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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf umschlossene elektronische Prozeßsteuerungsgerätschaften
und betrifft im spezielleren eine eigensichere bzw. von sich aus
sichere, tragbare Programmiervorrichtung zur Kommunikation mit einem
elektronischen Prozeßsteuerungsgerät, ohne
daß zwischen
den beiden Einheiten eine elektrische Verbindung besteht.
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Hintergrund
der Erfindung
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Pegelmeßsysteme sind eine Art einer
elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung.
Pegelmeßsysteme,
die auch als Laufzeit-Bezugssysteme bekannt sind, bestimmen die
Entfernung zu einem Reflektor oder einer reflektierenden Oberfläche (z.
B. den Pegel einer in einem Vorratstank enthaltenen Flüssigkeit)
durch Messen, wie lang nach der Übertragung
eines Bündels
von Energieimpulsen das Echo empfangen wird.
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Derartige System verwenden typischerweise Ultraschallimpulse,
Impulsradarsignale oder Mikrowellenenergiesignale. Pegelmeßsysteme
werden bei vielen verschiedenen Arten von Prozeßsteuerungsanwendungen in ganz
unterschiedlichen Anwendungsgebieten häufig verwendet, wie z. B. in
der Erdölindustrie
und der Nahrungsmittelindustrie.
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Industrielle Prozeßsteuerungsanwendungen
in gefährlichen
Umgebungen, wie z. B. der Erdölindustrie,
verlangen häufig,
daß die
elektronischen Prozeßsteue rungsgerätschaften
aus Sicherheitsgründen
als umschlossene Vorrichtungen installiert werden. Nach ihrer Installation
sind umschlossene Vorrichtungen selbst für Zwecke einer routinemäßigen Wartung,
Programmierung und Kalibrierung nicht zugänglich.
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Für
den Zugang zu der Vorrichtung müssen der
oder die in dem Arbeitsraum ablaufenden industriellen Prozesse deaktiviert
werden und der Bereich freigegeben werden, und erst dann kann das
elektronische Prozeßsteuerungsgerät für Wartungszwecke oder
Neuprogrammierung geöffnet
werden.
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Die Programmierung, Kalibrierung
und/oder Konfigurierung solcher elektronischer Prozeßsteuerungsgerätschaften
erfolgt häufig
unter Verwendung einer an Ort und Stelle vorhandenen Kleintastatur oder
eines an Ort und Stelle vorhandenen Bedienfeldes. Der Zugang zu
der Tastatur erfolgt durch Öffnen der
Vorrichtung, nachdem der industrielle Prozeß deaktiviert worden ist und
der Arbeitsraum freigegeben worden ist.
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Es ist ersichtlich, daß die Tastatur
zwar eine notwendige Komponente zum Schaffen der Möglichkeit
einer Konfigurierung, Kalibrierung und Neuprogrammierung der Vorrichtung
ist, die Tastatur jedoch auch eine Komponente ist, die sich zu den
Kosten der Vorrichtung hinzuaddiert.
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Im Fall von umschlossenen elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtungen
in gefährlichen
Umgebungen müssen
die Schalter oder Drucktasten der Tastatur explosionssicher ausgeführt sein,
wobei dies die Kosten der elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung noch
weiter erhöht.
Ferner ist auch der Freigabevorgang für einen Gefahrenbereich sowohl
zeitaufwendig als auch teuer.
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Es bleibt somit ein Bedarf für eine Vorrichtung,
die das Programmieren von umschlossenen bzw. gekapselten elektronischen
Prozeßsteuerungsvorrichtungen
in einem Gefahrenbereich erleichtert.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine eigensichere, tragbare oder in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung,
die für
umschlossene elektronische Prozeßsteuerungsgerätschaften,
wie z. B. Pegelmeßvorrichtungen,
geeignet ist.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt
schafft die vorliegende Erfindung eine eigensichere, tragbare Vorrichtung
zum Konfigurieren des Betriebs von elektronischem Prozeßsteuerungsgerät, wobei
das elektronische Prozeßsteuerungsgerät einen
drahtlosen Kommunikations-Empfänger
aufweist, wobei die tragbare Vorrichtung folgendes aufweist: (a)
ein Gehäuse;
(b) eine in dem Gehäuse
angebrachte elektronische Schaltung; (c) eine mit der elektronischen Schaltung
gekoppelte Tastatur; (d) einen drahtlosen Sender, der auf die elektronische
Schaltung anspricht und betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, Steuersignale
zu dem drahtlosen Kommunikations-Empfänger an dem elektronischen
Prozeßsteuerungsgerät zu senden,
um den Betrieb des elektronischen Prozeßsteuerungsgeräts zu steuern;
(e) wobei die elektronische Schaltung eine Niedrigspannungs-Stromversorgung
und einen Niedrigenergie-Mikrocontroller zum Arbeiten auf einem
niedrigen Spannungspegel aufweist, um das Auftreten von Funkenbildung
zu eliminieren.
