DE4244761C2 - Füllstand-Grenzschalter - Google Patents

Füllstand-Grenzschalter

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Description

Die Erfindung betrifft einen Füllstand-Grenzschalter.
Eine derartige Anordnung ist in bezug auf die Testbefehlübertra­ gung 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 angeordneten 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 ge­ sendet wird. Zur Auslösung eines Testzyklus wird die Stromver­ sorgung des Sensors durch Öffnen eines im Auswertgerät vorhande­ nen, in die Zweidrahtleitung eingeschalteten Schalters unterbro­ chen. Der daraufhin eingeleitete Testzyklus bewirkt die sensor­ interne Generierung einer Frequenz, die höher als die durch die Sensorkapazität bestimmte Meßfrequenz ist. Diese Frequenzen werden vom Auswertgerät erfaßt und auf Korrektheit überprüft.
Weiterhin ist aus der EP 0 433 995 A2 ein Testsystem bekannt, bei dem empfängerseitig ein Testsignalgenerator zur Einleitung eines Funktionstests vorhanden ist. Der Testsignalgenerator ist durch einen Schalter gebildet, der die beiden Versorgungsleitun­ gen zwischen Auswertgerät und Sensorkomponenten 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.
Des weiteren ist aus DE-AS 17 73 815 ein Füllstand-Grenzschalter mit einem mechanischen Resonator bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstand- Grenzschalter anzugeben, mit dem sich eine zuverlässige Messung sicherstellen und insbesondere ein Testzyklus in unproblemati­ scher, aussagekräftiger Weise durchführen läßt.
Diese Aufgabe wird durch einen Füllstand-Grenzschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Grenzschalter arbeitet so, daß von der Meßeinrichtung oder vom Auswertgerät in regelmäßigen Abständen ein Testbefehl zur Einleitung eines Testzyklus für die Überprü­ fung der korrekten Funktionsweise des Füllstand-Meßsystems er­ zeugt 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 Meßeinrichtung oder Auswertgerät für eine vorgegebene Zeitspanne erzwunge­ ne Strompegelbegrenzung auf eine außerhalb des normalen Meßbereiches des Sensors liegende Stromamplitude,
  • - Übertragung eines vorgegebenen und innnerhalb 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.
Der Sensor regelt den auf der Zweidrahtleitung fließenden Strom derart, daß seine Amplitude die durch den Sensor erfaßte Meßgrö­ ße, insbesondere den Füllstand, repräsentiert. Der Sensor er­ zwingt somit einen der Meßgröße jeweils entsprechenden analogen Leitungsstrom, so daß das Auswertgerät lediglich die Stromampli­ tude erfassen muß und hieraus in äußerst zuverlässiger, stör­ unanfälliger Weise den Meßwert ermitteln kann. Diese Form der Signalübertragung ist zuverlässiger als eine herkömmliche Meß­ wertkodierung in Form von Impulsen, die an das Auswertgerät ge­ sendet werden, Bei letzterer Methode besteht die Gefahr der Meß­ wertverfälschung 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 sensorseitigen Leitungsstromrege­ lung das Auswertgerät sofort und ohne Differenzbildung oder der­ gleichen den Test- oder Meßwert übernehmen und auswerten kann. Auch bleiben Störeinflüsse wie etwa Leitungswiderstandsschwan­ kungen oder dergleichen ohne negative Auswirkung. Die vorliegen­ de Leitungsstromregelung zur Meßwertübertragung ist auch unab­ hängig von einer bestimmten Meß- und Referenzgliedausgestaltung funktionsfähig und einsetzbar.
Die Leitungsstromregelung erfolgt vorzugsweise in schaltungs­ technisch einfacher Weise durch einen sensorseitigen Stromreg­ ler, dem ein meßwertabhängiges Signal als Sollwert zugeführt wird.
