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Schaltungsanordnung 7ur Überwachung und Absicherung
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von Temperaturregelstrecken, insbesondere bei elektrischen Heizvorrichtungen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung und Absicherung
von Temperaturregelstrecken, insbesondere bei elektrischen Heizvorrichtungen,mit
an Thermoelemente angeschloss>nen Temperaturreglern, vorzugsweise zum Feststellen
von Kurzschlüssen an den Thermoelementen bzw. deren Meßleitungen und/oder zum Feststellen
von Defekten der Heizvorrichtung.
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Es ist bereits bekannt, bei an Thermoelemente angeschlossenen Temperaturegeleinrichtungen
die Schaltung in der Weise auszulegen, daß im Falle des Bruches eines Thermoelementes
bzw.
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im Falle des Bruches einer Meßleitung und bei dem hierdurch bewirkten,
offenen Eingang des Temperaturreglers der Ausgangskreis dieses Reglers in eine sichere
Lage geht. Dieser Ausgangskreis schaltet entwe,ier ab oder, wie es z. B. bei stetigen
Reglern der Fall ist,es wird das Stellsignal zu Null. Der Temperaturregler reagiert
also in gleicher Weise wie bei Übertemperatur.
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Da eine solche Betrizbsweise grundsätzlich nur bei Störungen, nicht
aber beim Anfahren einer Anlage vorkommt, lassen sich die Fälle "Thermoelenentbruch"
bzw. "Leitungsbruch", welche sich regelungstechnisch als "Ubertemperatur" auswirken,
durch geeignete Überwachungsschaltungen ohne weiteres identifizieren.
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Es ist jedoch auf der anderen Seite, bedingt durch die Niederohmigkeit
eines Thermoelementes und durch den bei verschieden langen Ausgleichs leitungen
in geringen Grenzen trotzdem differierenden Innenwiderstand des Thermoelementes,
äußerst schwierig, einen Kurzschluß des Thermoelementes, z.B.
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an den Eingangsklemmen eines Temperaturreglers , eindeutig festzustellen
bzw. zu signalisieren.
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Aus der DE-AS 24 54 254 ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Überwachung
von Leitungen auf Kurzschluß und Unterbrechung bekannt, welche unter anderem auch
dazu dienen soll, allgemein Stromkreise auf Kurzschlüsse zu überwachen. Diese bekannte
Schaltungsanordnung weist unter anderem einen Operationsverstärker auf, dessen Ausgang
an einer Auslösevorrichtung angeschlossen ist, welche in dem Falle erregt wird,
daß das Gleichgewicht an den Eingängen des Operstionsverstärkers durch Leitungskurzschluß
oder auch durch Leitungsbruch gestört ist.
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Die bekannte Schaltungsanorndung ist vor allem zum Einsatz bei Alarmanlagen
für die Diebstahlüberwachung und die Gebäudeüberwachung vorgesehen.
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Es ist ferner aus der DE-AS 23 39 952 eine Schaltungsanordnung zum
Prüfen des Isolationswiderstandes von Bauelementen bekannt, mit deren Hilfe es möglich
ist, Isolationsfehler oder Kurzschlüsse von mindestens einer der im Isoliermaterial
eingebetteten Meßleitungen von Thermoelementen gegen Erdpotential festzustellen,
nicht aber Kurzschlüsse zwischen den Plus- und Minus-Schenkeln der Thermoelemente
selbst. Zu diesem Zweck wird der Isolationswiderstand der beispielsweise in einem
keramischen Isolator eingebetteten Thermoelemente im wesentlichen dadurch geprüft,
daß die Meßleitungen der Thermoelemente über die Thermospannungen entI:oppelnde
Dioden an den Pulspol einer Spannungsquelle angeschlossen sind, deren anderer Pol
mit einem die Thermoelemente umgeb<nden elektrisch leitenden Material verbunden
ist.
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In der Patentanmeldung "Verfahren und Schaltungsanordnung zum Feststellen
von Kurzschlüssen bei Thermoelementen und deren Meßleitungen, insbesondere zur Kurzschlußsicherung
für an Thermoelemente anges(hlossene Temperaturregler" (P ...
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der gleichen Anmelderin und mit gleichem Zeitrang wird ein Verfahren
zur Kurzschlußfeststellung bzw. -Sicherung beschrieben, welches es ermöglicht, bei
verhältnismäßig geringem Aufwand etwaige Kurzschlüsse des Thermoelementes bzw. in
seinen Meßleitungen eindeutig und sicher zu identifizieren und zu signalisieren,
um hierdurch beispielsweise in Abhängigkeit von der Thermospannung arbeitende Regelstrecken
von Temperaturreglern abzusichern. Es kann sich hierbei z. B. um Temperaturregler
für Kunststoffverarbeitungsmaschinen, für Industrieöfen oder dergleichen Anlagen
handeln.
