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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Temperatursensoren sind zur einfachen Temperaturerfassung und -anzeige oder als Schutzelement für eine weitere technischen Komponente üblich.
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Der Einsatz eines NTC-Temperaturfühlers für eine ex-geschützte Heizung ist aus der
EP 1 251 718 B1 bekannt, die einen eingegossenen NTC-Widerstand bzw. NTC-Thermosensor offenbart. Hierbei wird eine Umschalttemperatur in der Regelschaltung fest vorgeben oder zur Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten ist dieser über einen Temperaturregler einstellbar. Mit dem Temperaturfühler kann die aktuelle Temperatur einer Übertemperatursicherung für einen Vergleich mit einer vorgegebenen Umschalttemperatur ermittelt werden.
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Aus der
EP 1388192 B1 ist weiterhin zur Erhöhung der Sicherheit eines Schutzwiderstandes gegen Überhitzung bekannt, einen NTC-Widerstand thermisch fest mit dem Schutzwiderstand zu koppeln, so dass dieser den NTC-Widerstand erwärmt. Somit kann vor dem Erreichen einer unzulässigen Oberflächentemperaturen der Widerstandswert des NTC-Widerstandes so klein werden, dass eine entsprechend geschaltete Shunt-Einrichtung ausgelöst wird.
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Insbesondere im explosionsgeschützten Bereich (Ex-Bereich) und bei der Zweileitertechnologie, wie beispielsweise Single Pair Ethernet (SPE) oder Twisted Pair Ethernet (TPE), besteht nach wie vor ein hoher Bedarf nach einem kostengünstigen Temperatursensor, dessen Funktion sicher überwacht werden kann.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine diesbezüglich verbesserte Sensorvorrichtung zur Temperaturerfassung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Temperaturerfassung vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensorvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Danach wird die Aufgabe gelöst durch eine Sensorvorrichtung zur Temperaturerfassung, umfassend eine Zuleitung, eine Ableitung und ein hierüber verbundenes Temperaturerfassungselement, wobei weiterhin mit der Zuleitung und/oder mit der Ableitung eine Auswerteschaltung verbunden ist, die als Strom- und/oder als Spannungsmesseinheit ausgebildet ist oder diese umfasst, und wobei die Auswerteschaltung zusätzlich mit einer Versorgungseinheit verbindbar ist.
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Hierbei ist „verbindbar“ nicht einschränkend zu verstehen, und meint allgemein eine stromleitende und/oder datenleitende Verbindung je nach sinnvoll denkbaren Optionen in dem jeweiligen Sinnzusammenhang.
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Vorliegend ist in der Zuleitung ein erster Widerstand (Rs) angeordnet, insbesondere ein Widerstand mit einem zum Stromfluss linearen Widerstandwert, wie ein Ohm'scher Widerstand, und zwischen der Zuleitung und der Ableitung ist ein das Temperaturerfassungselement brückender zweiter Widerstand (Rp) in einer Brückenleitung angeordnet, der ebenfalls ein Widerstand mit einem zum Stromfluss linearen Widerstandwert ist, wie ein Ohm'scher Widerstand, und wobei das Temperaturerfassungselement ein temperaturabhängiger Widerstand ist.
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Grundsätzlich kann der temperaturabhängige Widerstand ein Platin-Messwiderstände sein, dessen Widerstand quasi linear nach einer definierten Kennlinie mit steigender Temperatur ansteigt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Sensorvorrichtung sieht allerdings vor, dass das Temperaturerfassungselement ein temperaturabhängiger Widerstand ist, dessen Widerstandswert mit sinkender Temperatur steigt, wie ein Heißleiter, insbesondere ein NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor (Negative Temperature Coefficient).
