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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Prüfen oder Überwachen
eines Potentiometers insbesondere eines Installationsgerät mit einer
Potentiometereinrichtung, deren Einstellwert für eine Funktion des Installationsgeräts auswertbar
ist, und einer Auswerteschaltung zum Auswerten einer diesbezüglichen
Spannung.
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Bei
vielen Anwendungen der Sicherheitstechnik ist die Auswertung eines
Potentiometers erforderlich. Üblicherweise
werden hierzu redundante Verfahren eingesetzt, um Fehler sicher
erkennen zu können.
Beispielsweise werden Doppel-Potentiometer mit durchgehender Achse
für derartige
Zwecke verwendet. Dies ist jedoch mit den Problemen bezüglich der
mechanischen Stabilität
und der wesentlich höheren
Kosten eines Doppel-Potentiometers
gegenüber
einem einzelnen Potentiometer verbunden. Darüber hinaus haben die Doppel-Potentiometer
einen entsprechend höheren
Platzbedarf und schließlich
sollen die sogenannten THT-Potentiometer (Through-Hole-Technology)
mittel- und langfristig durch SMD-Potentiometer (Surface Mounted
Device), die nur als Einfach-Potentiometer vorliegen, ersetzt werden.
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Diese
Probleme führen
dazu, dass in der Sicherheitstechnik auf Potentiometer vielfach
verzichtet wird. Bei diesen Lösungsansätzen werden
beispielsweise Bauelemente mit fest eingestellten Werten oder Bausteine,
deren Werte mittels einer geeigneten Software beispielsweise über einen
intelligenten Bus bzw. PC konfigurierbar sind, eingesetzt. Im letzteren
Fall ist eine übergeordnete
Steuerung notwendig. Die Potentiometer können ferner durch DIP-Schalter
bzw. mehrstufige Wahlschalter ersetzt werden. Diese Schalter führen jedoch
zu hohen Kosten, da viele Controllerpins und aufwändige Mechanik
nötig sind.
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Aus
der Druckschrift
DE
197 28 596 C2 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Potentiometers
bekannt. Dabei wird eine Versorgungsspannung des Potentiometers
gemessen und ausgewertet. Die Versorgungsspannung wird periodisch
abgetastet, die abgetastete Versorgungsspannung wird digitalisiert
und mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen, und bei Unterschreiten
des Grenzwerts wird die Versorgungsspannung abgeschaltet.
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Weiterhin
offenbart die Druckschrift
DE
41 12 665 A1 eine Einrichtung zur Erfassung einer veränderlichen
Größe in Kraftfahrzeugen.
Die Einrichtung umfasst einen Geber, der über einen Anschluss verfügt, welcher
mit einem Pol einer Versorgungsspannung verbunden ist. Ferner ist
ein betätigbares Schaltelement
vorhanden, das eine Anschlussverbindung auftrennt. Das Potential
dieses Anschlusses im aufgetrennten Zustand der Anschlussverbindung wird
gegenüber
einem Referenzpotential erfasst und bei unzulässiger Schwankung der Potentialwerte
bei zwei Erfassungsvorgängen
wird von einem Fehlerzustand des Gebers ausgegangen.
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Darüber hinaus
ist in der Druckschrift
DE
39 30 417 A1 eine Ausgangsschaltung für ein Potentiometer beschrieben.
Die Ausgangsschaltung weist einen Kennlinienbildner auf, dessen
Eingang mit dem Abgriff des Potentiometers und dessen Ausgang mit dem
Ausgang der Ausgangsschaltung verbunden ist und der an seinem Ausgang
ein Ausgangspotential in Abhängigkeit
von einem Eingangspotential an seinem Eingang erzeugt, wobei sich
das Ausgangspotential in einem Ausgangsbereich von einem vorbestimmten
Minimalwert bis zu einem vorbestimmten Maximalwert bewegt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Schaltungsanordnung
für die Sicherheitstechnik
vorzuschla gen, das über
ein sicher und kostengünstig
auswertbares Potentiometer verfügt,
wobei auf teure Ersatzlösungen
verzich tet werden soll.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Schaltungsanordnung zur Prüfung
oder Überwachung
eines Potentiometers mit einer Potentiometereinrichtung, deren Einstellwert
für eine
Funktion des Installationsgeräts
auswertbar ist, und einer Auswerteschaltung zum Auswerten einer
ersten Spannung, sowie einer Impedanzeinrichtung, die mit der Potentiometereinrichtung
in Reihe geschaltet ist, zum Bereitstellen der ersten Spannung,
so dass anhand eines Ausgangssignals der Auswerteschaltung feststellbar
ist, ob die Potentiometereinrichtung korrekt funktionsfähig ist,
wobei die Auswerteschaltung einen Komparator umfasst, mit dessen
Hilfe die erste Spannung mit einer vorgegebenen dritten Spannung verglichen
wird, und die dritte Spannung variiert wird und eine Zeitdauer,
die bis zu einem Zeitpunkt verstreicht, an dem die Werte der ersten
und dritten Spannung gleich sind, in der Auswerteschaltung zur Auswertung
berücksichtigt
wird. Insbesondere ist die Schaltungsanordnung in einem Installationsgerät verwendbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Impedanzeinrichtung
ein Bauelement mit fester Impedanz. Ein derartiges Bauelement wäre beispielsweise
ein fester Ohmscher Widerstand. Dieser feste Widerstand hat den
Vorteil, dass er verglichen mit Potentiometern kaum toleranzbehaftet
ist.