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In der genannten Patentanmeldung wird ferner eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens zur Kurzschlußfeststellung bzw. -Sicherung beschrieben.
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In dieser Patentanmeldung wird unter anderem vorgeschlagen, einen
Vergleich der von einem Thermoelement abgegebenen Thermospannung mit einer einer
vorgebbaren Sicherheitstemperaturgrenze proportionalen Referenzspannung mittels
eines Operationsverstärkers durchzuführen, der im Thermoelement-Kurzschlußfalle
ein Ausgangssignal liefert, das zu entsprechenden Signalisierungsmaßnahmen bzw.
zur Blockierung des Ausganges des Temperaturreglers benutzbar i;t, so daß eine Überhitzung
oder eine Zerstörung der Regelstrecke vermieden wird.
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Die in der genannten Patentanmeldung beschriebene Sicherheitsschaltung
zur Kurzs(hluBsicherung für an Thermoelemente angeschlossene Temperaturregler spricht
aber auch in dem Falle in gleicher Weise a-i, daß ein Defekt in der elektrischen
Heizvorrichtung aufgetreten ist. Es wird somit bei einem Defekt oder Ausfall der
Heizung (Heizbänder oder Heizwicklungen, die bei dem rauhen 3etrieb z. B. bei Kunststoffverarbeitungsmaschinen
oder
Industrieöfen naturgemäß eine begrenzte Lebensdauer besitzen) ebenfalls das Stellglied
des Temperaturregelkreises gesperrt und der Reglerausgang in einen sicheren Zustand
gebracht werden, da der Operationsverstärker an seinem Ausgang einen Therrioelement-Kurzschluß
meldet, obwohl ein solcher nicht vorliecrt, sondern ein Defekt in der elektrischen
Heizvorrichtung.
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Die erwähnte Schaltungsanordnung lief er also im Falle eines Thermoelement-Kurzschlusses
oder im Falle eines Heizungsdefektes jeweils das gleiche Ausgangssignal, wodurch
die eindeutige Identifizierung des jeweils vorliegenden Fehlers erschwert wird.
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Es sind darüber hinaus Schaltungsanordnngen zur Heizstromüberwachung
bei elektrischen Heizvorrichtungen bereits bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
anzugeben, mit deren Hilfe es ermöglicht wird, die Fälle "Thermoelement-Kurzschluß"
oder "Heizungsdefekt" selektiv zu identifizieren und zu signalisieren.
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Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Temperaturregelstrecke
sowohl irit einer Thermoelementen-Kurzschlußsicherheitsschaltung als auch mit einer
Heizstromüberwachungsschaltung versehen ist und daß die Ausgänge dieser beiden Schaltungen
parallel mit einem binären Schaltkreis verbunden sind, in dem die zugeführten binären
Eingangssignale mittels Verknüpfungsgliedern in einer Weise verknüpfbar sind, daß
Ausgangssignale erzeugt werden, denen Signalzustände eine selektive und eindeutige
Signalanzeige bzw. -Auswertung "Thermoelement -Kurzschluß" oder ''Heizl.ngsdefekt''
ergeben.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 6 niedergelegt.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung, ihrer weiterbildenden Merkmale
und ihrer Vorteile dient die beigefügte Zeichnung, in der eine Schaltungsanordnung
im Rahmen eines Ausführungsbeispieles dargestellt ist.
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In der Zeichnung ist :nit 1 eine anlsich bekannte, schematisch dargestellte
Heizstro:nüberwachungsschaltung für eine elektrische Heizvorrichtung bezeichnet,
wobei dieser Heizstromüberwachungsschaltung 1 ein Exklusiv-ODER-Glied 5 mit zwei
Eingängen 6 und 7 und einem Ausgang 8 zugeordnet ist. Weitere Einzelheiten dieser
Heizstromüberwachungsschaltung und Einzelheiten der elektrischen Heizvorrichtung
selbst sind der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht gezeigt.
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Eine ebenfalls im einzelnen nicht dargestellte Temperaturregelstrecke
, deren Überwachung und Absicherung erfolgen soll, ist außer mit der bereits erwähnten
Heizstromüberwachungsschaltung mit einer Thermoelementen-Kurzschlußsicherheitsschaltung
versehen, deren Einzelheiten in der bereits oben erwähnten Patentanmeldung der gleichen
Anmelderin beschrieben sind.
