DE4319750C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Funktionsüberwachung von Schalteinrichtungen einer Brückenschaltung sowie deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Funktionsüberwachung von Schalteinrichtungen einer Brückenschaltung sowie deren Verwen­ dung.

Schaltausgänge dienen in der Industrie- und Anlagentechnik häufig zur Signalisierung bzw. Steuerung sicherheitsrelevanter Zustände. Die Schaltausgänge müssen daher im Falle von Fehlfunktionen in geeigneter Weise ausfallsicher ausgeführt werden, um zuverlässig eine Überschreitung eines bestimmten Gefährdungspotentials zu vermeiden. Dies bedeutet einerseits, daß in zuverlässiger Weise jeder Bauteiledefekt innerhalb des Schaltausganges detektierbar sein muß, sowie zum anderen, daß im Falle eines Ausfalles der im Schaltausgang vorgesehenen Schalteinrichtungen dieser noch dauerhaft in den sicheren Zu­ stand übergehen muß. Bei einer üblicherweise angewendeten Ru­ hestromsicherheitsschaltung entspricht dies einem hochohmigen Zustand.

Das Prinzip, ein von einem Sensor geliefertes Signal zum Akti­ vieren und Nichtaktivieren eines Schaltausganges innerhalb eines Auswertegerätes heranzuziehen, ist zum Beispiel in DE 42 32 720 C1 beschrieben.

Um den Schaltausgang ausfall­ sicher zu gestalten und im Schadensfall sicher in einen hoch­ ohmigen Zustand zu führen, wird die Anordnung einer Brücken­ schaltung mit vier zwangsgeführten Sicherheitsrelais, die in einer Brückenschaltung zueinander angeordnet sind, vorgeschla­ gen. Die Setz- und Rücksetzbarkeit dieser Sicherheitsrelais kann überprüft werden, ohne daß der durch die Sicherheits­ relais hergestellte augenblickliche Schaltzustand des Schalt­ ausganges nach außen hin beeinflußt wird. Die Sicherheits­ relais zeichnen sich dadurch aus, daß die Überwachung des korrekten Zustandes ihrer Arbeitskontakte mittels der sich gleichartig verhaltenden Kontrollkontakte erfolgen kann. Die vier Sicherheitsrelais sind dabei so verschaltet, daß sie bezüglich ihrer externen Relaisanschlüsse in zwei Paaren in Reihe geschaltet sind und parallel zum jeweils anderen Paar der Sicherheitsrelais liegen. Die beiden Paare werden zur Funktionsüberwachung so aufeinanderfolgend umgeschaltet, daß der vor Beginn des Selbsttests vorliegende Verbindungszustand auch während der Phase der Funktionsüberwachung erhalten bleibt. Nachteilig hierbei sind jedoch die hohen Kosten der Sicherheitsrelais, deren großer Platzbedarf auf der Leiter­ platte sowie deren vergleichsweise hohe Leistungsaufnahme. Darüber hinaus war es bisher nicht möglich, elektronische Halbleiterschalter als Schalteinrichtung in dieser Brücken­ schaltung einzusetzen, da die hierbei erforderliche Zwangs­ führung physikalisch nicht realisierbar ist.

Aus DE 37 37 791 C2 ist eine Schalteinrichtung für das Schal­ ten einer Last in einem Lastkreis bekannt, wobei der Überwa­ chungskreis so ausgelegt ist, daß die Schalteinrichtung für Wechselstrom und Gleichstrom geeignet ist. Der Überwachungs­ kreis, der die zu überwachenden, betätigbaren Schaltelemente sowie die Überwachungseinrichtung aufweist, ist als Brücken­ schaltung ausgelegt, in der die Überwachungseinrichtung eine Verstimmung bzw. Veränderung des Brückenabgleichs detektiert und, davon ausgehend, eine entsprechende Meldung bzw. Schal­ tung zur Einhaltung der zweifachen Fehlersicherheit veranlaßt.

In DE 39 38 742 A1 ist eine Überfüllsicherungsschaltung vor­ gesehen, die der Begrenzung eines Füllvorganges an einem Be­ hälter dient. Wesentlicher Bestandteil der Einrichtung ist ein Schaltverstärker mit einer Prüflauf-Leuchtdioden- Anzeige für einen Grenzwertgeber mit einer Sonde.

