DE3239627A1 - Anzeigeeinrichtung fuer brennbare gase - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Anzeigesysteme für brennbares Gas. Genauer gesagt: Ein Anzeigesystem für brennbares
Gas, mit einem von einer Steuerstelle entfernt angeordneten Fühler für brennbares Gas und einer geräuschimmunen Übertragungseinrichtung
zur Übertragung von Signalen vom Fühler zur Steuerstelle.
An zeigesysterne für brennbares Gas mit entfernt angeordneten
Fühlern werden gewöhnlich in großen chemischen Fabriken verwendet,
in denen die Arbeitsgänge von einer Zentralstelle aus gesteuert werden. Die Art der am häufigsten eingesetzten
Fühler für brennbares Gas ist in der US-PS 3 092 799 beschrieben. Diese Fühler umfassen einen Faden aus Widerstandsdraht,
der in einem feuerfesten Material eingeschlossen ist, das katalytisch aktiviert wurde. Heizstrom wird
durch den Faden geleitet, um den Temperaturfühler auf erhöhter Temperatur zu halten. In Gegenwart eines brennbaren
Gases erhöht sich das Temperaturniveau des Fühlers weiter, und zwar wegen der katalytischen Verbrennung, die an der
feuerfesten Oberfläche stattfindet. Dieser Temperaturanstieg verurascht eine Veränderung des Widerstandes des Fadens
und folglich eine Änderung des Faden-Stroms. Um von einem brennbaren Gas erzeugte Stromänderungen von denjenigen
zu unterscheiden, die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur oder eine Änderung in der Versorgungsspannung hervorgerufen
werden könnten, ist der katalytisch aktive Fühler sowie ein ähnlich aufgebauter Faden, der nicht katalytisch
aktiviert wurde, in Formeinei Wheatstone-Brückenschaltung
geschattet. Die Änderungen des Stroms an den Brückenabgleichpunkten sind dann allein auf die
Gegenwart von brennbarem Gas zurückzuführen, wobei jegliche Langzeitänderungen der Teilwerte außer acht gelassen
.,
sind.
sind.
Herkömmlicherweise wird das an den Abgleichpunkten der Füh-
EAD ORlQiNAL
·> ■
lerbrücke vorhandene Gleichstromsignal ohne Modifikation
der Steuerstelle zugeführt, wo der Wert des Signals gemessen
und nach der Konzentration von brennbarem Gas ausgewertet wird. Typische Werte solcher Signale liegen im Bereich
von 4-20 mA, je nach dem abgefühlten Gas. Es ist klar, daß bei Zuführung solcher niederpegligeh Signale über
Distanzen von mehreren Tausend Fuß (Hunfiert Metern) die Auswahl
und Installation der übertragungsleitung besonders sorgfältig sein muß jj>
um Rauschen zu minimalisieren. Abgesehen von wahrscheinlichem Rauschen in der Leitung, beeinträchtigen
die Leitungskennwerte das Signal darüber hinaus direkt, so daß gewissenhafte Eichungen nach der Installation
und danach periodisch bei jedem Fühler des Systems gemacht werden müssen, um sicherzustellen, daß die Steuerstelle
genaue Signale erhält.
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Anzeigesystems
für brennbares Gas mit einem oder mehreren entfernt angeordneten Fühlern, bei dem rauschfreie Signa-Ie
von den Fühlern zu einer zentralen Steuerstelle übertragen werden. Des weiteren soll ein Anzeigesystem für brennbares
Gas mit entfernt angeordneten Fühlern geschaffen werden, bei dem normaler Draht zur Verbindung der Fühler mit einer
zentralen Steuerstelle verwendet werden kann«, Auch soll ein
Anzeigesystem für brennbares Gas mit entfernt angeordneten
Fühlern angegeben werden, bei dem hochgenaue Signale von
den Fühlern zu einer zentralen Steuerstelle übertragen werden können, ohne daß eine Eichung der Fühler/übertragungs-
leitungs-Einrichtung notwendig ist.
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Die Erfindung umfaßt ein Anzeigesystem für brennbares Gas,
bei dem eine zentrale Steuerstelle, die zur Verarbeitung von digitalen Gasfühlerdaten ausgelegt ist, Betriebsleistung
an einen oder mehrere entfernt angeordnete Gasfühler
über eine normale zweiadrige Verbindung liefert. Die Gasfühler sind katalytisch aktive Fäden, die einen vergleichsweise
niederpegeligen Analogsignalausgang erzeugen, der die
Konzentration an brennbarem Gas beim Fühler anzeigt. Das analoge Ausgangssignal jedes Fühlers des Systems wird an
Ort und Stelle in ein digitales Signal umgewandelt, und das digitale Signal wird an die Steuerstelle mittels
einer Kohärentfrequenzumtasteinrichtung auf derselben zweiadrigen Verbindung übertragen, die die Betriebsleistung
an den Fühler liefert.
