DE4244761C2 - Füllstand-Grenzschalter - Google Patents
Füllstand-GrenzschalterInfo
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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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