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Ein Thermoelement 2 ist über Klemmen 2' und 2'' an einen mit 3 bezeichneten,
schematisch dargestellten Eingangsmeßkreis der Temperaturregelstrecke mit zugehöriger
Kurzschlußsicherheitsschaltung angeschlosen, die außerdem noch einen Operationsverstärker
16 mit zwei Eingängen 17 und 18 und einem Ausgang 19 aufweist.
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Die Schaltung 3 ist ferner mit Anschlüssen 4a und 4b zur Einspeisung
einer positiven, stabilisierten Hilfsspannung versehen.
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Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung enthält weiterhin
einen binären Schaltkreis, mit dem der Ausgang 8 des Exklusiv-ODER-Gliedes 5 (und
damit der HeizstromUberwachungsschaltung) und der Ausgang 19 des Operationsverstärkers
16 ( und damit der Thermoelement.en-Kurzschlußüberwachungsschaltung) in paralleler
Schaltweise verbunden sind.
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Im einzelnen führt hierbei der Ausgang 8 des Exklusiv-ODER-Gliedes
5 zunächst zu einem Abzweigpunkt 9, von dem aus eine erste Leitung zu einem Eingang
10 eines invertier-Gliedes 11 und eine zweite Leitung zu einem ersten ]ingang 13
eines ersten UND-Gliedes 12 geführt sind. Der Ausgang 8 des Exklusiv-ODER-Gliedes
5 ist über das Invertier-Glied 11 mit einem zweiten Eingang 24 eines zweiten UND-Gliedes
22 verbunden.
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Parllel hierzu ist der Ausgang 19 des Operationsverstärkers 16 mit
einem Eingang 20 eines Invertier-Gli-des 21 verbunden, dessen Ausgang zunächst zu
einem Abzweigpunkt 27 führt. Von diesem Abzweigpunkt 27 aus führt eine erste Leitung
zu einem zweiten Eingang 14 des ersten UND-Gliedes 12 sowie eine zweite Leitung
zu einem ersten Eingang 23 des zweiten UND-Gliedes 22.
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Das erste UND-Glied 12 besitzt einen Ausgang 26 und das zweite UND-Glied
22 einen Ausgang 28.
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Der Ausgang 26 des ersten UND-Gliedes 12 ist nun mit einem Setzeingang
31 eines ersten RS-Speichergliedes 29 verbunden, während der Ausgang 28 des zweiten
UND-Gliedes 22 mit einem Setzeingang 32 eines zweiten RS-Speichergliedes 30 verbunden
ist.
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Hierbei ist ferner der Rücksetz-Ausgang 35 des ersten RS-Speichergliedes
29 mit einem dritten Eingang 25 des zweiten UND-Gliedes 22 und der Rücksetz-Ausgang
36( des zweiten RS-Speichergliedes 30 mit einem dritten Eingang 15 des ersten UND-Gliedes
12 verbunden.
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Außerdem sind die Rücksetz-Eingänge 33 bzw. 34 der beiden RS-Speicherglieder
29 bzw. 30 gemeinsam an eine Rücksetzansteuerung 41 angeschlossen.
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Schließlich ist der Setz-Ausgang 37 des ersten RS-Speichergliedes
29 mit einer Signalanzeige 39 für "Thermoelementen-Kurzschluß" und der Setz-Ausgang
38 des zweiten RS-Speichergliedes 30 mit einer Signalanzeige 40 für "Heizungsdefekt"
verbunden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden als RS-Speicherglieder
vorzugsweise RS-Flip-Flops benutzt.
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Diese Schaltungsanordnung besitzt die folgende Funktionsweise: Fall
A: Die elektrische Heizvorrichtung und das Thermoelement des Temperaturreglers arbeiten
einwandfrei.
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Die Eingänge 6 und 7 des Exklusiv-ODER-Gliedes 5 werden von der Heizstromüberwachungsschaltung
1 her beide mit Binär-Signalen des. gleichen Signalzustandes beliefert, so daß sich
durch deren Verknüpfung im Exklusiv-ODER-Glied 5 an dessen Ausgang 8 ein Signal
des Signalzustandes H einstellt.
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Gleichzeitig liefert der Operationsverstärker 16 an seinem Ausgang
19 ein Signal ebenfalls des Signalzustandes H.