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An
der Reihenschaltung von Potentiometereinrichtung und Impedanzeinrichtung
kann eine vorgegebene zweite Spannung, die konstant ist, angelegt
sein. Dadurch wird ein Spannungsteiler gebildet und die Funktionsfähigkeit
des Potentiometers kann mit Hilfe der Impedanzeinrichtung auf einfache
Weise überprüft werden.
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Die
dritte Spannung kann vorteilhafterweise an einem Kondensator erzeugt
werden, der über
eine angeschlossene spannungsgesteuerte Stromquelle geladen und/oder
entladen wird. Werden sowohl der Lade- als auch der Entladevorgang
mit einem definierten Strom, d. h. mit einem positiven bzw. negativen
Strom, durchgeführt,
so kann der Funktionstest bzw. die Messung des Potentiometerwerts
in einem Lade-Entlade-Zyklus zweimal durchgeführt werden. Durch Mittelwertbildung
lassen sich so Messfehler reduzieren.
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An
einem Mittenabgriff der Potentiometereinrichtung kann des Weiteren
eine vierte Spannung für die
Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Potentiometerwerts bereitgestellt
werden. Wird wiederum die dritte Spannung variiert, so kann eine
entsprechende Zeitdauer, die bis zu einem Zeitpunkt verstreicht,
an dem die Werte der vierten und dritten Spannung gleich sind, in
der Auswerteschaltung zur Ermittlung des Potentiometerwerts verwendet
werden.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
der Schaltung zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
des Potentiometers besitzt geringe Toleranzketten, so dass eine
hohe Genauigkeit des Verfahrens er zielt werden kann. Ferner hat
die Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
des Potentiometers mit Hilfe eines Festwiderstands den Vorteil,
dass das Testergebnis nicht von unspezifizierten Parametern, wie
dem Schleiferwiderstand des Potentiometers, abhängt. Darüber hinaus kann in diesem Fall
auch nicht der Verschleiß eines
Schleifers, dessen Widerstand in die Messung eingeht, zur Drift
der Werte führen.
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Durch
den Einsatz eines Komparators wird am Schaltungsausgang ein digitales
Signal bereitgestellt, so dass kein eigener Analog/Digital-Wandler zur
Verfügung
gestellt werden muss. Dadurch reduzieren sich die Controller-Kosten,
da ein Controller ohne Analog/Digital-Wandler verwendet werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Testeinrichtung für ein Potentiometer;
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2 ein
Diagramm zur zeitlichen Abhängigkeit
der Testspannung; und
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3 ein
Diagramm einer Schaltung zum Erzeugen der Spannung von 2.
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Das
nachfolgend näher
beschriebene Ausführungsbeispiel
stellt eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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Das
zu überprüfende Potentiometer 1 wird entsprechend 1 mit
einem Fühlerwiderstand 2 in Reihe
geschaltet. An diese Reihenschaltung ist eine Betriebsspannung U2
angelegt, die beispielsweise den Wert 5V hat. Eine Spannung U1,
die an dem Fühlerwiderstand 2 anliegt,
wird in einem Komparator 3 mit einer Spannung U3 verglichen.
Dadurch soll festgestellt werden, ob das Potentiometer 1 in
gewünschter
Weise funktionsfä hig
ist. Sind die Anschlüsse
des Potentiometers 1 beispielsweise kurzgeschlossen, so
ist die Spannung U1 übermäßig hoch,
was durch den Komparator 3 bei geeigneter Vergleichsspannung
U3 anhand einer Pegeländerung
seines binären
Ausgangssignals festgestellt werden kann. Wenn die Endanschlüsse des
Potentiometers 1 hingegen untereinander elektrisch unterbrochen
sind, liegt die Spannung U1 auf Massepotential, was ebenfalls durch
den Komparator 3 festgestellt werden kann. Durch den Komparator 3 lässt sich
aber auch feststellen, ob das Potentiometer 1 beispielsweise
gealtert ist und der Widerstand des Widerstandsfilms des Potentiometers
zugenommen hat, so dass sich dies bei der von U2 auf U1 herabgeteilten
Spannung bemerkbar macht.