Das den Füllstand angebende Oszillator-Resonanzfrequenzsignal läßt sich in bevorzugter Weise durch Frequenz-Spannungswandlung in ein analoges Ausgangssignal umsetzen, das unmittelbar als Sollwert des Stromreglers für die Leitungsstromregelung dienen kann. Bei schaltungstechnisch einfachem Aufbau läßt sich somit eine direkte Nachführung der Leitungsstromamplitude entsprechend der gemessenen Meßgröße erreichen.
Vom Sensor nicht benötigter Strom kann hierbei durch eine im Sensor vorhandene spannungsabhängige Stromsenke aufgenommen wer­ den, so daß sich unabhängig von der Leitungsstromamplitude eine konstante interne Sensorversorgungsspannung ergibt.
Eine günstige und mit geringem Aufwand realisierbare Erfassung des Testbefehls läßt sich durch eine Pegelüberwachungseinrich­ tung bewerkstelligen, die eine durch den Testbefehlleitungsstrom hervorgerufene Vollaussteuerung des Stromreglers erfaßt. Um die Testzyklusdauer zeitlich zu definieren, ist bevorzugt eine Zeit­ bestimmungsstufe 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 si­ mulieren, 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 ei­ ne Konstantspannungsquelle eine Konstantspannung an den Strom­ regler als Sollwert angelegt wird, während ein bestimmter Ab­ schnitt des Testzyklus durchgeführt wird. Hierdurch wird bei korrekter Funktionsweise ein definierter Leitungsstrom erzwun­ gen, dessen Größe mit einem gespeicherten Vergleichsreferenzwert verglichen werden kann.
Um die bei einer Testbefehlsübertragung auftretende Stromlimi­ tierung auf einen bestimmten, vorzugsweise niedrigen Wert zu er­ reichen, weist das Auswertgerät vorzugsweise eine Konstantstrom­ quelle auf, die während des Testbefehls zur Sensorspeisung ein­ gesetzt wird und die den Testbefehls-Strom erzeugt.
Zur zuverlässigen Erfassung des Sensorstroms ist im Auswertgerät vorzugsweise ein Stromfühlwiderstand vorgesehen, über den der gesamte Sensorstrom geführt wird, so daß am Stromfühlwiderstand ein stromproportionaler Spannungswert auftritt, der leicht wei­ terverarbeitet werden kann.
Mit dem vorgeschlagenen Füllstand-Grenzschalter läßt sich zudem ein Testzyklus in unproblematischer, definierter Weise einleiten und durchführen, ohne daß der Sensor mit einer eigenen Span­ nungsversorgung ausgestattet sein muß.
Die beiden eingangs genannten Maßnahmen zur Bildung des Testbefehls (kurzzeitige Leitungsunterbrechung bzw. - kurzschließung) 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 abgekoppelten Puf­ ferkondensator benötigen, der die Spannungsunterbrechung über­ brückt. Die hierfür unabdingbaren Elektrolytkondensatoren besit­ zen aber nur mangelhafte Lebensdauer (insbesondere bei Hochtem­ peraturanwendungen), erhebliche Baugröße und sind zudem in ei­ gensicheren Ex-Stromkreisen problematisch (solche Kondensatoren müßten unter Verguß inselartig angeordnet sein, wobei der Zu­ griff über hochohmige Strombegrenzungswiderstände zu erfolgen hätte). Des weiteren ist die elektromagnetische Störfestigkeit dieser Übertragungsmethoden eingeschränkt, da aus Gründen der benötigten Speicherkapazität nur relativ kurze Spannungsunter­ brechungszeiten gewählt werden können. Wenn der Initialbefehl vom Auswertgerät an den Sensor in Form einer Spannungsabschal­ tung mit nur sehr schmaler Impulsbreite erfolgt, können bereits schmale Störimpulse durch kapazitive oder induktive Einstreuun­ gen den Initialbefehl maskieren bzw. imitieren. Solche schmalen Störimpulse sind in industrieller Umgebung im Störspektrum be­ sonders häufig vertreten. Im Fall von zeitlich ausgedehnteren Befehlsmustern können die Störimpulse zwar ausgemittelt werden, jedoch wird dann eine entsprechend stärker dimensionierte Hilfs­ spannungsquelle im Sensor benötigt.