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Es hat sich als Vorteil herausgestellt, dass es durch gezielte Dimensionierung eines solchen temperaturabhängigen Widerstandes, insb. Heißleiter wie ein NTC-Widerstand, an der genannten Schnittstelle möglich ist, einen sehr einfachen, kostengünstigen Temperatursensor zu erstellen. Dieser ist weiterhin für den Ex Bereich geeignet und bietet die Zusatzfunktionen der Leitungsüberwachung hinsichtlich eines Kurzschlusses und/oder eines Leitungsbruchs. Vorteilhafterweise können Anwender auf einfache Weise bereits vorhandene NAMUR-Eingänge mit einem weiteren Eingang für eine Temperaturüberwachung nutzen. Insbesondere kann durch diesen 2-Leitersensor (Heißleiter, NTC), der Wertebereich der zu überwachenden Temperatur im zulässigen Wertebereich beispielsweise der IEC60947-5-6 dimensioniert werden.
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Idealerweise besteht der gesamte Sensorkopf nur aus dem Heißleiter, insb. einem NTC, Zu- und Ableitung und den beiden genannten Widerständen, die einem Gehäuse oder einem Schutzelement, wie einer Hülle oder Tasche, aufgenommen sind oder angrenzend an ein tragendes Bauteil oder eine Komponente (Oberfläche) mindestens teilweise an- oder eingegossen sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Auswerteschaltung und/oder eine hiermit verbundene Versorgungseinheit derart ausgelegt, dass mindestens drei der folgenden vier möglichen Betriebszustände über das Temperaturerfassungselement unterscheidbar sind:
- - ein Leitungsbruch, indem der Stromfluss von < 0,1 mA (INull) vorliegt,
- - ein Stromfluss bis zu einer ersten definierten Stromstärke (I1)
- - ein Stromfluss bis zu einer zweiten definierten Stromstärke (I2)
- - ein Kurzschluss zwischen Zu- und Ableitung, indem die netzabhängige maximale Stromstärke (Imax) vorliegt, ggf. abzüglich von Verlustströmen/-leistungen.
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Dabei meint die Versorgungseinheit auch eine mehrteilige Einheit, die beispielsweise eine Leistungsschaltung und eine Steuerschaltung umfasst. Dabei ist INull ein Wert, der als 0 mA bzw. nahe Null mA oder 0 mA zu verstehen ist und bestehende Kriechströme umfasst. Analog ist die Stromstärke Imax die vom Netz- oder Netzzweig abhängige maximale Stromstärke, abzüglich geringfügiger Verlustströme/-leistungen. Somit meint INull und/oder Imax auch Grenzwerte, die als minimal oder maximal systemseitig bestimmt sind und als Leitungsbruch oder Kurzschluss definiert sind.
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Damit kann ohne weitere Sensorik auf sehr einfache Weise der Einbau- und Leitungszustand der Sensorvorrichtung mittels einer Eigenüberwachung festgestellt werden.
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Durch die zwei im Sensorelement möglichen Strompfade, sind Stromteilungen auf den nachstehend genannten Pfaden möglich:
- i) Im Normalbetrieb, bei SOLL-Stromflüssen über das Temperaturerfassungselement und bei Temperaturen im definierten Messbereich, fließt Storm von der Zuleitung, das Temperaturerfassungselement und über die Brückenleitung zur Ableitung, wobei bei der Wahl eines hochohmigen Brückenwiderstandes RP im Normalbetrieb über die Brückenleitung der Stromfluss ~ 0 mA beträgt.
- ii) Außerhalb des Normalbetriebes, d.h. bei Stromflüssen bei intaktem Temperaturerfassungselement und Temperaturen außerhalb des definierten Messbereiches, kann ein Überschreiten einer oberen oder unteren Temperaturgrenze (Grenzkurve) ermittelt werden, wobei der Strom grundsätzlich wie bei Fall i) fließt, bzw. bei einem sehr hochohmigen Zustand des Temperaturerfassungselementes zu einem größeren Teil auch über die Brückenleitung geführt wird.