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Funktionsüberwachung von Schalteinrichtungen einer Brüc­ kenschaltung anzugeben, welche bei einfachem Aufbau mit hoher Sicherheit arbeitet.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Eine Verwendung dieses Verfahrens bzw. dieser Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 11.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Das Verfahren zur Funktionsüberwachung der Schalteinrichtungen weist folgende Verfahrensschritte auf:

• - Ein- oder Ausschalten der mindestens vier Schalteinrich­ tungen in zwei unter­ schiedlichen Schaltfolgen, je nachdem, ob der Schalt­ ausgang aktiviert oder nicht aktiviert ist in Abhän­ gigkeit von Steuersignalen einer Steuereinrichtung unter Beibehaltung des vor Beginn der Funktions­ überwachung vorliegenden Schaltzustandes des Schaltaus­ ganges,
• - Ermitteln der Querimpedanzen an Eingangsklemmen der Brückenschaltung während der Schaltfolgen, und
• - Detektieren eines Fehlers innerhalb der Steuereinrichtung und Ausschalten sämtlicher Schalteinrichtungen, falls die ermittelten Querimpedan­ zen von vorgegebenen Querimpedanzen abweichen.

Das Verfahren besteht demzufolge im wesentlichen darin, daß die Querimpedanz einer aus den zu überwachenden Kontakten des Schaltausganges bestehenden Brückenschaltung gemessen wird, während die Kontakte eine bestimmte von der Steuereinrichtung veranlaßte Schaltsequenz durchführen. Hierdurch kann eine di­ rekte Überwachung der Kontakte der Schaltstufe erfolgen, was einen Zwangsführungsmechanismus, wie er bisher notwendig war, entbehrlich macht.

Erfindungsgemäß wird die Schaltfolge zum Ansteuern der vier Schalteinrichtungen von der Steuereinrichtung in der Weise gewählt, daß der vor der Funktionsüberwachung vorliegende Verbindungszustand des Schaltausganges während der Funktions­ überwachung erhalten bleibt. Dadurch wird gewährleistet, daß die Funktion der in der Brückenschaltung vorgesehenen vier Schalteinrichtungen sowie deren Setz- und Rücksetzbarkeit überprüft werden kann, ohne daß der durch die Schaltein­ richtungen hergestellte augenblickliche Schaltzustand der An­ schlüsse des Schaltausgangs nach außen hin beeinflußt wird.

Dazu ist erforderlich, für einen aktiven und einen inaktiven Verbindungszustand des Schaltausganges (d. h. die Anschlüsse des Schaltausganges sind durchgeschaltet oder offen) von der Steuereinrichtung jeweils Steuersignale für unterschiedliche Schaltfolgen zu generieren.

Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, daß beim Detektieren eines Fehlers, also im Falle, daß die beim erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Querimpedanzen der Brückenschaltung von vorgegebenen Sollimpedanzen abweichen, Steuersignale von der Steuereinrichtung generiert werden, um die Schalteinrichtungen der Brückenschaltung jeweils abzu­ schalten. Hierdurch wird erreicht, daß die Schaltstufe dauer­ haft in den sicheren Betriebszustand übergeht, d. h. ausge­ schaltet wird.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß zur Bestimmung der Querimpedanz der Brückenschaltung dieser über eine Potentialtrennstufe ein Wech­ selsignal zugeführt wird und daß an einer Impedanzmeßeinrich­ tung festgestellt wird, ob ihr Ausgang offen oder kurzge­ schlossen ist. Abhängig hiervon wird der Steuereinrichtung dann ein Signal als Maß für die Querimpedanz der Brückenschaltung zugeführt. Hierfür ist eine die Potentialtrennstufe enthaltende Einrichtung zum Erzeugen eines an die Eingangsklemmen der Brückenschaltung anzulegenden Testsignales sowie zum Erfassen der Querimpedanz der Brückenschaltung vorgesehen, wobei diese Einrichtung sowohl mit der Steuereinrichtung als auch mit den Eingangsklemmen der Brückenschaltung verbunden ist.

Vorzugsweise ist diese Einrichtung eine induktive Übertra­ gereinrichtung, beispielsweise ein Transformator, der ein­ gangsseitig mit einer Oszillatoreinrichtung in Verbindung steht und ausgangsseitig an die Eingangsklemmen der Brückenschaltung angeschlossen ist. Die Oszillatoreinrichtung ist mit der Steuereinrichtung verbunden.

Eine derartige Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hat den Vorteil, daß das Wechselsignal (z. B. in der Größen­ ordnung von 20 KHz) potentialfrei über den Transformator an den Eingangsklemmen der Brückenschaltung eingespeist wird. Je nach Schaltzustand der Kontakte der vier Schalteinrichtungen der Brückenschaltung ist der Transformator sekundärseitig offen oder kurzgeschlossen. Im Falle eines Kurzschlusses trans­ formiert sich dieser auf die Primärseite des Transformators und belastet die Oszillatoreinrichtung entsprechend. Die Os­ zillatoreinrichtung ist an die Steuereinrichtung über eine Verbindungsleitung angeschlossen und so ausgebildet, daß auf dieser Verbindungsleitung ein Signal, beispielsweise ein bi­ näres Signal, erzeugt wird, dessen Zustand abhängig von der Belastung der Oszillatoreinrichtung ist und daher indirekt ein Maß für die Querimpedanz und damit den Schaltzustand der Schaltkontakte der Schalteinrichtungen der Brückenschaltung darstellt. Dieses Signal wird in der Steuereinrichtung dazu verwendet, die Schalteinrichtungen der Brückenschaltung in geeigneter Weise anzusteuern.