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der Testbefehl dem­ gegenüber 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 sichergestellt, so daß dieser keine eigene Strom- oder Spannungsquelle (zusätzlich zur Stromspeisung durch das Auswertgerät) benötigt. Diese vom Sensor oder vorzugs­ weise vom Auswertgerät erzwungene Strompegelbegrenzung auf einen außerhalb, vorzugsweise unterhalb des üblichen Arbeitsbereichs liegenden Wert, kann vom System in sehr einfacher Weise erfaßt werden, beispielsweise über einen Strompegeldetektor, und als Folge hiervon der Testzyklus eingeleitet werden. Alternativ kann auch der Sensor den Strompegel periodisch auf einen oberhalb des höchsten Meßstroms liegenden Wert anheben und hierdurch dem Aus­ wertgerät die Einleitung des Testzyklus signalisieren. Diese Testbefehlgestaltung kann auch unabhängig 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 Re­ ferenzsignal vorbestimmter Größe abgegeben. Dieses Referenzsi­ gnal liegt über die Zweidrahtleitung auch am Auswertgerät an und kann von diesem auf korrekte Höhe überprüft werden. Damit Leitungswiderstände, die z. B. aufgrund variierender Leitungs­ länge unterschiedliches Ausmaß haben können, die Signalamplitu­ de nicht beeinflussen, wird das Referenzsignal als eingeprägter Strom auf der Leitung übertragen.
Eine noch weiterreichende Verfeinerung und Verbesserung der Überprüfung der korrekten Funktionsfähigkeit des Systems läßt sich dadurch erreichen, daß der Sensor nach dem Testbefehl ein weiteres Signal abgibt, dessen Größe, insbesondere Stromampli­ tude, oberhalb der üblichen Meßbereichs-Signale liegt. Folglich kann der Gesamtbereich der vom Sensor während eines normalen Meßzyklus abgebbaren Signalamplituden durch jenseits der zuläs­ sigen Grenzen liegende Testsignale sowie ein innerhalb des Meß­ bereichs liegendes Testsignal insgesamt überprüft werden.
Um eine aussagestarke, zuverlässige Funktionstestung zu erzie­ len, ist zusätzlich zu dem den Füllstand erfassenden Schwinge­ lement ein Referenzglied in Form eines Bandfilters vorhanden, das nach Auftreten des Testbefehls ausgewertet wird und folg­ lich ein Referenzsignal abgibt. Das Schwingelement eines Vibra­ tions-Füllstand-Sensors, insbesondere bei Ausbildung als Gabel­ resonator oder Koaxialschwinger, stellt ein komplexes elektro­ mechanisches Gebilde dar, das sich nicht in einfacher Weise durch ein einzelnes elektronisches Bauteil ersetzen läßt. Es wurde aber erkannt, daß das Schwingelement durch einen Resona­ tor in Form eines Bandfilters in seinen Eigenschaften für Test­ zwecke äußerst zuverlässig nachgebildet werden kann. Das Band­ filter zeichnet sich zudem durch äußerst geringe Baugröße und hohe Zuverlässigkeit aus. Das Bandfilter kann aktiv elektroni­ scher, mechanischer oder passiv elektrischer Art sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Bandfilter so ausgelegt, daß es in seiner Güte und Phasenverschiebung ei­ nem 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 füllgut­ bedeckten Sensors schwingt, sondern auch bei Fehlern im Oszil­ lator oder den ihn speisenden Komponenten gleichartige fehler­ hafte Frequenzverschiebungen bzw. Schwingungsausfälle erzeugt, wie es auch beim nachzubildenden Gabelresonator selbst der Fall wäre. Der auf diese Weise gewonnene Referenzwert durchläuft in gleicher Weise wie das Meßsignal alle nachfolgenden signalver­ arbeitenden 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.