- iii) Bei Kurzschluss zwischen Zuleitung und Ableitung fließt der Strom weder über die Brückenleitung noch über das Temperaturerfassungselement, so dass der maximale Stromfluss des Netzes oder des Netzabschnitts erfassbar ist und damit ein Kurzschluss erkannt werden kann.
- iv) Bei Kabelbruch fließt kein oder nur ein sehr geringer Kriechstrom, so dass ein Kabelbruch erkannt werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Widerstandswert des Brückenwiderstandes RP das 5- bis 15-fache des Widerstandswertes des Eingangswiderstandes Rs in der Zuleitung, vorteilhafterweise das 8- bis 12-fache, idealerweise das 10-fache.
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Auf diesem Wege wird sichergestellt, dass sich am Knoten nach dem Eingangswiderstand und zur Brückenleitung der Strom vollständig oder weitgehend zu Gunsten des Temperaturerfassungselementes aufteilt.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst diese mindestens ein weiteres Sensorelement und/oder ist unmittelbar hiermit verbunden, wobei das mindestens eine weitere Sensorelement mit dem Temperaturerfassungselement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Hiermit lässt sich die vorstehend genannte Leitungsüberwachung und eine Temperaturschutz bzw. -überwachung konstruktiv einfach und sehr wirtschaftlich für komplexere Sensoren kombinieren. Idealerweise sind die Sensorvorrichtung und das weiter Sensorelement mit einer gemeinsamen Spannungsquelle bzw. einer gemeinsamen Versorgungsleitung verbunden. Die Zuleitung zum weiteren Sensorelement kann ebenfalls als Zweidrahtleiter mit der analogen Brückenleitung und Widerstandsanordnung wie hierin beschrieben erfolgen, worüber eine analoge Leitungsüberwachung möglich ist.
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Das weitere Sensorelement kann idealerweise ein Sensor sein, insbesondere ein induktiver, kapazitiver oder magnetischer Näherungssensor.
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Zum Einsatz in einem explosionsgeschützten Raum oder Umfeld, weist die Auswerteeinheit der Sensorvorrichtung vorteilhafterweise eine galvanische Trenneinheit auf, ist hiermit verbunden oder kann hiermit verbunden werden. Diese fungiert als Kopplungseinheit zu der Versorgungseinheit oder einer der Komponenten der Versorgungseinheit. Über die galvanische Trenneinheit werden insbesondere die temperatur-, spannungs- und/oder strombezogenen Messwerte oder Messdaten von der Auswerteeinheit zu einer verbundenen Prozessor- oder Steuereinheit weitergeleitet. Im Regelfall werden über die Trenneinheit nur Messwert oder Messdaten gesendet, da die Temperaturerfassungselement in einer üblichen Ausführungsform als einfacher, rein erfassender Sensor nicht gesteuert oder geregelt wird.
Bei einer weiter verbesserten Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die
Auswerteschaltung einen Endwiderstand RE in einer Endleitung gegen Erde (GRD) auf, die mit der Ableitung verbunden ist. Hierbei ist die der Endwiderstand RE in dieser Endleitung ist ein Ohm'scher Widerstand, der vorrangig einen Widerstandswert des 0,5 bis 2,5-fachen des Eingangswiderstandes Rs aufweist. Idealerweise weist entsprechen sich die Widerstandswerte des Eingangswiderstandes Rs und des Endwiderstandes RE.
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Von der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur, insbesondere einer Temperatur in einem explosionsgeschützten Raum umfasst, wobei eine Sensorvorrichtung nach einer der vorherigen Ausführungsvarianten verwendet wird. Hierbei wird in der vorstehend beschriebenen Art und Weise über die Messung des Stromflusses und/oder der Spannung aus der Spannungs- und/oder Stromkennlinie des Temperaturerfassungselementes die Temperatur ermittelt.
