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Diese Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis entsprechend der IEC 61158-2-Norm mit einem Wassererkennungssystem, das einen physikalische Schicht-Attribut-Modifikator für eine Anwendung zum Erfassen eines Eindringens von Wasser in Feldgeräte innerhalb eines eigensicheren Bereiches aufweist.
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Feldbus (oder Feldbussystem) ist der Begriff für eine Produktfamilie mit Computer-Netzwerk-Protokollen, die für eine Steuerungsverteilung in Echtzeit verwendet werden und die nun in der Norm IEC 61158 („Digital data communication for measurement and control - Fieldbus for use in industrial controlsystems“) weltweit standardisiert sind. Ein komplex automatisiertes, industrielles Betriebssystem, wie zum Beispiel für eine Kraftstoff-Raffinerie, benötigt in der Regel eine Organisationshierarchie für die Steuerungseinrichtungen, um korrekt zu funktionieren. In dieser Hierarchie gibt es an oberster Position eine Benutzerschnittstelle = HMI (Human Machine Interface), wo ein Operator das System überwachen oder betreiben kann. Normalerweise ist diese Schnittstelle über ein nicht-zeitkritisches Kommunikationssystem (beispielsweise Ethernet) mit einer mittleren Übertragungsschicht speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) verknüpft. Am unteren Ende der Steuerungskette befindet sich der Feldbus, welcher die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) mit den Komponenten verbindet, welche die eigentliche Arbeit tun, wie Sensoren (Messfühler), Stellglieder (Aktoren), Elektromotoren, Konsolenleuchten, Schalter, Ventile und Schaltschützen.
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Ein Feldbus wird häufig in eigensicheren Umgebungen eingesetzt, wie beispielsweise in entzündbaren Atmosphären, und insbesondere in der Gaseinstufungsklassifizierung MC - Wasserstoff und Azetylen - und nachstehend für die Gasgruppen NB und NA in Bezug auf Gas und/oder Staub. Bei Anwendung des Feldbusprotokolls werden die Feldinstrumente und die Feldbusgeräte in einer solchen Umgebung über einen elektrischen Kommunikationsschaltkreis von fern gesteuert und überwacht, der häufig im gleichen elektrischen Schaltkreis wie die Energieversorgung für den Betrieb der Feldinstrumente bereitgestellt ist.
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Die physikalische Feldbusschichtdiagnose im Hinblick auf IEC 61158-Netzwerke wurde für die marktbestimmende Prozessorbranche in den letzten Jahren erfolgreich eingeführt. Die technischen Spezifikationen für physikalische Schichten sind nun in der Norm IEC 61158-2 standardisiert. In einem typischen elektrischen Kommunikationsschaltkreis gibt es eine Energieversorgung, eine Eigensicherheitsbarriere eines beliebigen Typs, eine in das Feld führende Hauptleitung und ein oder mehrere Geräte oder Gerätekoppler mit Abzweigleitungssektionen, welche als deren Lastsysteme verbunden sind. Die Geräte senden im Einsatz befindliche Datensignale an eine Steuerungseinrichtung, die normalerweise auf der Energieversorgungsseite in einem nicht eigensicheren Bereich des Schaltkreises angebracht ist. Außerdem ist ein Diagnosemodul in dem elektrischen Schaltkreis montiert, und zwar in der Regel an der gleichen Stelle wie die Steuereinrichtung, und es arbeitet an den Messungen der physikalische Schicht-Attribute in der elektrischen Schaltung und in der Netzwerk-Hardware, und zum Teil auch in der physikalischen Software sowie in den zur Anwendung kommenden Protokollen.
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Veränderungen in den IEC61158-2-Lastensystemen und/oder in den physikalische Schicht-Attributen führen häufig zu einem Segmentausfall, woraufhin das Diagnosemodul ein Setup ausführt, um entsprechende Veränderungen unmittelbar zu erfassen, so dass Abhilfemaßnahmen ergriffen werden können.
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Ein Eindringen von Wasser in Feldgeräte ist einer der Fehler, der erfasst werden muss, um eine Korrosion in den elektrischen Terminals oder Kabeln im Inneren des Feldgeräts einhergehend mit elektrolytischen Verschleiß zu verhindern, der eines Tages zu Geräteausfällen führen kann. Ein Untertauchen von Signalleitungen oder Terminals in Wasser oder anderen leitfähigen Flüssigkeiten kann in Extremfällen zu prompten, kompletten Signal- oder Segmentausfällen führen.