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, fließt 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 aufgenommenen 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 fließt 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 Ausgangsignal 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 (10)

1. Füllstand-Grenzschalter, der als Sensor (22) zur Füll­ standerfassung einen mechanischen Resonator aufweist und über eine als Zweidrahtleitung ausgebildete Leitung (2) mit einem entfernt angeordneten Auswertgerät (1), das den Grenzschalter (3) über die Leitung (2) mit Leistung ver­ sorgt, verbunden ist, wobei von dem Grenzschalter (3) oder dem Auswertgerät (1) in regelmäßigen Abständen ein Testbefehl zur Einleitung eines Testzyklus für die Über­ prüfung der korrekten Funktionsweise des Grenzschalters (3) generierbar ist, mit den weiteren Merkmalen, daß der Grenzschalter (3) den auf der Leitung (2) fließenden Strom derart regelt, daß seine Amplitude den durch den Sensor erfaßten Füllstand repräsentiert, daß der Grenz­ schalter (3) während des Testzyklus unterbrechungslos über die Leitung (2) mit Strom versorgbar ist, daß eine Einrichtung zum Einleiten des Testzyklus vorgesehen ist, durch welche für eine vorgegebene Zeitspanne eine von dem Grenzschalter (3) oder Auswertgerät (1) erzwungene Strom­ pegelbegrenzung auf eine außerhalb des normalen Meßberei­ ches des Sensors (22) und oberhalb des Eigenstromver­ brauchs des Grenzschalters (3) liegende Stromamplitude erfolgt, daß durch die Meßeinrichtung (3) nach dem Ein­ leiten des Testzyklus ein vorgegebener und innerhalb des normalen Meßbereiches des Sensors (22) liegender Refe­ renzstromwert vom Sensor (22) zum Auswertgerät (3) als Referenzsignal übertragbar ist und daß im Auswertgerät (1) eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Referenz­ signal mit einer Sollwertgröße vergleicht und im Falle einer vorgegebenen Abweichung eine Fehlermeldung erzeugt.
2. Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Grenzschalter (3) einen Stromregler (10) umfaßt, an den ein Wert, der den auf der Zweidraht­ leitung (2) fließenden Strom repräsentiert, als Istwert und ein den gemessenen Füllstand repräsentierender Wert als Sollwert angelegt sind und der den auf der Zweidraht­ leitung fließenden Strom regelt.
3. Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine den in der Zweidrahtleitung (2) flie­ ßenden Strom steuernde, durch den Stromregler (10) ge­ steuerte Stromquelle (11) vorhanden ist, die mit einer Stromsenke (6) zusammenwirkt, die den von dem Grenzschal­ ter (3) nicht benötigten Strom aufnimmt.
4. Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 3, 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) aktiviert.
5. Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen die Pegelüberwachungseinrichtung (9) und die Zeitbestimmungsstufe (7) ein Zeitverzöge­ rungsglied (8) geschaltet ist, das die Aktivierung der Zeitbestimmungsstufe (7) nur nach einer vorbestimmten Zeitdauer der kontinuierlichen Vollaussteuerung des Stromreglers (10) freigibt.
6. Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantspannungsquelle (24) vorgesehen ist, über die während eines Zeit­ abschnitts des Testzyklus eine konstante Spannung an den Stromregler (10) als Sollwert anlegbar ist.
7. Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertgerät eine Kon­ stantstromquelle (28) aufweist, die den Grenzschalter (3) während des Testbefehls speist.
8. Füllstand-Grenzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom­ fühlwiderstand (13, 31) vorhanden ist, über den der ge­ samte durch den Grenzschalter fließende Strom fließt.
9. Füllstand-Grenzschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszillator (17) ein Fre­ quenz-Spannungswandler (19) nachgeschaltet ist, der das Oszillator-Ausgangssignal in ein der Oszillatorfrequenz entsprechendes analoges Ausgangssignal umsetzt.
10. Füllstand-Grenzschalter nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das analoge Ausgangssignal des Frequenz- Spannungswandlers (19) dem den Strom auf der Zweidraht­ leitung regelnden Stromregler (10) als Sollwert zugeführt wird.
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