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Idealerweise wird bei dem Verfahren zusätzlich eine Leitungszustandserkennung vorgenommen, wobei folgende Leitungszustände überwacht werden beziehungsweise erkennbar sind:
- - ein Kurzschluss zwischen der Zuleitung und der Ableitung zum Temperaturerfassungselement,
- - ein Kabelbruch in der Zuleitung und/oder der Ableitung zum Temperaturerfassungselement,
- - eine Bruch oder Schaden im Temperaturerfassungselement selbst und/oder
- - ein Stromfluss über das Temperaturerfassungselement in einem definierten Bereich beziehungsweise das Über- oder Unterschreiten eines Stromflusses aus dem definierten (Arbeits-)Bereich.
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Vorteilhafterweise wird bei einer weiteren Variante des Verfahrens die IST-Temperatur und/oder die Leitungsqualität eines weiteren, baulich verbundenen Sensorelements überwacht. Basierend hierauf kann auf einfache Weise eine temperaturabhängige Hysterese von beispielsweise Spulen ausgeglichen werden und/oder das Verlassen eines SOLL-Temperaturbereiches erkannt und geeigneten Warn- und/oder Steuerungsbefehle veranlasst werden. Hierbei erfolgt die Temperaturerfassung durch die Sensorvorrichtung durch eine Anbringung derselben auf einem Träger oder einem Gehäuseabschnitt des Näherungssensors, der außerhalb des Erfassungswinkels des Näherungssensors liegt.
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Bei diesem Ausführungsformen können die beiden unabhängigen Signale der Sensorvorrichtung und des weiteren Sensorelements mittels eines 4-adrigen Anschlusses oder Anschlussleitung erfolgen. Diese kann beispielsweise auch über einen 4-poligen Industriestecker in Bauform M8x1 (gem. IEC 61076-2-104) oder M12×1 (gem. IEC 61076-2-101) ausgeführt sein.
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Damit besteht ein besonderer Vorteil auch darin, dass neben der Möglichkeit der Leitungsüberwachung (Kurzschluss und/oder Bruch), auch in der Anwendung jegliche Beschädigungen detektiert werden können, indem beispielsweise aufgrund der konkreten Kennlinie erwartete Spannungsschritt dV oder erwartete Stromstärkestritte dl mit den IST-Schritten verglichen werden oder andere geeigneten logische Zusammenhänge aufgestellt und überprüft werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 in zwei Teilansichten die Sensorvorrichtung als Schaltanordnung (Teilansicht a)) und die Kenn- und Grenzverläufe (Teilansicht b)),
- 2 eine zur 1 analoge Schaltanordnung für eine Anwendung im Ex-Bereich,
- 3 eine zur 1 detaillierter Schaltanordnung der Auswerteschaltung und
- 4 eine Kombination der Sensorvorrichtung mit einem weiteren Sensorelement.
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In der 1 in der Teildarstellung a) ist ein schematischer Aufbau einer Sensorvorrichtung 1 zur Temperaturerfassung gezeigt, die einen Sensorkopf 2 aufweist, der über eine Zweidrahtleitung, umfassend die Zuleitung 11 und die Ableitung 12, mit einer Auswerteschaltung 4 verbunden ist. Zwischen Zuleitung 11 und Ableitung 12 ist stromleitend ein Temperaturerfassungselement 10 eingebunden.
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Die Auswerteschaltung 4 umfasst eine Strommesseinheit 5 und eine Spannungsmesseinheit 6, wie insbesondere in der 3 beispielhaft im Detail ausgeführt wird.
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Die Auswerteschaltung 4 ist in einer nicht dargestellten Weise mit einer Versorgungseinheit 20 verbindbar, wie beispielsweise in den 2 oder 3 dargestellt. Über die Versorgungseinheit 20 wird der Sensorkopf 2 mit einer Spannung von 8,2 V versorgt.
