DE4244761A1 - Füllstand-Meßsystem und Verfahren zur Testsignalübertragung in einem solchen Füllstand-Meßsystem - Google Patents
Füllstand-Meßsystem und Verfahren zur Testsignalübertragung in einem solchen Füllstand-MeßsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Testsignalübertra
gung in einem Füllstand-Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und ein Füllstand-Meßsystem gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
Eine derartige Anordnung ist in bezug auf die Testbefehl
übertragung z. B. aus der DE 31 27 637 C2 bekannt. Dieses
Füllstand-Meßsystem besteht aus einem kapazitiven Sensor,
der über eine Zweidrahtleitung mit einem entfernt angeordne
ten Auswertgerät verbunden ist, das zyklisch wiederkehrende
Testprozeduren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der
einzelnen Komponenten nutzt. Die Zuführung eines Meßwertes
zum Auswertgerät erfolgt durch Umsetzung desselben in eine
zugehörige Frequenz, die in Form von Impulsen über die
Zweidrahtleitung zum Auswertgerät gesendet wird. Zur Auslö
sung eines Testzyklus wird die Stromversorgung des Sensors
durch Öffnen eines im Auswertgerät vorhandenen, in die
Zweidrahtleitung eingeschalteten Schalters unterbrochen. Der
daraufhin eingeleitete Testzyklus bewirkt die sensorinterne
Generierung einer Frequenz, die höher als die durch die
Sensorkapazität bestimmte Meßfrequenz ist. Diese Frequenzen
werden vom Auswertgerät erfaßt und auf Korrektheit über
prüft.
Weiterhin ist aus der EP 0 433 995 A2 ein Testsystem be
kannt, bei dem empfängerseitig ein Testsignalgenerator zur
Einleitung eines Funktionstests vorhanden ist. Der Testsi
gnalgenerator ist durch einen Schalter gebildet, der die
beiden Versorgungsleitungen zwischen Auswertgerät und Sen
sorkomponenten kurzschließt, d. h. die Leistungsspeisung des
Sensors kurzfristig unterbricht. Zur Testung werden die
beiden Sensor-Ausgangsleitungen durch ein vorgegebenes
Kontrollsignal beaufschlagt, das dem Auswertgerät zugeführt
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Füllstand-Meß
system und ein Verfahren zur Testsignalübertragung in einem
solchen Füllstand-Meßsystem zu schaffen, mit dem sich eine
zuverlässige Messung sicherstellen und insbesondere ein
Testzyklus in unproblematischer, aussagekräftiger Weise
durchführen läßt.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 und für das Füllstand-Meßsystem durch die
Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
weiteren Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht also im wesentlichen
darauf, daß von der Meßeinrichtung oder vom Auswertgerät in
regelmäßigen Abständen ein Testbefehl zur Einleitung eines
Testzyklus für die Überprüfung der korrekten Funktionsweise
des Füllstand-Meßsystems erzeugt wird, wobei noch folgende
Merkmale erfüllt werden:
- - unterbrechungslose Stromspeisung der Meßeinrichtung durch das Auswertgerät über die Leitung während des Testzyklus,
- - Einleitung des Testzyklus durch eine von der Meßeinrich tung oder Auswertgerät für eine vorgegebene Zeitspanne erzwungene Strompegelbegrenzung auf eine außerhalb des normalen Meßbereiches des Sensors liegende Stromamplitude,
- - Übertragung eines vorgegebenen und innerhalb des normalen Meßbereiches liegenden Referenzstromwertes vom Sensor zum Auswertgerät als Referenzsignal, und
- - Vergleich des Referenzsignales mit einer Sollwertgröße im Auswertgerät und Generierung einer Fehlermeldung im Falle einer vorgegebenen Abweichung zwischen Referenzsignal und Sollwertgröße.
Erfindungsgemäß regelt der Sensor den auf der Zweidrahtlei
tung fließenden Strom derart, daß seine Amplitude die durch
den Sensor erfaßte Meßgröße, insbesondere den Füllstand,
repräsentiert. Der Sensor erzwingt somit einen der Meßgröße
jeweils entsprechenden analogen Leitungsstrom, so daß das
Auswertgerät lediglich die Stromamplitude erfassen muß und
hieraus in äußerst zuverlässiger, störunanfälliger Weise den
Meßwert ermitteln kann. Diese Form der Signalübertragung ist
zuverlässiger als eine herkömmliche Meßwertkodierung in Form
von Impulsen, die an das Auswertgerät gesendet werden. Bei
letzterer Methode besteht die Gefahr der Meßwertverfälschung
durch störgrößenbedingte Impulsunterdrückung oder aber
Einblendung zusätzlicher Störimpulse. Auch gegenüber einer
Meßmethode, bei der zunächst die Stromaufnahme des Sensors
ohne Meßsignal und anschließend der Stromfluß zum Sensor bei
überlagertem Meßsignal gemessen wird (DE 28 37 377 C3),
bestehen insoweit Vorteile, als bei der erfindungsgemäßen,
sensorseitigen Leitungsstromregelung das Auswertgerät sofort
und ohne Differenzbildung oder dergleichen den Test- oder
Meßwert übernehmen und auswerten kann. Auch bleiben Störein
flüsse wie etwa Leitungswiderstandsschwankungen oder der
gleichen ohne negative Auswirkung. Die erfindungsgemäße
Leitungsstromregelung zur Meßwertübertragung ist auch unab
hängig von einer bestimmten Meß- und Referenzgliedausgestal
tung funktionsfähig und einsetzbar.
