskomponente einen ladbaren Energiespeicher (12) aufweist, eine Konstantstromquelle (20) zum Bereitstellen eines Messstroms (11) zu der passiven Abschlusskomponente, eine Spannungserfassungseinheit (30) zum Erfassen eines Spannungsverlaufes (U(t)) an Ausgangsklemmen (4, 6) der Zweidrahtleitung (2), eine Steuereinheit (40) zum Ansteuern der Konstantstromquelle (20) und zum Auswerten des erfassten Spannungsverlaufes (U(t)), wobei die Steuereinheit (40) dazu eingerichtet ist, einen Längswiderstand (R_L) und einen Parallelwiderstand (Rs) der Zweidrahtleitung (2) zu bestimmen.
2. Einrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der ladbare Energiespeicher (12) der passiven Abschlusskomponente (10) als zwischen den beiden Drähten der Zweidrahtleitung (2) anordenbarer Kondensator ausgestaltet ist.
3. Einrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der Kondensator eine Kapazität (C) aufweist, die über 0,1 µF, insbesondere über 1 µF und besonders bevorzugt im Bereich von 1 µF bis 10 µF liegt.
4. Einrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Spannungsverlauf (U(t)) in Reaktion auf eine Änderung des bereitgestellten Messstromes (11) auszuwerten.
5. Einrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den ladbaren Energiespeicher (12) während eines vorbestimmten ersten Zeitraumes (T1) durch Ansteuerung der Konstantstromquelle (20) zu laden und eine Selbstentladung des ladbaren Energiespeichers (12) während eines sich daran anschließenden zweiten Zeitraumes (T2) nach Abschalten der Konstantstromquelle (20) auszuwerten.
6. Einrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung (U(t)) während des ersten (T1) und zweiten (T2) Zeitraumes den Längswiderstand (R_L) und den Parallelwiderstand (R_S) der Zweidrahtleitung (2) zu bestimmen.
7. Einrichtung (1) nach Anspruche 6, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Parallelwiderstand (Rs) und den Längswiderstand (R_L) der Zweidrahtleitung (2) anhand zweier aufeinander aufbauender Approximationen des Spannungsverlaufs (U(t)) während des ersten (T1) und zweiten (T2) Zeitraumes zu bestimmen.
8. Einrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, diskrete Werte des erfassten Spannungsverlaufes (U(t)), insbesondere mittels des Least-Squares-Verfahrens, zu verwenden, um Konstanten zweier linearer Gleichungen der Spannung in erster Ordnung einer von der Zeit abhängigen Variablen während des ersten (T1) und zweiten (T2) Zeitraumes zu approximieren.
9. Einrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit zur Überwachung mehrerer Zweidrahtleitungen (2) ausgebildet ist.
10. Verfahren zur Überwachung einer Zweidrahtleitung (2), insbesondere eines Brandschutzsystems, wobei das Verfahren aufweist Bereitstellen eines Messstroms (11) zu einer passiven Abschlusskomponente (10) zum Abschluss der Zweidrahtleitung (2), wobei die passive Abschlusskomponente (10) einen ladbaren Energiespeicher (12) aufweist, Erfassen eines Spannungsverlaufes (U(t)) an Ausgangsklemmen (4, 6) der Zweidrahtleitung (2), Auswerten des erfassten Spannungsverlaufes (U(t)), um einen Längswiderstand (R_L) und einen Parallelwiderstand (Rs) der Zweidrahtleitung (2) zu bestimmen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Messstrom (11) in einem ersten Zeitraum (T1) zum Laden des ladbaren Energiespeichers (12) bereitgestellt wird und in einem daran anschließenden zweiten Zeitraum (T2) nicht bereitgetellt wird, wobei ein Spannungsverlauf (U(t)) an den Ausgangsklemmen (4, 6) während des ersten Zeitraumes (T1) und des zweiten Zeitraumes (T2) erfasst und ausgewertet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Parallelwiderstand (Rs) und der Längswiderstand (R_L) der Zweidrahtleitung (2) anhand zweier aufeinander aufbauender Approximationen des Spannungsverlaufs (U(t)) während des ersten (T1) und zweiten (T2) Zeitraumes bestimmt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei diskrete Werte des erfassten Spannungsverlaufes (U(t)) verwendet werden, um den Parallelwiderstand (Rs) und den Längswiderstand (R_L) aus approximierten Konstanten zweier linearer Gleichungen der Spannung in erster Ordnung einer von der Zeit abhängigen Variablen während des ersten (T1) und zweiten (T2) Zeitraumes zu bestimmen.
14. Steuermodul einer Brandmelder- und/oder Löschsteuerzentrale zur Überwachung einer Zweidrahtleitung (2) eines Brandschutzsystems, wobei das Steuermodul dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 auszuführen.
15. Verwendung eines Kondensators als passive Abschlusskomponente (10) zum Abschluss einer Zweidrahtleitung (2) eines Brandschutzsystems.

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