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Weitere Gesichtspunkte und Merkmale
der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Durchschnittsfachmann
bei Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele der Erfindung
in Verbindung mit den Begleitzeichnungen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Im folgenden wird auf die Begleitzeichnungen
Bezug genommen, die anhand von Beispielen eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen; in den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Pegelmeßsystems
und einer eigensicheren, in der Hand zu haltenden Programmiervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische, auseinandergezogene Ansicht der eigensicheren, in
der Hand zu haltenden Programmiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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3 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
einer Ausführung
der elektronischen Schaltung für
die eigensichere, in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung
der 2.
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Ausführliche Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Zuerst wird auf 1 Bezug genommen, die eine eigensichere,
tragbare oder in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit einem Pegelmeßinstrument 10 bei
einer typischen gefährlichen industriellen
Anwendung zeigt. Die eigensichere, in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 wird
zwar im Zusammenhang mit einem Pegelmeßinstrument 10 beschrieben,
jedoch versteht es sich, daß die
in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 auch
noch bei anderen Arten von elektronischen Prozeßsteuerungsgerätschaften
verwendbar ist.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist das Pegelmeßinstrument 10 an
einem Vorratstank 12 installiert und bestimmt die Distanz
zu einem Reflektor oder einer reflektierenden Oberfläche, d.h.
dem Pegel einer in dem Vorratstank 12 enthaltenen Flüssigkeit 14,
durch Messung, wie lange bzw. innerhalb welchen Zeitintervalls nach
der Übertragung
eines Bündels
von Energieimpulsen das Echo empfangen wird. Bekannte Pegelmeßsysteme 10 verwendern
Ultraschallimpulse, Impulsradarsignale oder Mikrowellenenergiesignale.
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Das Pegelmeßinstrument 10 beinhaltet
einen Meßwandler 16 (z.
B. einen Ultraschall-Sender/Empfänger
oder einen Mikrowellen-Wellenleiter), eine Mikrocontrollereinheit
(nicht gezeigt) und einen Analog-Digital-Wandler (nicht gezeigt).
Bei manchen Konfigurationen ist das Pegelmeßinstrument 10 über eine
analoge oder digitale Kommunikations-Schnittstelle (nicht gezeigt)
an einem entfernt liegenden Ort angeschlossen.
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Der Meßwandler 16 ist mit
der Mikrocontrollereinheit über
einen Sender gekoppelt. Die Mikrocontrollereinheit verwendet den
Sender zum Anregen des Meßwandlers 16 zum
Aussenden von Energiewellen, d. h. Ultraschallimpulsen oder Mikrowellenimpulsen.
Die reflektierten Impulse oder Echoimpulse werden von dem Meßwandler 16 empfangen
und in einem Empfänger
in ein elektrisches Signal umgewandelt.
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Das Pegelmeßinstrument 10 ist
in dem Behälter 12,
beispielsweise einem Tank, angeordnet, der ein Material, beispielsweise
eine Flüssigkeit 14, enthält, wobei
ein Pegel durch die obere Oberfläche der
Flüssigkeit 14 bestimmt
wird. Die obere Oberfläche
der Flüssigkeit 14 bildet
eine reflektierende Oberfläche
oder einen Reflektor, die bzw. der mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet
ist und den von dem Emitter an dem Meßwandler 16 erzeugten
Impuls (z. B. einen Ultraschalloder Mikrowellenimpuls) reflektiert.
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Der reflektierte Impuls wird durch
den Meßwandler 16 eingekoppelt
und von dem Empfänger
in ein elektrisches Signal umgewandelt, das die Form einer Empfangsecho-Impulswellenform
annimmt. Der empfangene Echoimpuls wird durch einen A/D-Wandler
(nicht gezeigt) abgetastet und digitalisiert, um von der Mikrocontrollereinheit
weiter verarbeitet zu werden.