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In solch einem Fall müssen Instrumente in gefährdeten Außenbereichen gemäß dem EN60529-Standard auf ein IP54-Minimum geschützt werden, denn ein Eindringen von Wasser stellt hierzu eine Sicherheitsverletzung dar. Darüber hinaus verstößt kondensierender Wasserdampf im Innern der Instrumenteneinhausung üblicherweise gegen die Instrumenten-Feuchtigkeitsanforderungen, da die meisten technischen Spezifikationen nur 95 % relative Luftfeuchtigkeit ohne Kondensation zulassen.
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Normalerweise besitzen Feldinstrumente (Feldgeräte) mehrere Terminal- und Elektronikeinhausungen. Die äußeren Terminaleinhausungen umfassen ein kleines Raumvolumen bzw. O-Ring-Dichtungseinhausung mit mindestens einer Kabelflanscheinführung, normalerweise sind es zwei, wovon eine unsichtbar ist. Die elektronischen Einhausungen haben keine Kabeleinführung und es braucht auch keine Abdeckung an der Montagestelle entfernt zu werden, so dass die Wahrscheinlichkeit eines Wassereintritts weitaus geringer ist. Sie werden oft aus vergossener Elektronik eingesetzt und / oder haben O-Ring-Dichtungen mit langen Gewindeummantelungen, so dass sie häufig in der Lage sind, die Grenzwertbedingungen von IP66 bis IP68 zu erfüllen. Aber leider ist in der Betriebspraxis das Eindringen von Wasser in die Terminaleinhausungen eine allgemeine Erscheinung.
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Es gibt in der Regel für jedes Segment in dem System bis zu 16 Instrumente. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit des Wasseranfüllens der Terminaleinhausung bei mindestens einem Instrument in einem Segment ist sehr groß im Vergleich zu den Gerätekopplergehäusen. Diese benötigen weit weniger Wartung und haben größere Einhausungs-Raumvolumen für Dränageeinrichtungen.
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Ein allgemein bekannter Weg, um das Eindringen von Wasser in ein Feldgerät zu erfassen, besteht in der Ermittlung eines Erdungsfehlers, wofür ein Erdschluss-Erkennungssystem eingesetzt wird; eine solche Ausgestaltung ist in 1 dargestellt. Bei dieser Anordnung umfasst ein elektrischer Schaltkreis 1 ein Erdschluss-Erkennungssystem 2, welches die Leitfähigkeit 3 in einem Gerät 4 zwischen den Terminals bzw. Abschlusswiderständen / Polen und der Abschirmung 6 erfassen kann, und infolgedessen den Erdschluss 7 über die leitende Flüssigkeit 8. Dies findet im Innern der Geräteeinhausung 9 angrenzend zur Geräteelektronik 10 statt.
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Eine Messung im Hinblick auf einen Erdungsfehler erfolgt hier vorteilhaft über das Messen einer Differentialänderung, da diese über Lastwechsel erkennbar wird. Ein Lastwechsel und die Auswirkungen auf die Wasserüberbrückungssignalpole 5 verursachen im Schaltkreis 1 weitere, ähnliche Differentialänderungen, so dass eine reine Differentialmessung nicht zuverlässig wäre.
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Beispielsweise ist aus der US 2008 / 0156090 A1 ein Feldgerät bekannt, welches das Vorhandensein eines Fluids in dem Terminalblockbereich des Feldgeräts erkennt, indem es ein Wechselstrom (AC)-Teststromsignal erzeugt und die Amplitude des resultierenden AC-Spannungssignals misst. Dieses Feldgerät umfasst zwei Terminals, die angepasst sind, um über eine Stromschleife mit einem Steuerungsraum verbunden zu werden. Die Impedanz der Stromschleife wird durch das Vorhandensein des Fluids zwischen den beiden Terminals erhöht. Indem ein AC-Teststromsignal für die Stromschleife bereitgestellt wird und die Größenordnung der resultierenden AC-Spannung gemessen wird, kann die Impedanz der Stromschleife bestimmt werden, wobei eine erhöhte Impedanz anzeigt, dass Wasser in dem Terminalblock vorhanden ist.