Bevor die Schalteinrichtung eine Funktionsüberwachung des Schaltausganges einleitet, wird zunächst festgestellt, ob der Verbindungszustand des Schaltausganges offen oder geschlossen ist. Hiervon abhängig erzeugt dann die Schalteinrichtung Steuersignale zum Ansteuern der Steueranschlüsse der vier Schalteinrichtungen und zwar derart, daß sich der zuvor ermittelte Verbindungszustand des Schaltausganges während der Funktionsüberwachung nicht ändert.

Während der Funktionsüberwachung werden dann die Schaltein­ richtungen der Brückenschaltung in geeigneter Weise in einer vorgegebenen Reihenfolge und Kombination ein- und ausgeschaltet und dabei festgestellt, ob sich die an den Eingangsklemmen der Brückenschaltung abgreifbaren Querimpedanzen für jeden Zustand der Schaltfolge von vorgegebenen Sollimpedanzen unterscheiden. Tritt irgendeine Abweichung von diesen Sollwerten auf, so detektiert die Steuereinrichtung dies als Fehler und führt durch Abschaltung vorzugsweise aller Schalteinrichtungen den Schaltausgang dauerhaft in den sicheren Ausgangszustand.

Eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt nicht nur die mindestens vier Schalteinrichtungen der Brückenschaltung auf ihre Funktionsfähigkeit hin zu überwachen, sondern auch die Über­ wachung der zusätzlichen Schaltungskomponenten, wie beispiels­ weise der Oszillatoreinrichtung und des Übertragers. Darüber hinaus können wirksam die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Steuereinrichtung und möglicherweise vorhandene Treibereinrich­ tungen für die Schalteinrichtungen, z. B. Relaistreiberstufen, überwacht werden.

Die Potentialtrennung mittels einer Übertragereinrichtung bzw. eines Transformators hat den Vorteil, daß jegliche Verkopplung zwischen dem an den Anschlüssen des Schaltausgangs anliegenden Stromkreis und dem Steuerstromkreis der den Schaltausgang steuernden Einrichtung verhindert wird. Anstelle einer Poten­ tialtrennstufe auf Basis eines Übertragers bzw. Transformators kann beispielsweise auch eine Optokopplereinrichtung vorgesehen werden.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Steuereinrichtung zum Ansteuern der mindestens vier Schalt­ einrichtungen der Brückenschaltung redundant ausgebildet ist. Hierfür können beispielsweise zwei identische Steuereinrich­ tungen, im allgemeinen Mikroprozessorsysteme, vorgesehen werden, die parallel arbeiten und identische Hard- und Software aufweisen. Darüber hinaus ist es möglich, daß diese beiden Steuereinrichtungen sich gegenseitig überwachen und in vorbei­ stimmten Zeitabständen Selbsttests durchführen. Ein derartiger Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hat den Vorteil, daß er noch ausfallsicherer ist.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Schalteinrichtungen der Brückenschaltung kaskadiert ausgebildet sind. Eine derartige Kaskadierung der Schalteinrichtung ist besonders dann vorteilhaft, wenn beson­ ders hohe Sicherheitsbedingungen an den Schaltausgang gestellt werden. Das Kaskadieren der Schalteinrichtung gestaltet den Schaltausgang noch ausfallsicherer, da für eine Fehlfunktion des Schaltausganges dann mindestens zwei oder je nach Kaskadie­ rungsgrad mehr Schalteinrichtungen gleichzeitig ausfallen müssen, um eine Fehlfunktion des Schaltausganges zu bewirken.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt sowohl den Einsatz von elektromechanischen Standardrelais, also solchen Relais, die nur einen Schaltkontakt aufweisen, als auch den Einsatz von Halbleiterschaltelementen z. B. Transistoren, Thyristoren oder dergleichen. Damit zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrich­ tung gegenüber bekannten Lösungen durch einen geringeren Platz­ bedarf, eine geringere Leistungsaufnahme sowie niedrigere Kosten aus.