Die erfindungsgemäße Leitungsstromregelung erfolgt vorzugs
weise in schaltungstechnisch einfacher Weise durch einen
sensorseitigen Stromregler, dem ein meßwertabhängiges Signal
als Sollwert zugeführt wird.
Das den Füllstand angebende Oszillator-Resonanzfrequenzsig
nal läßt sich in bevorzugter Weise durch Frequenz-Span
nungswandlung in ein analoges Ausgangssignal umsetzen, das
unmittelbar als Sollwert des Stromreglers für die Leitungs
stromregelung dienen kann. Bei schaltungstechnisch einfachem
Aufbau läßt sich somit eine direkte Nachführung der Lei
tungsstromamplitude entsprechend der gemessenen Meßgröße
erreichen.
Vom Sensor nicht benötigter Strom kann hierbei durch eine im
Sensor vorhandene spannungsabhängige Stromsenke aufgenommen
werden, so daß sich unabhängig von der Leitungsstromamplitu
de eine konstante interne Sensorversorgungsspannung ergibt.
Eine günstige und mit geringem Aufwand realisierbare Erfas
sung des Testbefehls läßt sich durch eine Pegelüberwachungs
einrichtung bewerkstelligen, die eine durch den Testbefehl
leitungsstrom hervorgerufene Vollaussteuerung des Stromreg
lers erfaßt. Um die Testzyklusdauer zeitlich zu definieren,
ist bevorzugt eine Zeitbestimmungsstufe vorhanden, die in
sehr einfacher Weise als Monoflop ausgestaltet sein kann.
Zur Unterdrückung der Auswirkungen eventueller Störimpulse,
die eine solche Vollaussteuerung des Stromreglers bewirken
oder simulieren, ist bevorzugt ein Zeitverzögerungsglied
vorhanden, das eine Testzykluseinleitung dann freigibt, wenn
der Stromregler für eine bestimmte Zeitdauer kontinuierlich
voll ausgesteuert wurde.
Der Aufbau läßt sich noch dahingehend modifizieren, daß über
eine Konstantspannungsquelle eine Konstantspannung an den
Stromregler als Sollwert angelegt wird, während ein bestimm
ter Abschnitt des Testzyklus durchgeführt wird. Hierdurch
wird bei korrekter Funktionsweise ein definierter Leitungs
strom erzwungen, dessen Größe mit einem gespeicherten Ver
gleichsreferenzwert verglichen werden kann.
Um die bei einer Testbefehlsübertragung auftretende Stromli
mitierung auf einen bestimmten, vorzugsweise niedrigen Wert
zu erreichen, weist das Auswertgerät vorzugsweise eine
Konstantstromquelle auf, die während des Testbefehls zur
Sensorspeisung eingesetzt wird und die den Testbefehls-Strom
erzeugt.
Zur zuverlässigen Erfassung des Sensorstroms ist im Auswert
gerät vorzugsweise ein Stromfühlwiderstand vorgesehen, über
den der gesamte Sensorstrom geführt wird, so daß am Strom
fühlwiderstand ein stromproportionaler Spannungswert auf
tritt, der leicht weiterverarbeitet werden kann.
Mit vorliegender Erfindung läßt sich zudem ein Testzyklus in
unproblematischer, definierter Weise einleiten und durchfüh
ren, ohne daß der Sensor mit einer eigenen Spannungsversor
gung ausgestattet sein muß.
Die beiden eingangs genannten Maßnahmen zur Bildung des
Testbefehls (kurzzeitige Leitungsunterbrechung bzw. -kurz
schließung) haben nämlich den Nachteil, daß die Sensorelek
tronik während des Zeitraums der Erzeugung des Testbefehls
nicht mehr vom Auswertgerät gespeist wird, so daß derartige
Sensoren einen mittels Diode von der Zweidrahtleitung abge
koppelten Pufferkondensator benötigen, der die Spannungsun
terbrechung überbrückt. Die hierfür unabdingbaren Elektro
lytkondensatoren besitzen aber nur mangelhafte Lebensdauer
(insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen), erhebliche
Baugröße und sind zudem in eigensicheren Ex-Stromkreisen
problematisch (solche Kondensatoren müßten unter Verguß
inselartig angeordnet sein, wobei der Zugriff über hochohmi
ge Strombegrenzungswiderstände zu erfolgen hätte). Des
weiteren ist die elektromagnetische Störfestigkeit dieser
Übertragungsmethoden eingeschränkt, da aus Gründen der
benötigten Speicherkapazität nur relativ kurze Spannungsun
terbrechungszeiten gewählt werden können. Wenn der Initial
befehl vom Auswertgerät an den Sensor in Form einer Span
nungsabschaltung mit nur sehr schmaler Impulsbreite erfolgt,
können bereits schmale Störimpulse durch kapazitive oder
induktive Einstreuungen den Initialbefehl maskieren bzw.