Die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der einzigen Figur beschrieben, die ein Funktionsschaltbild der Erfindung ist
und das zentrale Steuergerät mit den dort angeordneten Elementen des Datenempfangs- und -Verarbeitungssystems
und einen entfernt angeordneten Fühlermodul mit den darin enthaltenen Elementen des Datenverarbeitungs- und Übertragungssystems
zeigt.
^O Ein zentral angeordnetes Steuergerät 10 ist mit einem entfernt
angeordneten Fühlermodul 11 mittels einer zweiadrigen übertragungsleitung 12 verbunden, die mehrere Tausend Fuß
(Hundert Meter) lang sein kann. Ein Netzteil 14 im Steuergerät liefert Gleichstrom von 24V über die übertra-
gungsleitung 12 an den Fühlermodul 11.. In dem Fühlermodul wandelt ein Wandler 15, der geeigneterweise einen freischwingenden
Multivibrator umfassen kann, den Gleichstromeingang von der Leitung 12 in Wechselstrom um, und zwar
zur Transformation in eine niedrigere Spannung, geeigneter-
weise von 10V. Der Wechselstromausgang des Umsetzers 15
wird in einem ungeregelten Netzteil 16 gleichgerichtetf
dessen Ausgang im Regler 17 auf +2V und im bipolaren Regler 18 auf +_5V geregelt wird. Der Regler 17 liefert Leistung
an eine Fühlerbrücke, die einen katalytisch aktiven Faden-
widerstand 21 und einen Bezugs-Fadenwiderstand 22 umfaßt,
die in Reihe und parallel mit den in Reihe geschalteten Widerständen 23 und 24 geschaltet sind. Der 5V-Regler
18 betreibt den integrierten Schaltkreis des Fühlermoduls
11. Der Brückenabgleichpunkt an der Verbindungsstelle der.
Fühlerwiderstände 21 und 22 ist mit dem Hoch-Eingang eines binären 12-Bit Analog/Digital-Umsetzers 25 verbunden. Der
Brückenabgleichpunkt an der Verbindungsistelle der Widerstände 23 und 24 ist mit dem Niedrig-Eingang des Umsetzers 25 ■
verbunden» Geeigneterweise kann der Umsetzer 25 ein ICL 7109
von Intersil Inc., Cupertino, Kalifornien, sein. Bei einem solchen Umsetzer ist die zwischen dem Hoch-- und Niedrig-Eingang
vorhandene Spannungsdifferenz flür eine bestimmte
Zeitdauer integriert. Die integrierte Spannung wird dann mit einer konstanten Rate desintegriert, und die für die
Rückstellung der integrierten Spannung auf Null benötigte Zeit wird dann digital gezählt. Die digitale Zählung ist
dann proportional der Größe des analogen Spannungseingangs. Die für den Betrieb des Umsetzers 25 benötigte Bezugsspannung
wird von einem Spannungsteiler 26 bereitgestellt, der zwischen +2V und Erde geschaltet ist.
Nach der Umsetzung liegt das Analogsignal von der Fühlerbrücke
im Umsetzer 25 als ein 12-Bit Parallel-Digitalwart
vor. Um die Übertragung des 12-Bit-Wortes durch eine zweiadrige übertragungsleitung zu ermöglichen, wird das Wort
in einem Universal-Asynchron-Empfanger-Geber (UART) 27 von
parallel in seriell umgesetzt.
Ein Taktoszillator 28 liefert phasenkohärente, harmonischbezogene Taktsignale mit Frequenzen von 153.6 kHz, 4800 Hz,
2400 Hz und ungefähr 7 Hz. Das 153.6 kHz-Taktsignal wird
vom Umsetzer 25 benützt. Das 4800 Hz-Signal dient als der
Gebertakt für den UART 27. Das 4800 Hz-Signal dient auch als Träger für logische "1"-Bits, wenn sie auf die übertragungsleitung
12 moduliert sind. Das 2400 Hz-:Signal ist der
Träger für logische "0"-Bits„ Das 7 Hz-Signal arbeitet mit
einer den Umsetzer 25 und den UART 27 verbindenden Handshake-Logik
zur Bildung von Momentawerten und Umsetzung des Analogsignals mit einer 7/sec-Rate. Seriendaten vom UART
ve
27 erscheinen auf der Leitung 29 mit einer 300-Baud-Rate.