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Die Mikrocontrollereinheit führt einen
Algorithmus aus, der den Echoimpuls identifiziert und verifiziert
und den Abstand der reflektierenden Oberfläche 18 berechnet,
d. h. die Zeitdauer, die der reflektierte Impuls, d. h. der Echoimpuls,
benötigt,
um von der reflektierenden Oberfläche 18 zu dem Empfänger an
dem Meßwandler 16 zu
laufen. Aus dieser Berechnung wird die Distanz zu der Oberfläche der Flüssigkeit 14 und
daraus der Pegel der Flüssigkeit bestimmt.
Der Mikrocontroller steuert auch die Übertragung von Daten und Steuersignalen über die
Kommunikations-Schnittstelle, falls eine solche vorhanden ist.
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Der Mikrocontroller ist zur Ausführung dieser Operationen
geeignet programmiert, wie dies dem Fachmann klar ist. Die detaillierte
Arbeitsweise von Pegelmeßsystemen 10 oder
anderen Arten von elektronischen Prozeßsteuerungsgerätschaften
ist den Fachleuten bekannt und bildet als solche keinen Bestandteil
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
kommuniziert die eigensichere, tragbare Programmiervorrichtung 100 mit
der Pegelmeßvorrichtung 10 durch einen
drahtlosen Kommunikationskanal oder eine drahtlose Kommunikationsverbindung,
wie diese mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet ist. Die
drahtlose Kommunikationsverbindung 101 kann Infrarotsignale,
Funksignale oder andere geeignete drahtlos Signalgabe verwenden.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die tragbare Programmiervorrichtung 100 unter
Bezugnahme auf eine Infrarot-Kommunikationsverbindung beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt
ist, beinhaltet die Pegelmeßvorrichtung 10 eine
drahtlose Kommunikations-Schnittstelle, die mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet
ist. Die drahtlose Kommunikations-Schnittstelle 20 weist
einen Empfänger
auf und kann auch einen Sender aufweisen, wenn eine Zweiweg-Kommunikation
zwischen der Pegelmeßvorrichtung 10 und
der tragbaren Programmiervorrichtung 100 erwünscht ist.
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In ähnlicher Weise weist die eigensichere, tragbare
Programmiervorrichtung 100 eine drahtlose Kommunikations-Schnittstelle 102 auf,
die einen Sender 230 (3)
beinhaltet. Die drahtlose Kommunikations-Schnittstelle 102 kann
auch einen Empfänger
aufweisen, wenn eine Zweiweg-Kommunikation mit der Pegelmeßvorrichtung 10 erwünscht ist.
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Als nächstes wird nun auf 2 Bezug genommen, in der
die eigensichere, tragbare oder in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung detaillierter dargestellt ist. Wie in 2 gezeigt ist, weist die tragbare Programmiervorrichtung 100 ein
Gehäuse 110, eine
Tastaturmatrix 112, eine Tastaturaufulage 114 und
eine elektronische Schaltungsplatte 116 auf.
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Das Gehäuse 110 umfaßt ein Deckelteil 111 und
ein Basisteil 113. Das Deckelteil 111 und das
Basisteil 112 sind aus allgemeinen Polymeren, z. B. Polystyrol,
gebildet. Die elektronische Schaltungsplatte 116 liegt
auf einem Abstandshalter 118 in dem Basisteil 113 auf.
Die Tastaturmatrix 112 beinhaltet eine Stiftleiste 122,
die direkt auf die elektronische Schaltungsplatte 116 aufgelötet ist.
Wie in 2 gezeigt ist,
paßt das
Bandkabel 122 durch einen Schlitz 126 in dem Deckelteil 111 hindurch.
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Die elektronische Schaltungsplatte 116 trägt ferner
eine Batterie 128, die für die Stromversorgung für die elektronischen
Schaltungseinrichtungen sorgt, wie dies im folgenden noch ausführlicher
erläutert wird.
Die andere Seite der elektronischen Schaltungsplatte 116 trägt die elektronischen
Schaltungseinrichtungen, wie dies in Verbindung mit 3 beschrieben wird. Der Abstandshalter 118 weist
einen Schlitz 120 für
den Infrarotsender auf.
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Als nächstes wird auf 3 Bezug genommen, die eine
Ausführung
einer elektronischen Schaltung 200 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
für die
in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 zeigt.