imitieren. Solche schmalen Störimpulse sind in industrieller
Umgebung im Störspektrum besonders häufig vertreten. Im Fall
von zeitlich ausgedehnteren Befehlsmustern können die Stör
impulse zwar ausgemittelt werden, jedoch wird dann eine
entsprechend stärker dimensionierte Hilfsspannungsquelle im
Sensor benötigt.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der Testbefehl
demgegenüber durch Begrenzung des dem Sensor zugeführten
Stroms auf einen oberhalb dessen Eigenstromverbrauch, aber
außerhalb des normalen Meßstrombereichs liegenden Wert
gebildet werden. Somit bleibt auch bei der Einleitung des
Testzyklus ausreichende Stromspeisung des Sensors sicherge
stellt, so daß dieser keine eigene Strom- oder Spannungs
quelle (zusätzlich zur Stromspeisung durch das Auswertgerät)
benötigt. Diese vom Sensor oder vorzugsweise vom Auswertge
rät erzwungene Strompegelbegrenzung auf einen außerhalb,
vorzugsweise unterhalb des üblichen Arbeitsbereichs liegen
den Wert, kann vom System in sehr einfacher Weise erfaßt
werden, beispielsweise über einen Strompegeldetektor, und
als Folge hiervon der Testzyklus eingeleitet werden. Alter
nativ kann auch der Sensor den Strompegel periodisch auf
einen oberhalb des höchsten Meßstroms liegenden Wert anheben
und hierdurch dem Auswertgerät die Einleitung des Testzyklus
signalisieren. Diese Testbefehlgestaltung kann auch unabhän
gig von den in den übrigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen
vorgesehen sein.
In bevorzugter Weise wird nach der Zuführung des Testbefehls
vom Sensor ein innerhalb des normalen Meßbereichs liegendes
Referenzsignal vorbestimmter Größe abgegeben. Dieses Refe
renzsignal liegt über die Zweidrahtleitung auch am Auswert
gerät an und kann von diesem auf korrekte Höhe überprüft
werden. Damit Leitungswiderstände, die z. B. aufgrund vari
ierender Leitungslänge unterschiedliches Ausmaß haben kön
nen, die Signalamplitude nicht beeinflussen, wird das Refe
renzsignal als eingeprägter Strom auf der Leitung übertra
gen.
Eine noch weiterreichende Verfeinerung und Verbesserung der
Überprüfung der korrekten Funktionsfähigkeit des Systems
läßt sich dadurch erreichen, daß der Sensor nach dem Testbe
fehl ein weiteres Signal abgibt, dessen Größe, insbesondere
Stromamplitude, oberhalb der üblichen Meßbereichs-Signale
liegt. Folglich kann der Gesamtbereich der vom Sensor wäh
rend eines normalen Meßzyklus abgebbaren Signalamplituden
durch jenseits der zulässigen Grenzen liegende Testsignale
sowie ein innerhalb des Meßbereichs liegendes Testsignal
insgesamt überprüft werden.
Um eine aussagestarke, zuverlässige Funktionstestung zu
erzielen, ist in einer Weiterbildung der Erfindung zusätz
lich zu dem den Füllstand erfassenden Schwingelement ein
Referenzglied in Form eines Bandfilters vorhanden, das nach
Auftreten des Testbefehls ausgewertet wird und folglich ein
Referenzsignal abgibt. Das Schwingelement eines Vibra
tions-Füllstand-Sensors, insbesondere bei Ausbildung als
Gabelresonator oder Koaxialschwinger, stellt ein komplexes
elektromechanisches Gebilde dar, das sich nicht in einfacher
Weise durch ein einzelnes elektronisches Bauteil ersetzen
läßt. Erfindungsgemäß wurde aber erkannt, daß das Schwing
element durch einen Resonator in Form eines Bandfilters in
seinen Eigenschaften für Testzwecke äußerst zuverlässig
nachgebildet werden kann. Das Bandfilter zeichnet sich zudem
durch äußerst geringe Baugröße und hohe Zuverlässigkeit aus.
Das Bandfilter kann aktiv elektronischer, mechanischer oder
passiv elektrischer Art sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Band
filter so ausgelegt, daß es in seiner Güte und Phasenver
schiebung einem in bestimmter Weise mit Füllgut bedeckten
Gabelresonator entspricht. Dies hat zur Folge, daß das
Bandfilter bei Erregung durch den Oszillator nicht nur auf
der Frequenz eines füllgutbedeckten Sensors schwingt, son
dern auch bei Fehlern im Oszillator oder den ihn speisenden
Komponenten gleichartige fehlerhafte Frequenzverschiebungen
bzw. Schwingungsausfälle erzeugt, wie es auch beim nachzu
bildenden Gabelresonator selbst der Fall wäre. Der auf diese
Weise gewonnene Referenzwert durchläuft in gleicher Weise
wie das Meßsignal alle nachfolgenden signalverarbeitenden
Stufen und beinhaltet damit auch deren Nullpunkt und Steil
heitsfehler. Durch Vergleich dieses Referenzwerts mit einem
beim Initialisierungsabgleich im Auswertgerät abgespeicher
ten Vergleichsreferenzwert können alle wesentlichen bei der
Schwingungssignalerzeugung, -erfassung, -auswertung und
-umsetzung beteiligten Komponenten auf Fehlerfreiheit über
prüft werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrie
ben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht einer ein
Ausführungsbeispiel des Füllstand-Sensors
enthaltenden Anordnung zur Funktionsüberwachung
und -auswertung bei Füllstandsdetektoren,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des Füllstandsensors,
Fig. 3 ein Blockschaltbild des Auswertgeräts, das mit
dem in Fig. 2 dargestellten Sensor verbunden
ist, und
Fig. 4 ein Impulsdiagramm, das den zeitlichen und
amplitudenmäßigen Verlauf der auf der Zwei
drahtleitung zwischen Sensor und Auswertgerät
fließenden Ströme zeigt.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfin
dungsgemäßen Füllstand-Meßeinrichtung gezeigt, die ein
Auswertgerät 1 umfaßt, das über eine Zweidrahtleitung 2 mit
einem Sensor 3 verbunden ist. Der Sensor 3 dient zur Füll
standmessung und
empfängt einen Eingangsparameter P, der den Füllstand z. B.