Es hat sich herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung allgemein in der Füllstandsmeßtechnik und insbesondere bei der selbstüberwachenden Überfüllsicherung im Flüssiggasbereich zum Einsatz geeignet ist, da dort besonders hohe Sicherheitsforderungen zu erfüllen sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Vorrichtung ist eine vollständige Detektion aller möglichen Fehler einer Ausgangs­ schaltstufe während deren Betriebes in jedem Schaltzustand möglich. Darüber hinaus können alle in der Überwachungsein­ richtung selbst auftretenden Fehlfunktionen sicher detektiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden in Zusammenhang mit 7 Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines Ausführungsbei­ spieles einer Anordnung zur Funktionsüberwachung bei Füll­ standsdetektoren,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fehlerüberwachung eines Schaltausganges,

Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild eines ersten Ausführungs­ beispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 mit elektromechanischen Relais als Schalteinrichtungen,

Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 mit MOS-Transistoren als Schaltein­ richtungen sowie einer redundanten Steuereinrichtung zum An­ steuern der MOS-Transistoren,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer kaskadierten Schaltein­ richtung,

Fig. 6 eine erste von der Schalteinrichtung erzeugte Schalt­ folge bei offenem Verbindungszustand des Schaltausganges mit der sich dabei an den Eingangsklemmen der Brückenschaltung ein­ stellenden Querimpedanz bzw. dem Querstrom bei korrekter Ar­ beitsweise der Brückenschaltung, und

Fig. 7 eine zweite von der Schalteinrichtung erzeugte Schalt­ folge bei geschlossenem Verbindungszustand des Schaltausganges mit der sich dabei an den Eingangsklemmen der Brückenschaltung einstellenden Querimpedanz bzw. dem Querstrom bei korrekter Ar­ beitsweise der Brückenschaltung.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Füllstands­ meßeinrichtung vorgesehen, in der das erfindungsgemäße Verfah­ ren beispielsweise eingesetzt werden kann. Die Darstellung zeigt schematisch eine Anordnung mit einem Auswertegerät X, das über eine Zweidrahtleitung Y mit einem Sensor Z verbunden ist, welcher einen auf ihn einwirkenden physikalischen Parameter P auswertet. Der Sensor Z dient dabei zur Füllstandsmessung und kann unterschiedliche Ausführung haben, beispielsweise als ka­ pazitiver, konduktiver oder vibrometrischer Sensor oder in son­ stiger beliebiger Weise ausgelegt sein. Der Sensor Z kann nicht nur die eigentlichen Meßwerte in Form von Spannungs- oder Stromsignalen, sondern auch Test- und Referenzwerte zur Funk­ tionsüberprüfung abgeben.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Funktionsüberwachung eines Schaltausganges, wie er im Auswertegerät X von Fig. 1 enthalten sein kann, dargestellt. Die Anordnung umfaßt einen Schaltausgang 1 mit zwei Anschlüssen 2, 3, die an Ausgangsklemmen 4, 5 einer Brückenschaltung 6 angeschlossen sind. Die Brückenschaltung 6 weist vier von einer Steuereinrichtung 7 ansteuerbare Schalt­ einrichtungen A, B, C, D auf. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die vier Schalteinrichtungen A, B, C, D identisch ausgestaltet. Die Schalteinrichtungen A, B, C und D können von der Steuer­ einrichtung 7 über Steuersignale auf Leitungen 20, 21, 22 und 23 in ihrem Schaltzustand gesteuert, also ein- oder ausge­ schaltet werden. Die Schalteinrichtungen A und C sind wie die Schalteinrichtungen B und D in Reihe geschaltet und liegen jeweils parallel zu den Anschlüssen 2 und 3 des Schaltausganges 1. Der Verbindungspunkt der Schalteinrichtungen A und B ist zugleich die erste Ausgangsklemme 4 der Brückenschaltung 6, während der Verbindungspunkt der Schalteinrichtungen C und D die zweite Ausgangsklemme 5 der Brückenschaltung 6 bildet. Die Brückenschaltung 6 besitzt darüber hinaus zwei Eingangsklemmen 10, 11, wobei die Eingangsklemme 10 mit einem Verbindungspunkt der Schalteinrichtungen A und C und die zweite Eingangsklemme 11 der Brückenschaltung 6 mit einem Verbindungspunkt der Schalteinrichtungen B und D in Verbindung steht.