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Ferner ist aus der
WO 2009/063213 A1 ein elektrisches Kommunikationsnetz bekannt, bestehend aus einer Energieversorgung, einer Hauptleitung, einer Abzweigleitungssektion, einer Isolationseinrichtung, die zwischen der Hauptleitung und der Abzweigleitungssektion angeordnet ist und einer Diagnoseeinrichtung, die mit der Hauptleitung und einem Feldgerät verbunden ist, das an die Abzweigleitungssektion angeschlossen ist. Das Feldgerät ist zum Senden von Datensignalen über das Kommunikationsnetz ausgelegt, wobei die Datensignale eine oder mehrere Kernfunktionen umfassen. Das Kommunikationsnetz und/oder die Datensignale funktionieren unter einem oder mehreren normalen Betriebsparametern, wobei die Diagnoseeinrichtung angepasst ist, um einen oder mehrere vordefinierte Durchbrechungen der normalen Betriebsparameter zu erkennen. Dabei ist ein Abzweigdiagnosemodul an die Abzweigleitungssektion angeschlossen und ausgelegt, um elektrische Charakteristiken in der Abzweigleitungssektion zu überwachen. Das Abzweigdiagnosemodul weist ein Entstörmittel auf, das zum Entstören des Kommunikationsnetzes und/oder der darüber gesendeten Datensignale ausgelegt ist, so dass die einen oder mehreren vordefinierten Durchbrechungen der normalen Betriebsparameter durch das Abzweigdiagnosemodul erkennbar sind, allerdings so, dass die einen oder mehreren Kernfunktionen der Datensignale nicht beeinträchtigt werden. Zudem ist das Abzweigdiagnosemodul ausgelegt, um das genannte Entstörmittel zu aktivieren, wenn es ein oder mehrere vordefinierte, elektrische Ereignisse in der Abzweigleitungssektion erkennt.
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Weiterhin ist es aus der
GB 2 377 995 A bekannt, ein Elektrolyt zwischen elektrisch leitenden Elementen einer Wassererkennungsvorrichtung für einen elektrischen Schaltkreis vorzusehen.
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Außerdem weisen diese Systeme eine Reihe von Nachteilen auf. Als erstes können sie nur die Anwesenheit von Wasser bei einer hohen Leitfähigkeit erfassen. Aber Kabellängen und Spannungseinschränkungen zur Erfüllung der Anforderungen in Bezug auf die Eigensicherheit machen die Erkennung von reinem Wasser unmöglich. Der Patentanmelder sowie auch andere Unternehmen, wie MTL (Cooper Crouse-Hinds Co.), produzieren bereits solche Systeme, und als gewähltes Beispiel kann das MTL 4220-Produkt nur eine äquivalente Leitfähigkeit von 10 kOhm oder weniger erkennen, wohingegen Messungen von 250kOhms bis 1 MOhm und höher für reines Regenwasser und saubere Niederschläge bei niedrigen Feldanregungserkennungsspannungen typisch sind.
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Selbst ein komplettes Eintauchen der Terminals 5 in Kondens- oder Regenwasser bei einer sehr niedrigen Leitfähigkeit führt nicht zu einem normal messbaren Strom- oder Impedanzwechsel. Jedoch beginnt bei einem solchen Ereignis bereits der Prozess einer galvanischen Korrosion, die einen Ausfall verursachen kann. Prüfstandsversuche haben gezeigt, dass eine geringe Salzlösungskonzentration (aufgrund galvanischer Korrosion der Anode) die Signalleitungen innerhalb von Minuten auflösen kann. Aufgelöste Metallspurenelemente machen die Terminals undicht, wobei die Leitungsverdrahtung die Leitfähigkeit des Wassers so schnell erhöht, dass diese erkannt wird, aber genau da tritt ein Ausfall auf, bevor ein Ausweichmanöver zur Fehlerbehebung stattfinden kann.
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Das zweite Hauptproblem besteht darin, dass selbst wenn das Wasser so leitend ist, dass dies sofort entdeckt würde, die Pole 5 bereits unter Wasser getaucht sind, bevor dies erfasst werden kann. Ein Untertauchen in Wasser kann schnell zu Schäden und Signalproblemen führen, oftmals bevor eine Abhilfemaßnahme vorgenommen werden kann. Ein Erdschluss-Erkennungssystem, wie das in 1 dargestellte, verlässt sich auf die elektrolytische Beeinträchtigung zwischen den Terminals 5 und der Abschirmung 6 oder der Erdung 7, aber an diesem kritischen Punkt ist der Schaden bereits in vollem Gange. Falls die Leitfähigkeit dem Wert von 1 0kOhms oder weniger entspricht, kann die Beschleunigung der Leitfähigkeit aufgrund der lokalen Metallablegierung in die Lösung rasch zu einer Überstromsituation führen, wobei dies zu schnell geschieht, um eine proaktive Instandhaltung zu gewährleisten. Mit anderen Worten, das Hauptmotiv der Überwachung im Hinblick auf das Untertauchen von Terminals in Wasser ist bei einem solchen Ereignis ein sehr mangelhaftes, da Schäden manchmal unvermeidlich sind.
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Ein weiterer Nachteil bei Erdschluss-Erkennungssystemen, wie jenes in 1 dargestellte, besteht darin, dass es autonome Einrichtungen gibt, die Hardware und Leitungen zum Messfühlen, Signalisieren und zur Energieversorgung aufweisen, die dem bestehenden, elektrischen Schaltkreis 1 hinzugefügt werden müssen. Die führt zu zusätzlichen Kosten und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Fehlerausfällen. Außerdem muss die Energieversorgung eigensicher gemacht werden.