in Form der Füllgutdichte darstellt. Der Sensor 3 ist als
Schwingelement, und zwar hier speziell als Gabelresonator
ausgebildet.
Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung
ist wie folgt
Die Meßwerte werden vom Sensor 3 zum Auswertgerät 1 in Form eines Zweileitersignals übertragen. Hierbei wird die Ein leitung eines Meßzyklus durch das Auswertgerät 1 gesteuert und dadurch realisiert, daß der Stromfluß auf der Leitung 2 zwischen dem Sensor 3 und dem Auswertgerät 1 kurzzeitig auf einen Wert von 4 mA, der unterhalb des im normalen Meßbe reich auftretenden Stroms liegt, begrenzt wird. Diese Stromabsenkung wird von der Elektronik im Sensor 3 erkannt und löst eine Folge interner Prüfungen aus, die so ausgelegt sind, daß alle auftretenden Fehler im Sensor, und zwar sowohl mechanische als auch elektrische Fehler, erkannt wer den können. Dies wird im folgenden noch näher unter Bezug nahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Das Stromsignal auf der Leitung 2 hat dabei den in Fig. 4 dargestellten Ver lauf.
Die Meßwerte werden vom Sensor 3 zum Auswertgerät 1 in Form eines Zweileitersignals übertragen. Hierbei wird die Ein leitung eines Meßzyklus durch das Auswertgerät 1 gesteuert und dadurch realisiert, daß der Stromfluß auf der Leitung 2 zwischen dem Sensor 3 und dem Auswertgerät 1 kurzzeitig auf einen Wert von 4 mA, der unterhalb des im normalen Meßbe reich auftretenden Stroms liegt, begrenzt wird. Diese Stromabsenkung wird von der Elektronik im Sensor 3 erkannt und löst eine Folge interner Prüfungen aus, die so ausgelegt sind, daß alle auftretenden Fehler im Sensor, und zwar sowohl mechanische als auch elektrische Fehler, erkannt wer den können. Dies wird im folgenden noch näher unter Bezug nahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Das Stromsignal auf der Leitung 2 hat dabei den in Fig. 4 dargestellten Ver lauf.
In der Phase I wird der Strom kurzzeitig für 50 ms auf einen
Wert von 4 mA begrenzt, wodurch der Meßzyklus gestartet
wird. In der Phase II wird für die Dauer von ca. 200 ms ein
Referenzstromwert übertragen, dessen Größe innerhalb des
auch bei einer normalen Messung möglichen Strombereiches von
5 bis 20 mA liegt, und z. B. 15 mA beträgt. Anschließend wird
in der Phase III für eine Dauer von ca. 100 ms ein Synchroni
sationsimpuls übertragen, dessen Größe oberhalb der bei ei
ner normalen Messung auftretenden Stromamplituden liegt und
beispielsweise 25 mA beträgt. In der anschließenden Phase IV
wird dann der aktuelle Meßwert übertragen. Die Gesamtdauer
der Phasen I bis IV beträgt z. B. 1 s, kann aber auch kürzer
oder länger gewählt werden.
Bei Auftreten von Fehlern verändert sich dieser Signalver
lauf hinsichtlich der Amplituden- und Zeitwerte. Durch einen
Vergleich mit abgespeicherten Kennwerten im Auswertgerät 3
wird diese Veränderung festgestellt und ggf. Sicherheitsmaß
nahmen eingeleitet.
Die Testfunktion wird kontinuierlich wiederholt, wobei die
Wiederholfrequenz dem Reziprokwert der Gesamtdauer der Pha
sen I bis IV entspricht (Dauerüberwachung). Die Gesamtdauer
eines solchen Zyklus der Phasen I bis IV kann, wie in Fig. 4
angegeben, eine Sekunde betragen, jedoch auch andere Werte
annehmen.
In den Fig. 2 und 3 ist das komplette Meßsystem in größeren
schaltungstechnischen Einzelheiten dargestellt. Der Sensor 3
ist dabei in Fig. 2 gezeigt, während das Auswertgerät 1 in
Fig. 3 dargestellt ist. Der Sensor 3 wird vom Auswertgerät 1
über die gestrichelt angedeutete Zweidrahtleitung mit Strom
gespeist, die sensorseitig mit Anschlüssen 12 und 14 und
auswertgerätseitig mit Anschlüssen 26 und 27 verbunden ist.