Die Daten werden an einen Frequenzumtastungskreis 31 angelegt, der NAND-Glieder 32-35, einen Transistor 36 und
einen optisch gekoppelten Isolator 37 aufweist. Ein Signal für eine logische "1" auf der Leitung 29 ermöglicht, daß
das Glied 32 den 4800 Hz-Träger zum Glied 35 weiterleitet. Gleichzeitig invertiert das Glied 33 das "1"-Signal unter
Abschaltung des Glieds 34, wodurch dieses Glied einen hohen Ausgang erzeugt,· der es dem Glied 35 ermöglicht, den 4800
Hz-Träger an die Basis des Transistors 36 weiterzuleiten.
Ein Signal für eine logische "0" auf der Leitung 29 schaltet das Glied 32 unter Unterbrechung der Übertragung des
4800 Hz-Trägers ab und ermöglicht es dem Glied 34 nach Inversion im Glied 33, den 2400 Hz-Träger zum Glied 35 wei-
terzuleiten. Das durch den "0"-Eingang abgeschaltete Glied 32 erzeugt einen hohen Ausgang, der es dem Glied 35 ermöglicht,
den 2400 Hz-Träger zum Transistor 36 weiterzuleiten.
Der Transistor 36 treibt den Isolator 37, geeigneterweise vom 4N36-Typ, der eine lichtemittierende Diode und einen
Phototransistor umfaßt. Das Licht von der Diode fluktuiert mit der Trägerfrequenz von 2400 oder 4800 Hz, wodurch der
Phototransistor bei derselben Frequenz leitend wird; dadurch wird ein Strommodulationssignal von ungefähr 20 mA
<Jer Leitung 12 eingeprägt.
Im Steuergerät 10 entwickelt das Strommodulationssignal auf der Leitung 12 eine Wechselspannung über dem Widerstand
40, der vojn Gleichstrom durch :das Netzwerk 35 abge-
ΟΛ Ϊ
kuppelt wird, dap einen Eingangskanal zu einem Multiplexer 36 bildet. Dem Fühlermodul 11 ähnliche Fühlermodule können
an andere Eingangskanäle des Multiplexers 36 über Netzwerke 38,39 und dem Widerstand 40 entsprechende Widerstände
gekuppelt sein. Der Multiplexer 36 schaltet die Kanäle unter
Steuerung durch einen Mikroprozessor 41, um einen bestimmten
Fühlereingangskanal mit dessen Ausgang 42 zu verbinden. Signale vom Multiplexer 36. werden gefiltert, um Hochfre-
Ur-U Uni.
quenzrauschen zu beseitigen, und im Verstärker 43 verstärkt,
dessen Ausgang mit Operationsverstärkern 45 und 46 parallelgeschaltet ist. Das Rückkopplungsnetzwerk des Verstärkers
45 hat einen Bandpaßkennwert mit einer Mittenfrequenz von 4800 Hz und einem Q von ungefähr 10. Das Rückkopplungsnetzwerk
des Verstärkers 46 hat einen Bandpaßkennwert mit einer Mittenfrequenz von 2400 Hz und einem Q von ungefähr 4, so
daß die Zeiten, die erforderlich sind, um die Verstärker nach einer Trägerfrequenzversetzung zu stabilisieren, ungefähr
gleich sind. Der Ausgang des Verstärkers 45 wird in einer Diode 47 gleichgerichtet, die so ^gepolt ist, daß sie
einen Speicherkondensator 48 positiv auflädt. Der Ausgang des Verstärkers 46 wird in einer Diode 49 gleichgerichtet,
die so gepolt ist, daß sie den Kondensator 48 an Erde entlädt.
Die Diode 51 stellt sicher, daß der Kondensator 48 nicht negativ geladen wird.
Die Daten, die auf dem Kondensator 48 seriell erscheinen,
werden in dem Empfänger-Register eines UART 52 gespeichert und dann in paralleler Form an den Mikroprozessor 41 übertragen.
Der Mikroprozessor 41 wertet die erhaltenen Daten hinsichtlich des Prozentsatzes der unteren Explosionsgrenze
des abgefühlten brennbaren Gases aus, liefert eine Ausgangsanzeige
desselben und betätigt eine Warneinrichtung oder stellt die Verfahrenssteuerungen in Abhängigkeit davon nach.