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Vom Ausgang 8 des Exklusiv-ODER-Gliedes 5 gelangt nun einerseits dessen
H-Signal unmittelbar zum ersten Eingang 13 des ersten UND-Gliedes 12. Das vom Ausgang
19 des Operationsverstärkers 16 herkommende H-Signal gelangt zunächst über den Eingang
20 in das Invertier-Glied 21 , in dem das H-Signal in ein L-Signal invertiert wird.
Nach Abzweigung am Abzweigpunkt 27 wird dieses L-Signal dem zweiten Eingang 14 des
ersten
UND-Gliedes 12 zugeführt. Ferner steht an dem dritten Eingang
15 des ersten UND-Gliedes 12 vom Rücksetz-Ausgang 36 des RS-Flip-Flop 30 herkommend
ein Q-Signal.
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Gleichzeitig wird das vom Ausgang 8 des Exklusiv-ODER-Gliedes 5 gelieferte
H-Signal über 9, 10, 11 denrzweiten Eingang 24 des zweiten UND-Gliedes 22 zugeleitet,
nachdem es durch das Invertier-Glied 11 in ein L-Signal invertiert worden ist.
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Andererseits wird dem ersten Eingang 23 des zweiten UND-Gliedes 22
vom Ausgang 19 des Operationsverstärkers 16 herkommend über den Weg 20, 21, 27 ebenfalls
ein L-Signal angeboten. Dem dritten Eingang 25 des zweiten UND-Gliedes 22 wird vom
Rücksetz-Ausgang 35 des RS-Flip-Flop 29 her ein Q-Signal zugeleitet.
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Aufgrund dieser Signalzustände der den beiden UND-Gliedern 12 und
22 zu-geleiteten Binär-Signale stellen sich an deren Ausgängen 26 und 28 jeweils
Signale der Binär-Wertung = Null ein, d. h. es wird weder eine Information über
einen Thermoelementen-Kurzschluß noch eine Information über einen Heizungsdefekt
an die entsprechenden Signalanzeigen 39 und 40 weitergeleitet.
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Fall B: Elektrische Heizvorrichtungdefekt, Thermoelement des Temperaturreglers
intakt.
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Wird beispielsweise in diesem Falle die kalte Regelstrecke mit einem
defekten Heizband oder Heizwicklung eingeschaltet, so steht von der Heizstromüberwachungsschaltung
1 her sofort ein L-Signal am Ausgang 8 des Exklusiv-ODER-Gliedes 5 an, das über
den Weg 9, 10, 11 wiederum den 2. Eingang 24 des zweiten UND-Gliedes 22 zugeführt
wird, und zwar nach Invertierung durch das Invertier-Glied 11 in ein H-Signal.
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Da in diesem Falle auch die Kurzschluß-Sicherheitsschaltung auf den
Heizungsdefel;t anspricht, liefert der Operationsverstärker 16 an seinen Ausgang
19 ebenfalls ein Signal des Signalzustandes JJ. Infolgedessen wird dem ersten Eingang
23 des zweiten UND-Gliedes 22 über den Weg 20, 21, 27 ebenfalls nach Invertierung
durch das Invertier-Glied 21 ein H-Signal zugeführt. Gleichzeitig befindet sich
der RS-Flip-Flop 29 in der Rücksetzlage, so daß am dritten Eingang 25 des zweiten
UND-Gliedes 22 ebenfalls ein Signal Q mit dem Wert 1 steht. Somit haben sämtliche
Eingänge des zweiten UND-Gliedes 22 denselben Signalzustand = 1, so daß am Ausgang
28 ein Ausgangssignal ebenfalls des Signalzustandes 1 steht. Dieses wird über den
RS-Flip-Flop 30 der Signalanzeige 40 zugeführt, d. h. also,diese empfängt jetzt
die Information "Heizungsdefekt".
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Auf der anderen Seite liefert das erste UND-Glied 12 wiederum nur
ein Ausgangssignal des Wertes Null, da dessen Eingängen 13 und 14 von 8 her-kommend
unmittelbar ein L-Signal und von 19 herkommend nach Invertierung bei 21 ein H-Signal
zugeführt werden.
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Fall C: Elektrische Heizvorrichtung arbeitet ordnungsgemäß, Thermoelement(oder
dessen Zuleitung) des Temperaturreglers ist kurz geschlossen: In einem derartigen,
während des Betriebes vorkommenden Fall sinn die Thermospannung schlagartig auf
einen Wert, der kleiner als eine einer vorgegebenen Sicherheitstemperaturgrenze
entsprechende Referenzspannung ist. Die Kurzschluß-Sicherheitsschaltung bewirkt
nun, daß am Ausgang des Operationsverstärkers 16 nunmehr ein Signal mit dem Signalzustand
L abgegeben wird, welches über den Weg 20, 21, 27 zum zweiten Eingang 14 des ersten
UND-Gliedes 12 gelangt, nachdem es durch
das Invertier-Glied 21
in ein H-Signal invertiert worden ist.