Der Sensor weist einen Gabelresonator (Schwinggabel) 22 auf,
der im normalen Meßbetrieb über einen Oszillator 17 rück
gekoppelt ist und auf seiner mechanischen Resonanzfrequenz
schwingt. Diese verringert sich mit zunehmender Bedeckung
der Schwinggabel mit Füllgut, da sich die schwingungsfähige
Masse aufgrund der mitbewegten Flüssigkeitsanteile erhöht.
Damit stellt die Frequenz des Oszillator-Ausgangssignals,
die über eine Leitung 23 als Erregerspannung an den Gabel
resonator 22 angelegt wird, ein direktes Maß für den zu be
stimmenden Füllstand dar und wird an einen Impulsformer 18
angelegt, der die analoge Ausgangsspannung in ein amplitu
denstabiles, steilflankiges Rechtecksignal umwandelt. Dieses
Rechtecksignal wird dem Eingang eines Frequenz-Spannungswan
dlers 19 zugeführt und durch diesen in eine Analogspannung
umgewandelt, die proportional zur Periodendauer des Oszilla
tor-Ausgangssignals ist. Das Ausgangssignal des Frequenz
spannungswandlers 19 wird über einen Schalter 25 an den
Sollwert-Eingang eines Stromreglers 10 angelegt und bildet
somit dessen Sollwert-Eingangsgröße. Der Istwert-Eingang des
Stromreglers 10 ist mit dem Anschluß 14 und zugleich mit ei
nem Anschluß eines Stromfühlwiderstands 13 verbunden, dessen
anderer Anschluß auf Masse liegt. Da der Sensor keine unab
hängige Eigenstromversorgung besitzt, flieht der gesamte,
vom Sensor über den Anschluß 12 aufgenommene Strom über den
Stromfühlwiderstand 13 zum Anschluß 14 und über diesen wei
ter zum Auswertgerät 1 zurück, so daß die am Verbindungs
punkt zwischen dem Stromfühlwiderstand 13 an dem Anschluß 14
auftretende Spannung direkt proportional zum gesamten, vom
Sensor auf genommenen Strom ist.
Der Stromregler 10 steuert über seinen Ausgang eine mit dem
Anschluß 12 verbundene steuerbare Stromquelle 11 des Sensors
derart, daß die am Stromfühlwiderstand 13 gemessene Gesamt
stromaufnahme des Sensors 3 der Ausgangsspannung des Fre
quenz-Spannungswandlers 19 proportional ist. Die steuerbare
Stromquelle 11 liegt in Reihe mit einer Spannungs-Stabi
lisierungsstufe 6, die eine spannungsabhängige Stromsenke
darstellt und mit ihrem anderen Anschluß mit Sensor-Massepo
tential verbunden ist. Die Stabilisierungsstufe 6 regelt die
an parallel zu ihr liegenden Anschlüssen 4, 5 auftretende,
als interne Betriebsspannung dienende Spannung auf einen
konstanten Wert und leitet den übrigen, von der Sensorschal
tung nicht benötigten Strom der Stromquelle 11 gegen Masse
ab. Damit ergibt sich zwischen den Klemmen 12 und 14 des
Sensors 3 ein Stromfluß, der proportional zur Schwingperio
dendauer ist.
Die Stromspeisung des Sensors 3 erfolgt seitens des Auswert
geräts 1 aus einer Spannungsquelle 30, die über einen wäh
rend des normalen Meßbetriebs geschlossenen Schalter 29 di
rekt mit dem Anschluß 26 verbunden ist und somit eine kon
stante Spannung an diesen anlegt. Der über den Anschluß 14
zurückfließende Sensorstrom flieht über einen Strom
fühlwiderstand 31 des Auswertgeräts 1 zur Spannungsquelle 30
zurück, wobei die am Verbindungspunkt zwischen dem Anschluß
27 und dem Stromfühlwiderstand 31 auftretende Spannung di
rekt proportional zum Sensorstrom ist. Die am Stromfühlwi
derstand 31 auftretende Spannung wird durch einen Ana
log/Digital-Wandler 32 digitalisiert und in digitaler Form
an ein Prozessorsystem 33 angelegt, das Mikroprozessoren und
die weiteren zugehörigen Komponenten enthält. Das Prozessor
system 33 verarbeitet den zugeführten digitalisierten Span
nungswert weiter und erzeugt aufgrund seiner internen
Schalttriggercharakteristik aus dem Meßwert ein binäres
Füllstandsignal, das über ein Relais 35 an einem Ausgang 36
ausgegeben wird. Das Prozessorsystem 33 steuert weiterhin
den Schaltzustand des Schalters 29 sowie eine Anzeige- und
Bedienelemente enthaltende Einheit 34 und erfaßt auch Betä
tigungen dieser Elemente. Weiterhin steuert das Prozessorsy
stem über ein Relais 37 einen Ausgang 38 für die Abgabe ei
ner Störmeldung.