Die Umsetzung von niederpegeligen Analogsignalen in hochpegelige
Sigitalsignale, die durch Frequenzumtastung von Trägersignalen mit Frequenzen übertragen werden, die weit von
den 60 Hz abliegen, bei denen das meiste Leitungs-Induktionsrauschen
stattfindet, macht das System im wesentlichen immun • gegen Interferenzen. Die Genauigkeit wird durch den hohen
Auflösungsgrad verbessert, mit dem. die Analog-Digitalujnsetzung
bewerkstelligt wird, sowie dadurch, daß der Signalpegel
der übertragenen Signale nicht von der Größe des Fühlersignals abhängig ist. Durch die Verwendung von phasenkohärenten
4800 Hz und 2400 Hz sowohl als UART-Takt wie auch als
1 Träger für die Datensignale, werden Datensignale mit mini maler Verzerrung an der Steuerstelle empfangen und angezeigt.
Claims (6)
- [ 1.yAnzeigesystem für brennbares Gas, mit einer zentralen Steuerstelle und einem entfernt angeordneten Fühlerfür brennbares Gasr der ein Analogsignal erzeugt, das die Konzentration an brennbarem Gas am Ort des Fühlers anzeigt, und einer geräuschimmunen übertragungseinrichtung zur übertragung von Signalen vom Fühler zur. Steuerstelle, gekennzeichnet durch eine Übertragungsleitung, die die Steuerstelle mit dem Fühler verbindet» eine Einrichtung, die Leistung an die tjbertragungsieitung liefert, eine Einrichtung am Fühler, die Leistung von der übertragungsleitung erhält und Betriebsleistung an den Fühler liefert, einen Analog-Digitalumsetzer am Fühler, eine Einrichtung, die das die Konzentration an brennbarem Gas am Fühler anzeigende Analogsignal dem Umsetzer zuführt, wobei der Umsetzer das Analogsignal in ein Parallel-Binärdigitalsignalumwandelt, eine Einrichtung zur Umwandlung des Parallel-20Digitalsignals in ein Serien-Digitalsignal, einen Taktoszillator am Fühler, der mindestens zwei Taktsignale unterschiedlicher Frequenz erzeugt, eine vom Serien-Digitalsignal gesteuerte Tasteinrichtung zur Auswahleines der Taktsignale bei Auftreten einer logischen "1" 25im Serien-Digitalsignal und zur Auswahl des anderenTaktsignals bei Auftreten einer logischen "0" im Serien-Digitalsignal, und eine Einrichtung zur Anlegung des von der Tasteinrichtung ausgewählten Taktsignals an g0 die übertragungsleitung.
- 2. Vorrichtung nach. Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzliche Filtereinrlchtungen an der Stcuerstelle, denen die aq dor UbertraqunqHlottunq ,ml hMjfnden 'lMktnlqrut h* /.ugeführt werden und die einen Ausgang einer ersten Polarität bei Auftreten des von der Tasteinrichtung für eine logische "1" des Serien-Dtqitaltfiqnnlπten Taktsignals bereitstellen und einen Ausgang entgegensetzter Polarität bei Auftreten des von der Tasteinrichtung für eine logische "0" des Serien-Digitalsignals ausgewählten Taktsignals bereitstellen, und Einrichtungen an der Steuerstelle zur Auswertung des Ausgangs der Filtereinrichtungen nach der Konzentration des brennbaren Gases beim Fühler.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umwandlung des Parallel-Digitalsignals in ein "Serien-Digitalsignal der Tasteinrichtung das Serien-Digitalsignal mit einer von einem der Taktsignale bestimmten Rate zuführt.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Taktsignale in harmonischer Beziehung stehen und phasenkohärent sind.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anlegung des Taktsignals an die Übertragungsleitung einen optisch angekoppelten Isolator umfaßt, der eine lichtemittierende Diode, an die das von der Tasteinrichtung ausgewählte Taktsignal angelegt wird, einen Lastwiderstand und einen Phototransistor aufweist, der über den Lastwiderstand mit der übertragungsleitung verbunden ist, wobei der Phototransistor auf von der lichtemittierenden Diode ausgesandtes Licht anspricht, um den durch den Lastwiderstandfließenden Strom zu ändern.
30 - 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung an die übertragungsleitung liefernde Einrichtung eine Einrichtung zur Zuführung von Gleichstrom an die übertragungsleitung umfaßt.Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung am Fühler, die den Fühler mit Be-triebsleistung beliefert, eine Einrichtung zur Umwand lung des Gleichstroms von der übertragungsleitung in Wechselstrom sowie eine Einrichtung umfaßt, die den Wechselstrom gleichrichtet, um Gleifchstrom-Betriebsleistung an den Fühler zu liefern".
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