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In der Zuleitung 11 kann vor dem Temperaturerfassungselement 11 ein Eingangswiderstand Rs von 1 kΩ angeordnet und zwischen Zuleitung 11 und Ableitung 12 kann eine Brückenleitung 13 mit einem Brückenwiderstand Rp von 10 kΩ vorgesehen sein, der parallel zum Temperaturerfassungselement 10 verläuft. Das Temperaturerfassungselement 10 ist ein NTC-Thermistor mit einer S-förmigen Kennlinie und einem großen Spreizungsgrad. Somit sind logische Zusammenhänge ableitbar, weil jeder Temperaturschritt, ausgehend von einem bekannten Punkt auf der Kennlinie, einem erwarteten Kennlinienverlauf folgen muss, wenn in den Leitungen kein Defekt vorliegt. Somit ist eine sehr ausgeprägte Kennlinie mit charakteristischen Abschnitten (Wendepunkte, Steigungswechsel/-verläufe) von Vorteil. Liegt ein Ablösen oder ein Bruch in dem Temperaturerfassungselement 10 selbst vor, fließt der Strom ausschließlich über die hochohmige Brückenleitung und dieser Fehler ist somit leicht detektierbar.
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Weiterhin sind zwei Schadensfälle dargestellt, die zu einem irregulären Stromfluss führen. Dies ist eine Bruchschaltung 14, der in der Zuleitung 11 angedeutet ist, aber natürlich auch in einem anderen Leitungsabschnitt der Zu- oder Ableitung erfolgen könnte, so dass kein Stromfluss oder nur noch ein minimaler Kriechstrom fließt. Weiterhin ist eine Kurzschlussschaltung 16 als weiterer fehlerhafte Zustand gezeigt, wobei eine direkte Verbindung zwischen Zu- und Ableitung entsteht, und der maximale Stromfluss erfolgt, basierend auf der angelegten Spannung von 8,2 V abzüglich der systembedingen Widerstände und ggf. sonstiger Verlustströme.
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In der Teilansicht b) ist in dem Graphen die Stromstärke (y-Achse) gegen die Temperatur (x-Achse) aufgetragen. Hierbei zeigt die S-förmige, strichpunktierte Kurve 7 die Kennlinie des Temperaturerfassungselementes 10, die klein-gestrichelte, obere Grenzkurve 8 liegt bei 5,86 mA und definiert die Kurzschlussschaltung und die lang-gestrichelte, untere Grenzkurve 9 liegt bei 0,15 mA und definiert die Bruchschaltung. Die Kurzschlussschaltung entspricht somit einer Temperatur von ca. 100 °C, einem niederohmigen Temperaturerfassungselement 10, wobei die Bruchschaltung einer Temperatur von -30 °C entspricht, bei einem hochohmigen Zustand des Temperaturerfassungselementes 10. Der vorliegende SOLL-Arbeitsbereich wird als -20°C bis +80°C definiert.
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Es kann also vorgesehen werden, dass der SOLL-Arbeitsbereich hinreichend Abstand zur Definition einer Kurzschluss- oder Bruchschaltung hat. Idealerweise wird ein dT von mindestens 1,0 bis 5,0 % der Gesamtspreizung als Abstand zur jeweiligen Grenzkurve 7, 8 gewählt, wobei 1°C nicht unterschritten werden sollte, um zu häufige falsch-positive Fehlermeldungen zu vermeiden. Bei der vorliegenden Gesamtspreizung von ca. 100°C sollte der Abstand 1,0 bis 5,0 °C betragen.