Zum Test des Sensors auf dessen korrekte Funktion wird er
findungsgemäß auf dessen elektrischen Eingang eine Re
ferenzgröße geschaltet, die in ihrer Auswirkung den gesamten
nachfolgenden signalverarbeitenden Aufbau in eindeutiger
Weise beeinflußt und daher eine Information über die Fehler
freiheit der füllstanddetektionsrelevanten Sensorkomponenten
liefert, wie im folgenden noch näher erläutert wird. Hierbei
ist zugleich sichergestellt, daß die übrigen, nicht an der
Referenzmessung beteiligten, insbesondere die mechanischen
Sensorkomponenten so aufgebaut sind, daß sie entweder von
vornherein als ausfallsicher angesehen werden können oder
ein Fehlverhalten derselben in anderer Weise detektiert
wird. Der Testzyklus wird vom Auswertgerät 1 periodisch
durch Zuführung eines Testbefehls zum Sensor 3 (über die
Zweidrahtleitung 2) ausgelöst. Hierbei arbeitet das erfin
dungsgemäßes System mit einer stromkodierten Übertragung des
Testzyklusbefehls, indem als Testbefehl ein Stromwert an den
Sensor 3 abgegeben wird, dessen Amplitude oberhalb des maxi
malen Eigenstrombedarfs des Sensors, aber unterhalb des
niedrigsten Meßstroms bei normaler Messung liegt. Hierdurch
ist die permanente Speisung des Sensors auch bei Zuführung
des Testbefehls gewährleistet.
Alternativ kann der Testbefehl auch durch einen im Sensor
eingebauten Stromgenerator erzeugt werden, der zur Ein
leitung der Test-, Referenz- und Meßphase der Zwei
drahtleitung 2 einen periodisch wiederholten Strom von mehr
als 20 mA aufprägt.
Zur Übertragung des Testbefehls öffnet das Prozessorsystem
33 den Schalter 29, so daß die direkte Verbindung der Span
nungsquelle 30 mit dem Anschluß 26 aufgehoben ist. Die
Stromspeisung des Sensor erfolgt somit nunmehr über eine
zwischen den Anschluß 26 und die Spannungsquelle 30 geschal
tete Konstantstromquelle 28, welche den Sensor mit einem
Stromwert speist, der oberhalb des maximalen Sensor-Eigen
stromverbrauchs, jedoch unterhalb des tiefsten zu übertra
genden Meßwertstroms liegt. Diese Strombegrenzung hat zur
Folge, daß der Sensor nicht mehr imstande ist, auf der Zwei
drahtleitung 2 mit Hilfe der steuerbaren Stromquelle 11 und
der Stabilisierungsstufe 6 einen Stromwert aufzubringen, der
dem vom Frequenz-Spannungswandler 19 gelieferten Span
nungswert proportional ist. Da der Stromregler 10 aber
gleichwohl versucht, diese Proportionalität aufrecht zu er
halten, gelangt sein Ausgangssignal in die Begrenzung, da er
versucht, die steuerbare Stromquelle 11 voll auszusteuern.
Dieser im normalen Reglerbetrieb nie vorkommende Regler-Aus
gangsspannungswert wird von einer mit dem Stromreglerausgang
verbundenen Pegelüberwachungsstufe 9 erfaßt, die bei Auftre
ten solcher Begrenzungs-Reglerausgangsspannungen ein positi
ves Ausgangssignal an eine Zeitverzögerungsstufe 8 abgibt.
Die Zeitverzögerungsstufe 6 dient zur Ausfilterung EMV-be
dingter Störimpulse und gibt erst nach Ablauf einer Mindest
zeit des kontinuierlichen Auftretens des positiven Ausgangs
signals der Pegelüberwachungsstufe 9 einen Triggerimpuls an
ein nachgeschaltetes Monoflop 7 ab. Das Monoflop 7 aktiviert
während seiner Monoschwingung vorbestimmter Dauer die Refe
renzmessung. Das Ausgangssignal des Monoflops 7 wird über
eine Leitung 15 an einen Schalter 20 angelegt, der nor
malerweise, d. h. bei ungetriggertem Monoflop 7, den Oszilla
tor 17 mit der Schwinggabel 22 verbindet, so daß diese Kom
ponenten im Resonanzkreis liegen.
Bei aktiviertem Monoflop 7 wird der Schalter 20 jedoch zu
einem parallel zur Schwinggabel 22 liegenden Bandfilter 21
umgeschaltet, so daß dieses nun über die Leitung 23 im Reso
nanzkreis mit dem Oszillator 17 liegt. Das Bandfilter 21 ist
als aktives elektronisches Bandfilter ausgestaltet, kann
aber auch mechanischer oder passiv elektrischer Art sein.
Das Bandfilter 21 ist so ausgelegt, daß es in seiner Güte
und Phasenverschiebung einem in bestimmter Weise mit Füllgut
bedeckten Gabelresonator 22 entspricht. Das Ausgangssignal
des Oszillators 17 hat somit bei Verbindung mit dem Bandfil
ter 21 im Normalfall eine definierte Frequenz, die der eines
in bestimmter Weise mit Füllgut bedeckten Sensors ent
spricht.
Bei Fehlern im Oszillator 17 oder der ihn speisenden Kompo
nenten treten daher gleichartige fehlerhafte Frequenzver
schiebungen oder Schwingungsausfälle auf. Der bei Verbindung
des Oszillators 17 mit dem Bandfilter 21 gewonnene Referenz
wert durchläuft in gleicher Weise wie ansonsten das Meßsig
nal die nachfolgenden signalverarbeitenden Stufen 18, 19,
25, 10, 11 und 13 (Fig. 2) sowie 29 bis 32 (Fig. 3) und be
inhaltet damit zusätzlich auch deren Nullpunkt- und Steil
heitsfehler, so daß alle diese Komponenten überprüfbar sind.