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Andererseits wird vom Ausgang 8 des Exklusiv-ODER'Gliedes 5 her dem
ersten Eingang 13 des ersten UND-Gliedes 12 ebenfalls ein H-Signal angeboten, in
derselben Weise wie im oben geschilderten Falle A.
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Gleichzeitig wird über den dritten Eingang 15 vom RS-Flip- Flop 30
her ein Q-Signal mit dem Wert = 1 zugleitet,entsprechend dem Signalzustand H.
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Somit stehen an den Eingängen 13, 14 und 15 des ersten UND-Gliedes
12 wiederum Signale mit den gleichen Signalzuständen = 1, so daß das Ausgangssignal
am Ausgang 26 des ersten UND-Gliedes 12 ebenfalls den Zustand = 1 besitzt. Infolgedessen
gelangt über den RS-Flip-Flop die Information "Thermoelement-Kurzschluß zur Signalanzeige
39. Dem zweiten UND-Glied 22 sind währenddessen am ersten Eingang 23 ein H-Signal
und am zweiten Eingang 24 ein L-Signal zugeleitet worden, wobei es sich um die jeweils
durch die Invertier-Glieder 21 bzw. 11 invertierten L- bzw. H-Signale der Ausgänge
19 bzw. 8 handelt, so daß am Ausgang 28 des zweiten UND-Gliedes 22 ein Signal mit
dem Wert = Null steht, entsprechend der Tatsache, daß die Heizung intakt ist. Damit
ist also eine eindeutige und selektive Identifizierung und Signalisierung der Fälle
Thermoelement-Kurzschluß oder "Heizungsdefekt" möglich.
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Die Speicherung der Ausgangssignale der beiden UND-Glieder 12 und
22 durch die jeweils zugeordneten RS-Flip-Flops 29 und 30 bei gleichzeitiger Blockierung
der jeweiligen UND-Glieder 12 und 22 in der Setzlage der RS-Speicherglieder besitzt
den Zweck, beim Abschalten des Ausganges der Temperaturregelstrecke in Folge eines
Thermoelementen-Kurzschlusses zu vermeiden, daß über die Heizstromüberwachungsschaltung
wiederum eine Information "Heizungsdefekt" ausgelöst-wird.
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Wird nach der Instandsetzung der:Anlage der Temperaturregler wieder
eingeschaltet, dann werden die beiden RS-Flip-Flops 29 und 30 durch die Rücksetzansteuerung
41 wieder zurückgesetzt.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen und Weiterbildungen
sowie alle Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/ oder dargestellten
Merkmale und Maßnahmen.
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B e z u g s z e i c h e n l i s t e 1) Heizstromüberwachungsschaltung
2) Thermopaar 2' ) Klemmen 2'' 3) Schaltung, enthaltend Eingangsmeßkreis eines Temperaturreglers
mit Kurzschlußsicherheitsschaltung 4a) Anschluß für Stromversorgung 4b) Anschluß
für Stromversorgung 5) Exklusiv-ODER-Glied 6) 1. Eingang von 5 7) 2. Eingang von
5 8) Ausgang von 5 9) Abzweigpunkt 10) Eingang von 11 11) Invertier-Glied 12) 1.
UND-Glied 13) 1. Eingang von 12 14) 2. Eingang von 12 15) 3.-Eingang von 12 16)
Operationsverstärker 17) 1. (+) Eingang von 16 18) 2. (-) Eingang von 16 19) Ausgang
von 16 20) Eingang von 21 21) Invertier-Glied 22) 2. UND-Glied 23) 1. Eingang von
22 24) 2. Eingang von 22 25) 3. Eingang von 22 26) Ausgang von 12 27) Abzweigpunkt
28) Ausgang von 22 29) 1. RS-FLIP-FLOP 30) 2. RS-FLIP-FLOP 31) Setz-Eingang von
29 32) Setz-Eingang von 30 33) Rücksetz-Eingang von 29
34) Rücksetz-Eingang
on 30 35) Q -Ausgang von 29 36) Q -Ausgang von 30 3 Rücksetzausgänge 37) Q- Ausgang
von 29 38) Q- Ausgang von 30 Setzausgänge 39) Signalanzeige "Kurzschluß" 40) Signalanzeige
"Heizungsdefekt" 41) Rücksetzansteuerung
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