Die elektronische Steuerung 200 weist einen Mikrocontroller 210,
einen Stromversorgungsmodul 220 und eine Infrarotsenderstufe 230 auf.
Der Mikrocontroller 210 ist vorzugsweise als Niedrigenergie-Einzelchip-Mikrocontroller ausgeführt, wie
z. B. die PIC-Mikrocontroller
gemäß Industriestandard.
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Wie in 3 gezeigt
ist, weist der Mikrocontroller 210 einen Ausgangsanschluß 212 auf,
der die Infrarotsenderstufe 230 ansteuert. Ferner ist der
Mikrocontroller 210 mit einem Ausgangsanschluß 214 und
einem Eingangsanschluß 216 konfiguriert.
Der Ausgangsanschluß 214 beinhaltet
die Abtastleitungen für
die Tastaturmatrix 112, und der Eingangsanschluß 216 beinhaltet
die Erfassungsleitungen für
die Tastaturmatrix 112.
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Die Abtastleitungen 214 und
die Erfassungsleitungen 216 sind mit der elektronischen
Schaltungsplatte 116 über
die Stiftleiste 122 (2)
gekoppelt. Der Mikrocontroller 210 ist in bekannter Weise
geeignet programmiert, um eine Funktion für einen Tastatur-Abtastvorgang
auszuführen.
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Wie aus 3 ersichtlich, weist der Stromversorgungsmodul 220 die
Batterie 128 (2),
eine Sicherung 222 und einen Widerstand 224 auf.
Die Sicherung 222 dient als Schutzeinrichtung, und der
Widerstand 224 dient zum Begrenzen des von der Batterie 128 gezogenen
Stroms. Damit die Ausbildungskriterien für eine eigensichere Vorrichtung
einfacher erfüllt
werden können,
ist der Stromversorgungsmodul 220 als Niedrigspannungsausführung ausgebildet,
und zwar vorzugsweise im Bereich von 3 Volt.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Batterie 128 eine
Einzelzellen-Lithiumbatterie mit 3 Volt. Die Schaltung 200 ist
dazu ausgebildet, im ausgeschalteten Zustand keinen Strom zu verbrauchen,
und dieses Merkmal erlaubt der Schaltung 200 ein Arbeiten
mit der einzelnen Batterie 128 für mehrere Jahre. Wie im folgenden
beschrieben wird, ist dieses Merkmal wichtig, da die Schaltungseinrichtungen
in Vergußmasse
eingebettet sind, um die Erfordernisse der Eigensicherheit zu erfüllen, und aus
diesem Grund kann die Batterie 128 nicht ausgetauscht werden.
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Die Infrarotsenderstufe 230 bildet
die drahtlose Kommunikations-Schnittstelle 102 (1) zum Senden von Steuersignalen
zum Programmieren und Einstellen von Parametern in der elektronischen
Prozeßsteuerungsvorrichtung 10 (1). Wie in 3 zu sehen ist, weist die Infrarotsenderstufe 230 einen Treibertransistor 232 sowie
eine Infrarotlicht emittierende Diode 234 (LED) auf.
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Unter der Steuerung des Firmware-Programms
bzw. des festgespeicherten Standardprogramms in dem Mikrocontroller 210 wird
der Treibertransistor 232 eingeschaltet und die Infrarot-LED 234 dadurch
zum Emittieren von Infrarotstrahlung veranlaßt, die von dem Infrarotempfänger 20 an
der elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung 10 (1) erfaßt wird.
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Die Tastatur 114 ist zum
Ausführen
der Steuerfunktionen implementiert, die der elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung 10 zugeordnet
sind, und der Mikrocontroller 210 ist geeignet programmiert,
um die Tastatur 114 abzutasten und diese Funktionen auszuführen, wie
dies dem Fachmann geläufig
ist. Für
eine Pegelmeßvorrichtung 10 beinhalten
diese Funktionen die numerische Eingabe von Betriebsparametern,
die Modusauswahl und die Anzeigeausgabe-Programmierung.
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Es wird nun wieder auf 2 Bezug genommen; wie darin
zu sehen ist, ist das Deckelteil 111 an dem Basisteil 113 über geeignete
Schnappbefestigungseinrichtungen 130 und 132 angebracht,
die in das Basisteil 113 eingeformt sein können, wie
dies in 2 gezeigt ist.