Während der Verbindung des Bandfilters 21 mit dem Oszillator
17 ist der lediglich während der Übertragung des Testbefehls
(Phase I in Fig. 6) geöffnete Schalter 29 wieder geschlos
sen, so daß die Stromregelung wieder aktiviert ist.
Das Prozessorsystem 33 vergleicht den in der Phase II des
Testzyklus, d. h. den während der Verbindung des Bandfilters
21 mit dem Oszillator 17 auftretenden Referenzwert mit einem
beim Initialisierungsabgleich des Meßsystems abgespeicherten
Vergleichsreferenzwert. Bei korrekter Schaltungsfunktion
stimmen diese Werte überein, so daß keine Fehlermeldung ab
gegeben wird. Bei Abweichungen des Referenzwerts vom Ver
gleichsreferenzwert aktiviert demgegenüber das Prozessor
system 33 über das Relais 37 den Ausgang 38, so daß eine
Störmeldung abgegeben wird, zugleich wird der Füllstand-Aus
gang 36 stromlos geschaltet.
Nach Ablauf der Schwingungsdauer des Monoflops 7, die der
Dauer der Phase II (Fig. 6) entspricht und eine Zeitdauer
von 200 ms haben kann, schaltet dieses aufgrund seines Aus
gangssignalpegelwechsels den Schalter 20 wieder in die vor
herige Stellung zurück, so daß nun erneut der Oszillator 17
mit dem Gabelresonator 22 verbunden ist. Durch das Zurück
kippen des Monoflops 7 wird auch ein weiteres, mit der Lei
tung 15 verbundenes und den Schaltzustand des Schalters 25
steuerndes abfallgetriggertes Monoflop 16 getriggert, so daß
dieses für eine der Phase III (Fig. 6) entsprechende Zeit
dauer ein Ausgangssignal positiven Pegels abgibt, das den
Schalter 25 so umschaltet, daß der Sollwert-Eingang des
Stromreglers 10 nun mit einer Stufe 24 verbunden wird. Die
Stufe 24 erzeugt eine konstante Spannung, die als Synchroni
sationsimpuls dient und in ihrem Wert höher ist als der
höchste Meßwert. Dieser während der Phase III angelegte Syn
chronisationsimpuls dient dem Auswertgerät 1 zur Unterschei
dung zwischen dem Referenzwert während der Phase II und dem
Meßwert (Phase IV) und bewirkt zudem eine Überprüfung der
Stromtragfähigkeit der Zweidrahtleitung 2 sowie der Aus
steuerbarkeit der verschiedenen zwischengeschalteten Stufen.
Mit dem Zurückkippen des Monoflops 16 ist die Phase III und
damit der Testzyklus beendet und es wird in der nachfolgen
den Phase IV der Meßwert übertragen.
Durch diese Überprüfung lassen sich durch defekte Bauteile
hervorgerufene unzulässige Abweichungen von den korrekten
Werten erfassen und entsprechende Störmeldungen abgeben.
Weiterhin gibt das Prozessorsystem 33 auch dann eine Stör
meldung ab, wenn der Meßwert über eine obere Toleranzgrenze
ansteigt oder aber aufgrund von Korrosionserscheinungen oder
eines Bruchs des Gabelresonators unter den Wert beim Initia
lisierungsabgleich sinkt.
Claims (18)
1. Verfahren zur Testsignalübertragung in Füllstand-Meßsy
stemen mit einer einen Sensor (22) enthaltenden Meßein
richtung (3), die über eine Leitung (2) mit einem Aus
wertgerät (1) verbunden ist, bei welchem von der Meßein
richtung (3) oder vom Auswertgerät (1) in regelmäßigen
Abständen ein Testbefehl zur Einleitung eines Testzyklus
für die Überprüfung der korrekten Funktionsweise des
Füllstand-Meßsystems erzeugt wird, gekennzeichnet durch
die Merkmale:
- - unterbrechungslose Stromspeisung der Meßeinrichtung (3) durch das Auswertgerät (1) über die Leitung (2) während des Testzyklus,
- - Einleitung des Testzyklus durch eine von der Meßein richtung (3) oder Auswertgerät (1) für eine vorgegebe ne Zeitspanne erzwungene Strompegelbegrenzung auf eine außerhalb des normalen Meßbereiches des Sensors (22) liegende Stromamplitude,
- - Übertragung eines vorgegebenen und innerhalb des normalen Meßbereiches liegenden Referenzstromwertes vom Sensor (22) zum Auswertgerät (1) als Referenzsi gnal, und
- - Vergleich des Referenzsignales mit einer Sollwertgröße im Auswertgerät (1) und Generierung einer Fehlermel dung im Falle einer vorgegebenen Abweichung zwischen Referenzsignal und Sollwertgröße.