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Ein weiterer Nachteil bei Erdschluss-Erkennungssystemen besteht darin, dass diese sich auf die Verbindung zur Abschirmung 6 hin verlassen, die sich oftmals nicht bis ins Innere des Feldgeräts 4 erstreckt, oder die gerade in einer speziellen Position oder Situation für einen Anschluss nicht präsent ist.
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Ein alternativer, bekannter Weg, um das Eindringen von Wasser in einem Feldgerät zu erfassen, besteht in der Anwendung eines autonomen Sensors im Innern des Feldgeräts, der die Anwesenheit von Wasser erkennt; eine solche Ausgestaltung ist in 2 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung umfasst ein elektrischer Schaltkreis 20 eine autonome Detektor- und Transmitter-Einheit 21, die im Innern der Terminaleinhausung 22 des Feldgeräts 23 angeordnet ist und die bereits den Beginn des Wassereindringens 24 erfasst, indem die Leitfähigkeit 25 mit Detektorsonden 26 abgetastet wird. Daraufhin wird ein Alarmsignal über separate Strom- und Signalleitungen 27 an ein Diagnose- und Alarmmodul 28 gesendet.
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Da dieses System autonom ist, kann es zum Erfassen von Wasser mit hoher Reinheit und niedriger Leitfähigkeit angepasst werden, wobei es dies durch das entfernte Positionieren der Sonden 26 weg von den Terminal-/Poleinheiten 29 in dem Feldgerät 23 lange bevor ein Schaden an den Terminal-/Poleinheiten 29 oder an der Geräteelektronik 30 entsteht ausführen kann. Es besteht zudem keine Notwendigkeit für eine Verbindung zur Abschirmung hin. Aufgrund dessen weist diese Ausgestaltung deutliche Vorteile gegenüber dem in 1 dargestellten Erdschluss-Erkennungssystem auf.
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Jedoch gibt es auch hier noch eine Reihe von signifikanten Nachteilen. Erstens, angesichts der Anzahl der in der Betriebspraxis vor Ort eingesetzten Feldgeräte ist es sehr komplex und sehr kostenintensiv, solch autonome Systeme jeweils in jedem einzelnen Feldgerät zu installieren.
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Hinzu kommt, dass diese Lösung immer noch zusätzliche Hardware, Elektronik, Verkabelung und Energieversorgung zu der bereits vorhandenen Infrastruktur erfordert, wovon jede Einrichtung eigensicher ausgestattet werden muss, wozu für sämtliche Parameter und zusätzliche Stromlaufpläne ergänzende Berechnungen benötigt werden, was zu zusätzlichen Kosten führt.
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Diese Zusatzausstattung erhöht generell noch die Wahrscheinlichkeit von Betriebsausfällen. Außerdem benötigt jedes Feldgerät einen zusätzlichen Kabelflansch, welcher die Wahrscheinlichkeit eines Wassereindringens grundsätzlich erhöht.
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Daher wird eine Lösungsmöglichkeit benötigt, bei der das Eindringen von Wasser bei bereits niedriger Leitfähigkeit in einem Feldgerät erkannt und der Wassereintritt erfasst wird, bevor ein Terminal in dem Feldgerät benetzt ist, und bei der diese Information an das Wartungspersonal zuverlässig übermittelt wird, ohne dass zusätzliche elektrische Leitungen oder drahtlose Verbindungen sowie lange Programmzuführungskabel und zu isolierende Gerätekoppler erforderlich sind. Zudem würde der Bedarf an zusätzlicher Energie oder an weiteren elektrischen Leitungen wegfallen, wenn es sich nur um eine einfache Verbindung zu einem Bus (einschließlich einer Abschirmung, falls gewünscht) handelt. Damit diese Lösung praktizierbar wird, muss sie außerdem die Anforderungen an die Eigensicherheit der EEx ia or ib - Definition („einfache Ausführungsform“) erfüllen und Verbindungsanschlüsse aufweisen, die für eine eigensichere Leitungsbetriebspraxis geeignet sind. Manche Terminaleinhausungen für Feldgeräte sind im Hinblick auf Bereich und/oder Volumen sehr klein bemessen, so dass jede Lösung auch klein und einfach gehalten sein sollte. Schließlich muss die entsprechende Lösung die Integrität des Feldbussignals beibehalten können.