Durch eine derartige Verschaltung der Brückenschaltung 6 ist es möglich, die Funktion der vier Schalteinrichtungen A, B, C und D sowie deren Setz- und Rücksetzbarkeit zu überprüfen, ohne daß der durch die Schalteinrichtungen A, B, C und D hergestellte augenblickliche Schaltzustand an den Anschlüssen 2, 3 des Schaltausganges 1 nach außen hin beeinflußt wird. Wenn beispielsweise der augenblicklichen Schaltzustand der Brücken­ schaltung 6 dem in Fig. 2 dargestellten entspricht, können zunächst zum Zwecke der Funktionsüberwachung die Schaltfunk­ tionen der Schalteinrichtung A und B durch entsprechende Än­ derung der Steuersignale auf den Leitungen 20, 21 überprüft werden. Anschließend werden die Schalteinrichtung A, B wieder in den dargestellten Schaltzustand zurückgeschaltet, wonach eine Überprüfung der Schalteinrichtungen C, D durch entspre­ chende Umschaltung der diesen zugeführten Steuerbefehlen auf den Leitungen 22, 23 stattfinden kann. Ebenso kann im umge­ kehrten Schaltzustand der Brückenschaltung 6, also bei einer permanent geforderten Verbindung der Anschlüsse 2, 3, die Funktion der Schalteinrichtungen A, B, C und D geprüft werden. Zu diesem Zweck werden zuerst die Schalteinrichtungen A, C geöffnet, während die Schalteinrichtungen B, D die Verbindung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 aufrechterhalten. An­ schließend, nachdem die Schalteinrichtungen A, C wieder ge­ schlossen werden, werden die anderen beiden Schalteinrichtungen B, D geöffnet. Auf diese Weise lassen sich auch in diesem Schaltzustand der Anschlüsse 2, 3 alle vier Schalteinrichtungen A, B, C, D auf ihre Funktionen überprüfen, ohne daß sich dies auf den Schaltzustand des Schaltausgangs 1 auswirkt.

Um ein einwandfreies Funktionieren der Schalteinrichtungen A, B, C und D detektieren zu können, weist die in Fig. 2 darge­ stellte Schaltungsanordnung eine Einrichtung 8 zum Erzeugen eines an die Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6 anzulegenden Testsignales sowie zum Erfassen der Querimpedanz der Brückenschaltung 6 an den Eingangsklemmen 10, 11 auf. Diese Einrichtung (Impedanzmeßeinrichtung 8) ist dabei an die Steuereinrichtung 7 über eine Verbindungsleitung 25 und an die Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6 angeschlossen.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung von Fig. 2 zur Funk­ tionsüberwachung des Schaltausganges 1 weist folgende Schritte auf:

• - Ansteuern der vier Schalteinrichtungen A, B, C, D in einer vorgegebenen Schaltfolge nach Maßgabe von Steuersignalen der Steuereinrichtung 7 auf den Leitungen 20, 21, 22 und 23,
• - Bestimmen der Querimpedanz der Brückenschaltung 6 an den Ein­ gangsklemmen 10, 11 während der Schaltfolge mittels der Impe­ danzmeßeinrichtung 8, und
• - Detektieren eines Fehlers in der Steuereinrichtung 7, falls die in der Impedanzmeßeinrichtung 8 bestimmten und von der Steuereinrichtung 7 erfaßten bzw. eingelesenen Querimpedanzen von vorgegebenen Sollimpedanzen abweichen.

Ein detektierter Fehler kann entweder von einer geeigneten Mel­ devorrichtung akustisch und/oder optisch gemeldet oder aber vorzugsweise dazu verwendet werden, über die Leitungen 20, 21, 22 und 23 die Schalteinrichtungen A, B, C und D auszuschalten und damit die Brückenschaltung 6 in den sicheren Ausschaltzu­ stand zu bringen.

In Fig. 3 ist ein detaillierteres Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Funktionsüberwachung eines eine Brückenschaltung 6 mit vier Schalteinrichtungen A, B, C und D aufweisenden Schaltausganges 1 dargestellt. Als Schalteinrichtungen A, B, C und D sind in Fig. 3 elektromechanische Standardrelais mit jeweils einem Arbeitskontakt vorgesehen. Die in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnete Einrichtung besteht in Fig. 3 aus einer induktiven Übertragereinrichtung 13, beispielsweise einem Transformator, die eingangsseitig mit einer Oszillatoreinrichtung 9 in Verbindung steht und ausgangsseitig an die Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6 angeschlossen ist. Darüber hinaus ist die Oszillatoreinrichtung 9 über die Verbindungsleitung 25 an die Steuereinrichtung 7 angeschlossen.

Die Arbeitsweise der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ist fol­ gende: Eine Unterbrechung des Stromflusses zwischen den An­ schlüssen 2, 3 des Schaltausganges 1 wird als sicherer Zustand definiert. Durch Schließen der Schalteinrichtungen A, C bzw. B, D kann eine Verbindung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 erzeugt werden. Fällt eines dieser Relais aufgrund eines Defektes beispielsweise aus, so kann mit dem in Serie dazu liegenden Relais die Verbindung dennoch sicher unterbrochen werden. Durch die Anordnung der beiden parallelen Schalteinrichtungen A, C bzw. B, D ist es möglich, unabhängig vom Betriebszustand der die Brückenschaltung 6 bildenden Ausgangsschaltstufe jedes einzelne Relais in seinem Schaltzustand zu verändern, ohne daß sich dies über die Anschlüsse 2, 3 nach außen hin bemerkbar macht.