2. Füllstand-Meßeinrichtung, die einen Sensor (22) zur
Füllstanderfassung aufweist und über eine Leitung (2)
mit einem entfernt angeordneten Auswertgerät (1), das
die Meßeinrichtung (3) über die Leitung (2) mit Leistung
versorgt, verbunden ist, wobei von der Meßeinrichtung
(3) oder dem Auswertgerät (1) in regelmäßigen Abständen
ein Testbefehl zur Einleitung eines Testzyklus für die
Überprüfung der korrekten Funktionsweise der Meßeinrich
tung (3) generierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßeinrichtung (3) während des Testzyklus unterbre
chungslos über die Leitung (2) mit Strom versorgbar ist,
daß eine Einrichtung zum Einleiten des Testzyklus vorge
sehen ist, durch welche für eine vorgegebene Zeitspanne
eine von der Meßeinrichtung (3) oder Auswertgerät (1)
erzwungene Strompegelbegrenzung auf eine außerhalb des
normalen Meßbereiches des Sensors (22) liegende Strom
amplitude erfolgt, daß durch die Meßeinrichtung (3) nach
dem Einleiten des Testzyklus ein vorgegebener und inner
halb des normalen Meßbereiches des Sensors (22) liegen
der Referenzstromwert vom Sensor (22) zum Auswertgerät
(3) als Referenzsignal übertragbar ist, und daß im
Auswertgerät (1) eine Einrichtung vorgesehen ist, die
das Referenzsignal mit einer Sollwertgröße vergleicht
und im Falle einer vorgegebenen Abweichung eine Fehler
meldung erzeugt.
3. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) ein Grenzschal
ter ist.
4. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) den auf der
Zweidrahtleitung (2) fließenden Strom derart regelt, daß
seine Amplitude den durch die Meßeinrichtung erfaßten
Füllstand repräsentiert.
5. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3)
einen Stromregler (10) umfaßt, an den ein Wert, der den
auf der Leitung (2) fließenden Strom repräsentiert, als
Istwert und ein den gemessenen Füllstand repräsentieren
der Wert als Sollwert angelegt sind und der den auf der
Zweidrahtleitung fließenden Strom regelt.
6. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß eine den in der Leitung
(2) fließenden Strom steuernde, durch den Stromregler
(10) gesteuerte Stromquelle (11) vorhanden ist, die mit
einer Stromsenke (6) zusammenwirkt, die den von der
Meßeinrichtung (3) nicht benötigten Strom aufnimmt.
7. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromregler (10) eine
Pegelüberwachungseinrichtung (9) nachgeschaltet ist, die
bei einer durch den während des Testbefehls fließenden
begrenzten Strom hervorgerufenen Vollaussteuerung des
Stromreglers (10) anspricht und eine vorzugsweise als
Monoflop ausgebildete Zeitbestimmungsstufe (7) akti
viert.
8. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen die Pegelüberwachungseinrich
tung (9) und die Zeitbestimmungsstufe (7) ein Zeitverzö
gerungsglied (8) geschaltet ist, das die Aktivierung der
Zeitbestimmungsstufe (7) nur nach einer vorbestimmten
Zeitdauer der kontinuierlichen Vollaussteuerung des
Stromreglers (10) freigibt.
9. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantspannungs
quelle (24) vorgesehen ist, über die während eines
Zeitabschnitts des Testzyklus eine konstante Spannung an
den Stromregler (10) als Sollwert anlegbar ist.
10. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Auswertgerät eine Konstantstromquelle (28) aufweist, die
die Meßeinrichtung (3) während des Testbefehls speist.
11. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Stromfühlwiderstand (13, 31) vorhanden ist, über den der
gesamte durch die Meßeinrichtung fließende Strom fließt.
12. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Testbefehl durch Festlegung des auf der Leitung (2)
fließenden Stroms auf einen Wert gebildet ist, der
oberhalb des Eigenstromverbrauchs der Meßeinrichtung (3)
und außerhalb des Bereichs der bei Durchführung einer
normalen Füllstandmessung auftretenden Meßströme liegt.
13. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem
Testbefehl von der Meßeinrichtung (3) ein Signal mit
vorbestimmter Größe, insbesondere vorbestimmter Stromam
plitude, abgegeben wird, dessen Größe innerhalb des bei
einer normalen Messung zulässigerweise auftretenden
Amplitudenbereichs liegt.
14. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßeinrichtung (3) nach dem Testbefehl ein Signal ab
gibt, dessen Größe, insbesondere Stromamplitude, ober
halb des bei einer normalen Messung zulässigerweise
auftretenden Meßbereichs liegt.
15. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als
Sensor (22) ein kapazitiver Sensor vorgesehen ist.
16. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als
Sensor (22) ein Schwinggabelresonator vorgesehen ist,
welcher durch einen Oszillator (17) mit seiner mechani
schen, füllstandabhängigen Resonanzfrequenz ansteuerbar
ist, und daß als Referenzglied (21) für den Testzyklus
ein Bandfilter vorgesehen ist, das während des Testzy
klus anstelle des Sensors (22) an den Oszillatorausgang
schaltbar ist.
17. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszillator (17) ein
Frequenz-Spannungswandler (19) nachgeschaltet ist, der
das Oszillator-Ausgangssignal in ein der Oszillatorfre
quenz entsprechendes analoges Ausgangssignal umsetzt.
18. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das analoge Ausgangssignal des
Frequenz-Spannungswandlers (19) dem den Strom auf der
Zweidrahtleitung regelnden Stromregler (10) als Sollwert
zugeführt wird.
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