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Theoretisch wäre es möglich, viele der vorstehend genannten Ziele zu gewährleisten, indem die Wassererkennung als Funktion im Feldgerät bereitgestellt würde. Mit anderen Worten kann die Feldgeräteelektronik eine Wassererkennungsfunktion beinhalten, wobei die Feldgeräteelektronik die Erkennung von Wasser über dessen Feldbustelegramm an die Steuerungseinrichtung kommuniziert. Jedoch würde sich eine solche Ausgestaltung als Eigentor erweisen, da sie im Wesentlichen eine ganze Feldbusgeräteinstallation allein beanspruchen würde. Außerdem wäre eine solche Funktion in hunderten von verschiedenen Feldbusgerätetypen im Hinblick auf Design und Produktion sehr kostenintensiv und die Hersteller wären kaum bereit, solche Systeme in jeden Modelltyp zu integrieren. Hinzu kommt, dass die vorstehende Funktion einen erheblichen Teil des Feldbustelegramms aufbrauchen und das Kommunikationspotenzial für die primäre Gerätefunktion einschränken würde.
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Daher umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung ein elektrischer Schaltkreis entsprechend der IEC 61158-2-Norm eine Energiezufuhr, ein Gerät als deren Lastsystem und ein Überwachungsmittel, das zum Überwachen von einem oder von mehreren physikalische Schicht-Attributen des elektrischen Schaltkreises ausgelegt ist, in welchem das Gerät eine Einhausung aufweist, eine darin enthaltene Gerätefunktionselektronik sowie zwei Terminals, welche die Gerätefunktionselektronik mit dem elektrischen Schaltkreis verbinden, in welchem das Wassererkennungssystem im Innern der genannten Einhausung angeordnet ist und Wassererkennungssonden sowie einen physikalische Schicht-Attribut-Modifikator aufweist, der über dem elektrischen Schaltkreis angebracht ist und parallel zur Gerätefunktionselektronik verläuft, und in welchem, wenn die genannten Wassererkennungssonden Wasser erkennen, der physikalische Schicht-Attribut-Modifikator an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises eine Modifikation vornimmt, wobei diese Modifikation von dem genannten Überwachungsmittel erfasst werden kann.
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Folglich beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Erkennen des Eindringens von Wasser in die Einhausung eines Feldgeräts auf eine Weise, die im Wesentlichen autonom im Schaltkreis erfolgt, aber eine entsprechende Erkennung mit einer vorsätzlichen Modifikation an einem beliebigen physikalische Schicht-Attribut des Schaltkreises auf eine integrierte Weise kommuniziert, die dann von dem Überwachungsmittel erfasst werden kann. Die Modifikation selbst kann möglicherweise keinen kommunikativen Nachrichteninhalt haben, jedoch kann eine Steuereinrichtung, die mit dem Überwachungsmittel verbunden ist, zum Interpretieren der Modifikation ausgelegt sein und deren Nachrichteninhalt entziffern.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kommunikation über das Erkennen des Eindringens von Wasser weitergeleitet wird, indem der vorhandene, elektrische Schaltkreis und dessen Überwachungsmittel für die physikalische Schicht zur Anwendung kommen. Infolgedessen besteht keine Notwendigkeit für eine zusätzliche, eigensichere Verkabelung, Energieversorgung, Elektronik oder für Kabelflansche. Da des Weiteren die Wassererkennungssysteme grundsätzlich autonom sind, können sie zum Erfassen von Wasser auch mit hoher Reinheit und niedriger Leitfähigkeit angepasst werden, was bei einem Erdschluss-Erkennungssystem nicht möglich ist. Durch das entfernte Positionieren der Wassererkennungssonden weg von den Terminal-/Poleinheiten in des Feldgeräts kann die Erkennung - lange bevor ein Schaden entsteht - ausgeführt werden. Es besteht außerdem keine Notwendigkeit für einen Anschluss zur Abschirmung hin.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das genannte Gerät eine normale Betriebsausrichtung aufweisen, bei der die genannten Wassererkennungssonden physisch unterhalb der Terminals, welche die Gerätefunktionselektronik mit dem elektrischen Schaltkreis verbinden, angeordnet sind. Daher kann die Ansammlung von Wasser am untersten Punkt der Einhausung erfasst werden, bevor eine echte Bedrohung durch Untertauchen für die Terminals entsteht.