Die Überwachung der korrekten Funktion der die einzelnen Schalteinrichtungen A, B, C, D bildenden Relais in Fig. 3 er­ folgt durch Messung der an den Eingangsklemmen 10, 11 auftre­ tenden Querimpedanz der Brückenschaltung 6. Zu diesem Zweck wird in der Anordnung von Fig. 3 ein von der Oszillatoreinrich­ tung 9 erzeugtes Testsignal, beispielsweise eine Wechselspan­ nung in der Größenordnung von 20 KHz, primärseitig der Übertra­ gereinrichtung 13 zugeführt. Sekundärseitig ist die Übertra­ gereinrichtung 13 mit den Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6 in Verbindung. Daher wird das Testsignal, hier die Wechselspannung, über die Übertragereinrichtung 13 an den über die Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6 ein­ gespeist. Je nach Schaltzustand der Schalteinrichtungen A, B, C und D ist die Übertragereinrichhtung 13 sekundärseitig offen oder kurzgeschlossen. Im Falle eines Kurzschlusses transformiert sich dieser Kurzschluß auf die Primärseite der Übertragereinrichtung 13 und belastet die Oszillatoreinrichtung 9 an ihrem Ausgang entsprechend. Die Oszillatoreinrichtung 9 ist dabei so ausgebildet, daß sie auf der Leitung 25 ein Signal, vorzugsweise ein binäres Signal, erzeugt, dessen Zustand abhängig von der Belastung der Oszillatoreinrichtung 9 ist und daher indirekt den Schaltzustand der Schalteinrichtungen A, B, C und D repräsentiert. Dieses vorzugsweise binäre Signal wird der Steuereinrichtung 7, vorzugsweise einem Mikroprozessorsystem, zugeführt, das über seine Ausgangsleitungen 20, 21, 22 und 23 dann die Schalteinrichtungen A, B, C und D in noch im Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 zu erläuternder Weise ansteuert.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Anordnung zur Funktionsüberwachung eines eine Brückenschaltung 6 mit vier Schalteinrichtungen A, B, C, D auf­ weisenden Schaltausganges dargestellt. Im Unterschied zur Dar­ stellung von Fig. 3 bestehen die vier Schalteinrichtungen A, B, C und D jetzt aus Photo-MOS-Transistoren. Anstelle dieser Photo-MOS-Transistoren können jedoch auch andere geeignete Halbleiterschaltelemente mit galvanischer Trennung, wie Bipo­ lartransistoren, Thyristoren oder dergleichen, eingesetzt wer­ den. Die Einrichtung 8 weist darüber hinaus jetzt keine induk­ tive Übertragereinrichtung, sondern eine Optokopplereinrichtung 14 auf, deren lichtemittierendes Element, z. B. eine Diode, in Reihe mit einer Stromquelle 18 an die Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6 angeschlossen ist. Sind die Eingangs­ klemmen 10, 11 aufgrund einer bestimmten Stellung der Schalt­ einrichtungen A, B, C, D kurzgeschlossen, so fließt der Strom der Stromquelle 18 über das lichtemittierende Element der Opto­ kopplereinrichtung 14 und steuert dadurch das darin enthaltene Photoelement , z. B. einen Phototransistor, an. Dieses Photoele­ ment überträgt seinen Schaltzustand, welcher repräsentativ für die Querimpedanz der Brückenschaltung 6 ist, auf der Leitung 25 zur Steuereinrichtung 7.

In der Darstellung von Fig. 4 ist die Steuereinrichtung redun­ dant aufgebaut, beispielsweise indem zwei parallel arbeitende Mikroprozessoren 7A, 7B mit identischer Hard- und Software vorgesehen sind. Durch diese Redundanz ergibt sich ein deutlich erhöhter Sicherheitsfaktor. Dieser Sicherheitsfaktor läßt sich darüber hinaus weiter steigern, indem sich die beiden Mikropro­ zessoren 7A, 7B gegenseitig überwachen, so daß eine eventuelle Fehlfunktion eines Mikroprozessors 7A bzw. 7B sofort durch den anderen, noch intakten Mikroprozessor 7B bzw. 7A erfaßt werden kann und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden können. Die Mikroprozessoren 7A, 7B stehen hierfür über Verbin­ dungsleitungen miteinander in Kontakt.