Die Tastaturmatrix 112 weist eine Matrix aus 4 × 5 Tasten
auf. Die Tastaturmatrix 112 ist sowohl auf ihrer oberen
Oberfläche
als auch auf ihrer unteren Oberfläche mit einer Haftbeschichtung
versehen, um die Tastaturmatrix 112 an der oberen Oberfläche des
Deckelteils 111 bzw. an der Tastaturauflage 114 anzubringen.
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Um die in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 eigensicher
auszubilden, ist die elektronische Schaltungsplatte 116 in
dem Basisteil 113 in ein nicht leitendes Zweikomponenten-Epoxymaterial
eingekapselt, wie z. B. Stycast 2075 Epoxy. Das Polymer, z. B. Polystyrol
für das
Gehäuse 110 ist vorzugsweise
vom Typ ESD Electrafil PS-31/EC, 40% Ruß mit einem maximalen spezifischen
Oberflächenwiderstand
von 5.000E+03 Ohm.
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Unter Befolgung der beschriebenen
Konstruktionsspezifikationen und Konstruktionsanweisungen läßt sich
eine in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 entsprechend
der Standardgruppe II der elektrischen Vorrichtungen für Gas-Atmosphären, gemäß Abschnitt
EN 50014 erzielen.
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Vorteilhafterweise kann bei der eigensicheren,
in der Hand zu haltenden Programmiervorrichtung 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung die Notwendigkeit einer Kleintastatur oder eines Bedienfeldes
an der umschlossenen elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung (z.
B. der Pegelmeßvorrichtung 10 in 1) eliminiert werden. Die
Tastatur an der elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung ist ersetzt
durch einen Infrarotempfänger
sowie ein Fenster über
dem Empfänger.
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Durch das Eliminieren der Tastatur
verringern sich die Kosten der elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung
(beispielsweise der Pegelmeßvorrichtung 10),
und im Fall einer umschlossenen elektronischen Prozeßsteuerungsvorrichtung
führt die Eliminierung
einer Tastatur mit explosionssicheren Tasten oder Schaltern zu einer
weiteren Kostensenkung.
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Ein weiterer Kosteneinsparungsvorteil,
der sich durch das Ersetzen der Tastatur durch einen Infrarotempfänger und
ein Übertragungsfenster
ergibt, besteht darin, daß das
Gehäuse
für die
elektronische Prozeßsteuerungsvorrichtung
mit einer kleineren Größe ausgebildet
werden kann und dadurch eine weitere Kostensenkung ermöglicht wird.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt
kann die in der Hand zu haltende Programmiervorrichtung 100 bei
einer Familie oder einer gesamten Produktlinie von elektronischen
Prozeßsteuerungsvorrichtungen
bei einer industriellen Anwendung verwendet werden, wie sie weiter
in 1 veranschaulicht
ist.
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Die vorliegende Erfindung kann auch
in anderen speziellen Formen ausgeführt werden, ohne daß man ihren
Gedanken oder ihre wesentlichen Eigenschaften verläßt. Den
Fachleuten werden verschiedene Adaptionen und Modifikationen erkennbar sein.
Die hier erläuterten
Ausführungsformen
sind daher lediglich als erläuternd
und nicht als einschränkend
zu verstehen, wobei der Umfang durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorausgehende
Beschreibung definiert ist und wobei alle im Rahmen und Umfang der Äquivalenz
der Ansprüche fallenden Änderungen
von der Erfindung mitumfaßt sein
sollen.
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Zusammenfassung
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Eine eigensichere, tragbare Progammiervorrichtung
für die
Kommunikation mit elektronischem Prozeßsteuerungsgerät über eine
drahtlose Kommunikationsverbindung. Die tragbare Programmiervorrichtung
weist eine mikroprozessorgesteuerte elektronische Schaltung auf,
die in einem Gehäuse
untergebracht ist, das aus Polymer, z. B. Polystyrol mit niedrigem
spezifischen Oberflächenwiderstand
gebildet ist. Die elektronische Schaltung ist im Inneren des Gehäuses zusammen
mit einer Niedrigspannungs-Batterieversorgung angebracht und in
Epoxymaterial eingekapselt, um eine Funkenbildung zu verhindern.
Die elektronische Schaltung weist einen Infrarotsender und eine
Tastatur auf. Ansprechend auf Tastatureingaben erzeugt die elektronische Schaltung
Steuersignale, die über
den Infrarotsender zu dem elektronischen Prozeßsteuerungsgerät gesendet
werden.
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