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Das Überwachungsmittel kann eine beliebige von den bekannten physikalische Schicht-Diagnosesystemen (PLDS) sein, welche die Hauptleitungs- oder Abzweigleitungsströme überwachen und zudem in der Lage sind, den Bus-Signalpegel und Rauscheinfluss zu überwachen. Diese Pegelwerte sind wesentlich höher als die Einwirkung, die Wasser mit niedriger Leitfähigkeit auf den Bus oder die Abzweigleitung hätte, so dass die bekannten Ausführungsformen bisher nicht in der Lage sind, selbständig ein Eindringen von Wasser in ein Feldgerät zu erkennen, vor allem deshalb nicht, weil sie in der Regel einen Grundrauschpegel besitzen. Beispielsweise weist Regenwasser von mittlerer Reinheit einen ungefähren Gleichstromwiderstand von 20kOhm bis 1 MOhm auf, und bei 9V ergibt dies einen Stromwert zwischen 9 µA und 450 µA. Daher wäre hier ein Auflösungsvermögen von 0,0025 % für eine 350 mA Strommess-Vollaussteuerung erforderlich, und außerdem wäre eine Signalmessung nötig, die niedriger als der Grundrauschpegel ist. Jedoch umfasst die vorliegende Erfindung eine Modifikation in der elektrischen Schaltung, die spezifisch angepasst werden kann, um ohne Weiteres über ein PLDS erfasst werden zu können. Es ist von Vorteil, dass es hier möglich ist, eine entsprechende Modifikation auszuführen, die nicht störend in die Feldbus-Telegramme eingreift.
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Daher weist in einer bevorzugten Ausgestaltung der elektrische Schaltkreis eine elektrische Energieversorgungs- und Kommunikationsschaltung auf, wobei das Gerät zum Senden und Empfangen von Datensignalen über den elektrischen Schaltkreis ausgelegt ist. Es ist zudem vorteilhaft, dass eine ausgeführte Modifikation an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises in die Datensignale nicht störend eingreifen kann.
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In einer erfindungsgemäßen Variante kann die Modifikation an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises eine intermediäre Unsymmetrie vom Pol hin zur Abschirmung des elektrischen Schaltkreises aufweisen, d. h. 3kOhm vom Pol zur Abschirmung. Allerdings würde diese Konfiguration eine Abschirm-/Erdungsverbindung und eine dritte Leitung erfordern.
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Als Alternative kann die Modifikation an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises einen konstanten Strom in der elektrischen Schaltung mit einer hohen Konstantstromsenken-Impedanz aufweisen.
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Als Alternative kann die Modifikation an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises ein Hochfahren und Herunterfahren des Stroms in der elektrischen Schaltung umfassen. Das wird kompatibel bei etwa 10 mA c.c. mit einer Verhältnisrate von weniger als +/-1 mA/ms ausgeführt.
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Als Alternative kann die Modifikation an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises die Einleitung eines Gleichtaktsignals aufweisen, das von der Unsymmetriemessung in dem PLDS erfasst wird.
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Als Alternative kann die Modifikation an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises eine Dämpfung des Datensignalpegels entweder konstant oder intermittierend umfassen.
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Welche Modifikation auch immer zum Einsatz kommt, sie kann im Zeitverlauf variabel oder binär sein, wie zum Beispiel ein gepulstes 5-mA-Signal bei einer Frequenz von 0,1 Hz mit einem gleichmäßigen Arbeits-Ruhe-Zustand (Modulation).
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Da eine Abschirmverbindung innerhalb eines Feldinstruments, aufgrund der Anforderung in eigensicheren Systemen mehrere Erdungspunkte zu vermeiden, selten vorhanden ist, wären bevorzugte Optionen ein konstanter Strom in dem elektrischen Schaltkreis mit einer hohen Konstantstromsenken-Impedanz oder ein Stromanstiegsmechanismus, mit der Möglichkeit, eine Dämpfung des Datensignalpegels in Bezug auf zu isolierende Koppler mit Verstärkern (Impulswiederholer) anzuwenden.
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Positiv zu bewerten ist die Tatsache, dass alle vorstehend genannten Modifikationsoptionen in ihrer Beschaffenheit sehr differenziert sind, so dass sie in einem System mit differentiellen Verdrahtungspaaren in Bezug auf die Signal- und Energieleistung und innerhalb der physikalische Schicht-Attributhülle funktionieren.
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Es ist von Vorteil, dass das Wassererkennungssystem vom elektrischen Schaltkreis mit Energie versorgt werden kann. Dieses Ziel ist sehr einfach zu verwirklichen und beseitigt damit die Notwendigkeit von zusätzlichen, eigensicheren Energieversorgungen.
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In einer erfindungsgemäßen Variante kann das Gerät ein Feldinstrument sein, und die genannte Gerätefunktionselektronik kann eine Instrumentenelektronik umfassen. Als Alternative kann das Gerät ein Gerätekoppler sein und die Gerätefunktionselektronik kann eine Kopplerelektronik aufweisen, die zum Verbinden von weiteren Geräten oder Abzweigleitungen ausgelegt ist.
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In einer erfindungsgemäßen Variante kann im Innern der Einhausung ein Elektrolyt, wie beispielsweise Salz, vorgesehen sein. Dieses würde eine höher einzusetzende Leitfähigkeit ermöglichen. Der Elektrolyt kann auf den Wassererkennungssonden bereitgestellt werden.