Eine weitere Erhöhung des Sicherheitsfaktors läßt sich dadurch erreichen, daß die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zur Feh­ lerüberwachung eines Schaltausganges kaskadiert aufgebaut wird. Ein Beispiel einer derartigen kaskadierten Vorrichtung zeigt Fig. 5, wobei der Einfachheit halber auf eine Darstellung der Steuereinrichtung und des Schaltausganges verzichtet wurde. Im Gegensatz zur Vorrichtung in Fig. 2 weist die Brückenschaltung jetzt insgesamt sechs von der Steuereinrichtung ansteuerbare Schalteinrichtungen A, B, C, D, E und F auf, von denen die drei Schalteinrichtungen A, C, E in Reihe geschaltet sind und zwi­ schen den Anschlüssen des Schaltausganges liegen. Die drei ebenfalls zueinander in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen B, D und F sind parallel zu den drei Schalteinrichtungen A, C, E geschaltet und liegen damit ebenfalls zwischen den Anschlüs­ sen des Schaltausganges. Darüber hinaus sind anstelle der in Fig. 2 dargestellten einzigen Impedanzmeßeinrichtung 8 jetzt zwei Impedanzmeßeinrichtungen 8a, 8b zum Erzeugen von Testsi­ gnalen sowie zum Erfassen der Querimpedanzen der Brückenschal­ tung vorgesehen. Die eine Impedanzmeßeinrichtung 8a ist hierfür ausgangsseitig wie die Impedanzmeßeinrichtung 8 in Fig. 2 an die Verbindungspunkte der Schalteinrichtungen A und C sowie B und D angeschlossen. Die andere Impedanzmeßeinrichtung 8b ist dagegen mit den Verbindungspunkten der Schalteinrichtungen C und E sowie D und F verbunden. Des weiteren sind die Impe­ danzmeßeinrichtungen 8a und 8b eingangsseitig mit der nicht gezeigten Steuereinrichtung in Verbindung.

Eine derartige kaskadiert aufgebaute Vorrichtung zur Funktions­ überwachung des Schaltausganges erlaubt ebenfalls eine Überprü­ fung der Funktion der Schalteinrichtungen A, B, C, D, E und F, ohne daß der durch die Schalteinrichtungen A, B, C, D, E und F hergestellte augenblickliche Schaltzustand an den Anschlüssen des Schaltausganges nach außen hin beeinflußt wird. Fallen auf­ grund eines Defektes bei dieser Vorrichtung zwei in Serie ge­ schaltete Schalteinrichtungen aus, so kann dennoch mit der in Serie dazu liegenden dritten Schalteinrichtung die Verbindung sicher unterbrochen werden. Die Überwachung der korrekten Funk­ tion der Schalteinrichtungen A, B, C, D, E und F erfolgt durch Messung der Querimpedanzen der Brückenschaltung mittels der Im­ pedanzmeßeinrichtungen 8a, 8b. Obwohl in Fig. 5 die Kaska­ dierung anhand von sechs Schalteinrichtungen A, B, C, D, E und F sowie der zwei Einrichtungen 8a, 8b dargestellt ist, läßt sich die Ausfallsicherheit noch weiter verbesseren, wenn der Kaskadierungsgrad weiter erhöht wird. Hierfür können bei­ spielsweise acht Schalteinrichtungen und drei Einrichtungen zum Erfassen der Querimpedanzen verwendet werden.

In Fig. 6 ist die von der Steuereinrichtung 7 ausgegebene Schaltfolge bei nicht aktiviertem Schaltausgang 1, d. h. die An­ schlüsse 2, 3 sind in Fig. 2 offen, dargestellt. In der linken Spalte ist angegeben, welche der Schalteinrichtungen A, B, C und D gerade eingeschaltet ist, während in der rechten Spalte angegeben ist, ob bei korrekter Funktion der Brückenschaltung 6 und damit der Schalteinrichtungen A, B, C und D ein Querstrom zwischen den Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6 fließt. Fließt ein Querstrom, so ist dies durch "1" angegeben, fließt kein Querstrom, so ist dies durch "0" angegeben. Das Fließen des Querstromes ist ein direktes Maß für die Quer­ impedanz an den Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6. Fließt kein Querstrom, so ist die Querimpedanz ungleich Null, im Fall von idealen Schalteinrichtungen unendlich groß, fließt dagegen ein Querstrom, so ist die Querimpedanz im Fall von idealen Schalteinrichtungen Null.

Wie die Aufstellung in Fig. 6 zeigt, wird zunächst keine der Schalteinrichtungen A, B, C, D von der Steuereinrichtung 7 eingeschaltet. Bei korrekter Arbeitsweise der Brückenschaltung 6 fließt folglich kein Querstrom. Anschließend wird die Schalteinrichtung A eingeschaltet und es fließt bei korrekter Funktion der Brückenschaltung 6 ebenfalls kein Querstrom. Als nächstes werden die Schalteinrichtungen A und B eingeschaltet. Bei korrekter Arbeitsweise muß ein Querstrom fließen. Im nächsten Schritt wird die Schalteinrichtung A ausgeschaltet, so daß nur noch die Schalteinrichtung B von der Steuereinrichtung 7 eingeschaltet ist. Bei korrekter Arbeitsweise fließt kein Querstrom. Als nächstes wird die Schalteinrichtung C, dann die Schalteinrichtung C und D und schließlich nur die Schalteinrichtung D eingeschaltet. Als Ergebnis ergibt sich, das in Fig. 6 weiter angegebene Verhalten des Querstromes an den Eingangsklemmen 10, 11 der Brückenschaltung 6. Nachdem die Steuerschaltung 7 allein die Schalteinrichtung D angesteuert hat, wird wieder zum Ausgangspunkt zurückgegangen, was in Fig. 6 durch den Pfeil angedeutet ist. Die Schaltfolge kann dann bei Bedarf wiederholt werden.