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In der 2 ist der Einsatz für den Ex-Bereich und eine entsprechende Auswerteschaltung 4 mit zugehöriger Versorgungseinheit 20 dargestellt. Die Versorgungseinheit 20 umfasst hierbei eine Steuerungsschaltung 21, in oder mittels welcher der Empfang- und die Verwertung der Messwerte und Daten erfolgt. Weiterhin ist von der Steuerungseinheit 20 eine Leistungsschaltung 22 umfasst. Die Verbindung zwischen der Auswerteschaltung 4 und der Versorgungseinheit 20 erfolgt in bekannter Weise durch eine geeignete galvanische Trenneinheit 24, symbolisiert durch den Spalt zwischen dem mit „Ex“ gekennzeichneten Block der Auswerteschaltung 4 und den beiden rechts hierzu angeordneten Blöcken der Versorgungseinheit 20. In dem gezeigten Beispiel der 2 sind die Verschaltungen 4, 21, 22 in einem gemeinsamen Gehäuse 15 untergebracht und beispielsweise auf einer gemeinsamen Patine (PCB) aufgebracht. Eine Zweidrahtleitung (Ab-/Zuleitung 11, 12) führt von dem Gehäuse 15 bzw. den Anschlussstellen der Anschlussschaltung 4 zum Sensorkopf 2. Die Anordnung der Widerstände entspricht der in 1.
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Eine beispielhafte Anschlussschaltung 4 ist in der 3 im Detail dargestellt. Sie weist vier Komparatoren 1-4 auf, wobei drei als Spannungsmesseinheiten dienen, um die entsprechenden Signalzustände zu überwachen. Die Spannungsmesseinheit 6 und die einen Endwiderstand RE (Dämpfungswiderstand) aufweisende Endleitung 23 führen auf eine gemeinsame GND-Leitung bzw. zum entsprechenden GND-Anschluss. Die Aufbereitung des passiven, analogen Signals kann mittels der Spannungsmesseinheit 6, einem verbundenen (nicht dargestellten) ADC und/oder einem Mikroprozessor erfolgen. Die Verbindung zu einer bekannten, galvanischen Trenneinheit 23 oder diese selbst ist in der 3 nicht dargestellt.
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Schließlich zeigt die 4 die Verbindung der beschriebenen Sensorvorrichtung 1 mit einem weiteren Sensorelement 30, in dem der das Temperaturerfassungselement 10 umfassende Sensorkopf 2 und der Sensorkopf 31 des weiteren Sensorelements 30 in einem gemeinsamen Gehäuse 15 untergebracht sind. Hierbei ist das weitere Sensorelement 30 als induktiver Näherungssensor ausgebildet und kann in der Zuleitung 17 die analoge Anordnung des Eingangswiederstandes RS von 1kΩ und den Brückenwiderstand Rp von 10 kΩ hin zur Ableitung 18 in der Brückenleitung 19 aufweisen.
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Wie der (Temperatur-)Sensorkopf 2 ist auch der (Näherungs-)Sensorkopf 31 über eine Zweidrahtleitung mit einer Auswerteschaltung verbunden, die in bekannter Weise aufgebaut ist. Über die vorgenannte Verschaltung und den Eingangs- und Brückenwiderstand ist die analoge, selbstüberwachende Leitungsüberwachung bezüglich einer fehlerhaften Kurzschlussschaltung und/oder einer Bruchschaltung sowie bzgl. sonstiger Fehler möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorelement
- 2
- Sensorkopf
- 4
- Auswerteschaltung
- 5
- Strommesseinheit
- 6
- Spannungsmesseinheit
- 7
- Kennlinie
- 8
- Grenzkurve, obere
- 9
- Grenzkurve, untere
- 10
- Temperaturmesseinheit
- 11
- Zuleitung
- 12
- Ableitung
- 13
- Brückenleitung
- 14
- Bruchschaltung
- 15
- Gehäuse
- 16
- Kurzschlussschaltung
- 17
- Zuleitung, des weiteren Sensorelements
- 18
- Ableitung, des weiteren Sensorelements
- 19
- Brückenleitung, des weiteren Sensorelements
- 20
- Versorgungseinheit
- 21
- Steuerungsschaltung
- 22
- Leistungsschaltung
- 23
- Endleitung
- 24
- Trenneinheit, galvanische
- 30
- Sensorelement, weiteres
- 31
- Sensorkopf
- Rp
- Brückenwiderstand
- Rs
- Eingangswiderstand
- RE
- Endwiderstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1251718 B1 [0003]
- EP 1388192 B1 [0004]