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Mit Bezug auf das vorstehend Genannte wird die Erfindung bevorzugt als ein eigensicherer Zweidraht-Feldbus-Schaltkreis eingesetzt, welcher der Norm des IEC 61158-Protokolls entspricht.
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Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden, aber eine Ausführungsform wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, welche zeigen:
- 1 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltkreises gemäß dem bisherigen, ersten Stand der Technik, welcher ein Wassereintrittserkennungssystem enthält.
- 2 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltkreises gemäß dem bisherigen, zweiten Stand der Technik, welcher ein Wassereintrittserkennungssystem enthält.
- 3 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltkreises, der ein Wassereintrittserkennungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
- 4 ist eine Schaltplananordnung von einem Abschnitt des in 3 gezeigten, elektrischen Schaltkreises, und
- 5 ist eine Vorderansicht von einem Abschnitt des in 3 gezeigten, elektrischen Schaltkreises.
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Mit Bezug auf 3 umfasst ein erfindungsgemäßer, elektrischer Schaltkreis 40 entsprechend der IEC 61158-2-Norm eine Feldbus-Energiezufuhr 41, ein Gerät 42 als deren Lastsystem und ein Überwachungsmittel, das zum Überwachen von einer oder von mehreren physikalische Schicht-Attributen im elektrischen Schaltkreis ausgelegt sind, in Form eines physikalische Schicht-Attribut-Diagnosemoduls 43. Das Gerät 42 umfasst eine Einhausung 44, eine Gerätefunktionselektronik 45, die in der Einhausung enthalten ist, sowie zwei Terminals 46, welche die genannte Gerätefunktionselektronik 45 mit dem elektrischen Schaltkreis 40 verbinden. Das Wassererkennungssystem 47 ist im Innern der genannten Einhausung 44 angeordnet und umfasst Wassererkennungssonden 48 sowie einen physikalische Schicht-Attribut-Modifikator 49, der über dem elektrischen Schaltkreis 40 angebracht ist und parallel zur Gerätefunktionselektronik 45 verläuft. Wenn die genannten Wassererkennungssonden 48 Wasser 50 erkennen, führt der physikalische Schicht-Attribut-Modifikator 49 an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises 40 eine Modifikation aus, wobei diese Modifikation von dem genannten Überwachungsmittel 43 erfasst wird.
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Der elektrische Schaltkreis 40 ist eine eigensichere Feldbusschaltung (IEC 61158), in welcher die Hauptleitung 51, die in das Feld hineinreicht, mit einer Eigensicherheitsvorrichtung 52 eigensicher ausgeführt wird, welche eine beliebige von den bekannten Einrichtungen sein kann. Das physikalische Schicht-Attribut-Diagnosemodul 43 wird gezeigt, wie es außerhalb des eigensicheren Bereichs angebracht und mit einem generellen Steuer- und Überwachungssystem 53 verbunden ist, das sich üblicherweise in einem Kontrollraum (Betriebszentrale) befindet. Das Steuer- und Überwachungssystem 53 kommuniziert über das Feldbusprotokoll mit der Feldgeräteelektronik 45, die jede beliebige, konventionelle Funktion aufweisen kann.
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Der physikalische Schicht-Attribut-Modifikator 49 operiert auf zwei Leitungen und bezieht seine Energie von dem gleichen Betriebspunkt wie die Geräteelektronik 45. Positiv zu bewerten ist die Tatsache, dass für dieses System, um auf einer Hauptleitung oder Abzweigleitung zu funktionieren, die Eingangsimpedanz 54 jederzeit hoch ist. Die Wassererkennungssonden 48 sind im Innern der Einhausung 44 unterhalb der Terminals 46 und der Geräteelektronik 45 positioniert, so dass das Eintreten eines Schwerkraftpegels einen Kontakt mit den Wassererkennungssonden 48 herstellt, und zwar bevor dies mit irgendeinem anderen Betriebsteil im Innern der Einhausung 44 geschieht.
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Beim Erkennen von Leitfähigkeit zwischen den Wassererkennungssonden 48 führt der physikalische Schicht-Attribut-Modifikator 49 an einem physikalische Schicht-Attribut des elektrischen Schaltkreises 40 eine Modifikation aus, und diese Modifikation kann dann von dem physikalische Schicht-Attribut-Diagnosemodul 43 ganz leicht erfasst werden. Diese Modifikation wird anschließend an die Steuereinrichtung 53 kommuniziert, woraufhin eine Fehlerbehebung vorgenommen wird.