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Um
den Wert der Spannung U1 am Komparator 3 festzustellen,
wird die Vergleichsspannung U3 linear gemäß 2 erhöht. Aus
der Zeit t1, die zum Erreichen der Spannung U1 verstreicht, kann
der Spannungswert U1 am Fühlerwiderstand 2 ermittelt werden.
Da der Widerstandswert des Fühlerwiderstands 2 kaum
toleranzbehaftet ist, muss der Spannungswert U1 auch in einem sehr
schmalen Toleranzfenster liegen. Zur Überprüfung wird das Ausgangssignal
S1 des Komparators 3 aus Sicherheitsgründen an zwei Mikrocontroller
uC1 und uC2 angelegt. Durch diese Parallelität kann mit hoher Sicherheit
ausgeschlossen werden, dass die Auswertung des Signals S1 falsch
ist.
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Die
Erzeugung der Vergleichsspannung U3 erfolgt gemäß
3 mit einem
Kondensator C, der entsprechend der Formel
mit einem konstanten Strom
I
C geladen bzw. entladen wird.
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Nach
Umformung ergibt sich
so dass du ~ dt ist.
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Wie
in 3 ebenfalls dargestellt ist, wird der konstante
Strom Ic durch eine spannungsgesteuerte
Stromquelle 4 einge prägt.
Sie kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller uC gesteuert
werden.
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Um
die Vergleichsspannung U3 mit definierter Geschwindigkeit ansteigen
oder abfallen zu lassen, wird der Kondensator C mit einem konstanten positiven
Strom IC geladen bzw. mit einem konstanten
negativen Strom IC wieder entladen. Dadurch
ist die Schaltzeit des Komparators 3 sowohl beim Hochfahren
als auch beim Herunterfahren der Vergleichsspannung U3 auswertbar.
Durch Mittelwertbildung kann ein entsprechend genauer Zeit- bzw.
Spannungswert ermittelt werden.
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Über die
Spannung U1 wurde lediglich die Funktionsfähigkeit des Potentiometers 1 festgestellt. Der
Einstellwert des Potentiometers 1 wird hingegen über den
Mittenabgriff ermittelt, an dem die Spannung U4 anliegt. Auch diese
Spannung U4 wird in einem Komparator 5 mit der variablen
Vergleichsspannung U3 verglichen. Sobald diese Spannung U3 zum Zeitpunkt
t4 den Wert der Spannung U4 erreicht, schaltet der Komparator 5,
so dass sich sein binäres Ausgangssignal
S2 im Pegel ändert.
Dies wird wiederum durch die parallel geschalteten Mikroprozessoren
uC1 und uC2 festgestellt.
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Der
Wert der Spannung U4 vom Mittenabgriff des Potentiometers 1 muss
in einem vorgegebenen Toleranzbereich ΔU liegen. Dieser liegt in etwa
zwischen der Betriebsspannung U2 und der Spannung U1 am Fühlerwiderstand 2.
Dem Spannungsbereich ΔU
entspricht ein Zeitbereich Δt,
wie es in 2 dargestellt ist. Die Breite
dieses Zeitbereichs Δt
hängt vom
Kondensator C und dem Strom IC der Stromquelle 4 ab.
Liegt das Messergebnis außerhalb
des Zeitbereichs Δt,
wenn beispielsweise ein Kurzschluss zwischen dem Mittenabgriff des
Potentiometers 1 und der Masse vorliegt, so kann auch auf
diese Weise festgestellt werden, dass das Potentiometer 1 defekt
ist.
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Günstigerweise
wird der Widerstandswert des Potentiometers 1 wesentlich
größer als
der Widerstandswert des Fühlerwider stands 2 gewählt, so dass
eine Drift des Potentiometers wenig Einfluss auf den zeitlichen
Messwert besitzt.
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Da
beide Controller uC1, uC2 denselben Pfad testen bzw. messen, kann
eine minimale Toleranz zwischen den ermittelten Messwerten gefordert werden.
Somit können
systematische Fehler am Kondensator C und an der Stromquelle 4 sicher
erkannt und dennoch eine hohe Gesamttoleranz eingehalten werden.