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Mit Bezug auf Vorstehendes gibt es viele verschiedene Modifikationen, die auszuführen sind, und daher kann der physikalische Schicht-Attribut-Modifikator 49 so adaptiert werden, um jede beliebige Modifikation - wie gewünscht - durchzuführen. Die Modifikation kann zudem in jedem beliebigen physikalische Schicht-Attribut zur Anwendung kommen, wie zum Beispiel in einer Unsymmetrie (die eine Abschirm-/Erdungsverbindung und eine dritte Leitung erfordert), oder mit einer variablen oder binären Modifikation in einem Zeitverlauf, wie zum Beispiel mit einem gepulsten 5-mA-Signal bei einer Frequenz von 0,1 Hz mit einem gleichmäßigen Arbeits-Ruhe-Zustand (Modulation). Des Weiteren kann ein konstanter Strom mit einer hohen Konstantstromsenken-Impedanz zur Anwendung kommen, der Strom kann hochgefahren und heruntergefahren werden, ein Gleichtaktsignal kann eingesetzt werden oder der Datensignalpegel kann konstant oder intermittierend sein.
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4 veranschaulicht eine sehr rudimentäre, eigensichere „einfache Ausführungsform“ -Lösung, die als Wassererkennungsvorrichtung 47 operieren kann. Nach dem Erkennen eines Wassereintritts mittels der Sonden 48, erhöhen sich der Abzweigleitungs-/Hauptleitungsstrom, wobei eine konstante Stromsenke einsetzt. Positiv sei angemerkt, dass dies insofern von Vorteil ist, da hier auf keine anderen Parameter eingewirkt wird, wie beispielsweise auf die Signalpegel. Es sind außerdem keine Kondensatoren oder Induktoren in diesem einfachen Schaltkreis vorhanden, und daher kann dies als „einfache Ausführungsform“ für Ziele der Zone 0 und Zone 1-Eigensicherheit klassifiziert werden und ebenso für jede andere Zonenzertifizierung oder andere Äquivalente. Dieses ist besonders vorteilhaft, da ein Herstellerzertifikat für eine „einfache Ausführungsform“ in der Anwendung mit einer vorgegebenen Energiequelle auf jedem beliebigen, eigensicheren Schaltkreis platziert werden kann, ohne dass gleich eine ganze Systemzertifizierung notwendig wird und so dass dies für die Anwendung innerhalb der Terminaleinhausung mit bereits zertifizierten Instrumenten geeignet ist.
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5 zeigt physisch, wie die Geräteeinhausung 44 konfiguriert sein kann, wobei sich die Terminals 46 auf der oberen Seite befinden, und wobei das Wassererkennungssystem 47 und seine Wassererkennungssonden 48 an der untersten Stelle in der Einhausung 44 positioniert sind.
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In Bezug auf ein noch definierteres Warnsystem in Bezug auf ein Eintreten von Kondensation oder extrem reinem Wasser können Salze oder andere Elektrolyte auf den Oberflächen oder Unterseiten der Sonden 48 hinzugefügt werden, oder auch anderswo innerhalb der Einhausung 44, was dann dem Wasser eine höhere Leitfähigkeit verleiht. Dies ist in der normalen Betriebspraxis nicht vorgesehen, da extrem reines Wasser gar keinen Ausfall verursachen würde. Falls eine Metallablegierung als Resultat eines Feuchtigkeitseindringens auftritt, ist es höchst wahrscheinlich, dass als erstes die Sonden 48 aufgrund von deren ersten Position betroffen sind, und falls es so geschieht, können diese eine Opferfunktion durchführen, um das Auslösen der Modifikation und den nachfolgenden Alarm zu bewirken.
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Die in den 3 bis 5 dargestellte Ausführungsform kann modifiziert werden, ohne dass der Schutzumfang des nachstehend angeführten Patentanspruchs 1 aufgegeben wird. Zum Beispiel kann das Gerät in einer alternativen (nicht dargestellten) Ausführungsform eher ein Koppler als ein Instrument sein, wobei die darin enthaltene Elektronik eine Kopplerelektronik aufweist, die zum Verbinden von weiteren Geräten oder Abzweigleitungen ausgelegt ist.
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Daher wird gemäß der Erfindung ein Wassereintrittserkennungssystem bereitgestellt, das alle vorstehend beschriebenen Vorteile aufweist, welche die bekannten, autonomen Erkennungssysteme im Vergleich zu den Erdschluss-Erkennungssystemen haben, jedoch nicht die Nachteile, wie zusätzliche Leitungsverkabelung, Elektronik und Energieversorgung, etc. Durch die Nutzung der veränderbaren physikalische Schicht-Attribute in dem bereits bestehenden Schaltkreis wird über das vorhandene, physikalische Schicht-Attribut-Diagnosemodul ein Warnsignal an den Kontrollraum kommuniziert. Dieses Ziel kann unter Anwendung einer „einfachen Ausführungsform“ auf kostengünstige Art und Weise erfolgen.