Für den Fall, daß sich bei dieser Schaltfolge -,A,A+B,B,C,C+D,D nicht der in der rechten Spalte von Fig. 6 dargestellte Verlauf des Querstromes ergibt, liegt eine Fehl­ funktion vor. Die Steuereinrichtung 7 schaltet dann vorzugs­ weise alle Schalteinrichtungen A, B, C, D aus, wodurch der Schaltausgang 1 in den sicheren Betriebszustand geht.

In Fig. 7 ist die Schaltsequenz bei aktiviertem Schaltausgang 1, d. h. die Anschlüsse 2 und 3 in Fig. 2 sind geschlossen, aufgeführt. Es ist deutlich zu erkennen, daß bei aktiviertem Schaltausgang 1 eine andere Schaltfolge von der Steuerein­ richtung 7 zu generieren ist, um eine zuverlässige Aussage über die Funktion der ausgangsseitigen Brückenschaltung 6 der Schaltstufe zu erhalten.

Es ist daher festzuhalten, daß - im Falle eines binären Signales auf der Leitung 25 - beim Ablauf der in Fig. 6 bzw. 7 gezeigten jeweiligen Schaltfolge ein entsprechendes binäres Signalmuster auf der Leitung auftreten muß. Ist dieses von dem in den rechten Spalten dargestellten Sollmuster und damit von vorgegebenen Sollimpedanzen abweichend, so detektiert die Steuereinrichtung 7 dies als Fehler und führt ein Abschalten aller Schalteinrichtungen A, B, C und D durch, um den Schalt­ ausgang dauerhaft in den sicheren Ausgangszustand zu bringen.

Obwohl im Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 von zwei konkret angegebenen Schaltfolgen ausgegangen worden ist, können jedoch auch andere Schaltfolgen von der Steuereinrichtung 7 zur Funktionsüberwachung erzeugt werden. Voraussetzung ist lediglich, daß anhand dieser Schaltfolge auf die Funktion der einzelnen Schalteinrichtungen A, B, C, D Rückschlüsse zu ziehen sind.

Claims (11)

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung von mindestens vier Schalteinrichtungen (A, B, C, D; A, B, C, D, E, F) einer Brückenschaltung (6), deren Ausgangsklemmen (4, 5) an einen Schaltausgang (1) mit zwei Anschlüssen (2, 3) geschaltet sind, mit folgenden Verfahrensschritten:

• - Ein- oder Ausschalten der mindestens vier Schaltein­ richtungen (A, B, C, D; A, B, C, D, E, F) in zwei unterschiedlichen Schaltfolgen, je nachdem, ob der Schaltausgang (1) aktiviert oder nicht aktiviert ist in Abhängigkeit von Steuersignalen einer Steuerein­ richtung (7; 7A, 7B) unter Beibehaltung des vor Beginn der Funktionsüberwachung vorliegenden Schaltzustandes des Schaltausganges (1),
• - Ermitteln der Querimpedanzen an Eingangsklemmen (10, 11) der Brückenschaltung (6) während der Schaltfolgen, und
• - Detektieren eines Fehlers innerhalb der Steuerein­ richtung (7; 7A, 7B) und Ausschalten sämtlicher Schalteinrichtungen (A, B, C, D; A, B, C, D, E, F), falls die ermittelten Querimpendanzen von vorgegebenen Querimpedanzen abweichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querimpedanz der Brückenschaltung (6) poten­ tialfrei bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bestimmung der Querimpedanz der Brücken­ schaltung (6) dieser über eine Potentialtrennstufe (13) ein Wechselsignal zugeführt wird, daß an der Potentialtrennstufe (13) festgestellt wird, ob deren Ausgang offen oder kurzgeschlos­ sen ist und abhängig hiervon der Steuerschaltung (7; 7A, 7B) ein entsprechendes Signal zugeführt wird.

4. Vorrichtung zur Funktionsüberwachung von mindestens vier Schalteinrichtungen (A, B, C, D; A, B, C, D, E, F) einer Brückenschaltung (6), deren Ausgangsklemmen (4, 5) an einen Schaltausgang (1) mit zwei Anschlüssen (2, 3,) geschaltet sind, wobei die Schalteinrichtungen (A, B, C, D; A, B, C, D, E, F) von einer Steuereinrichtung (7; 7A, 7B) ansteuer­ bar sind, und einer eine Potentialtrennstufe (13; 14) aufweisenden Impedanzmeßeinrichtung (8; 8a, 8b) zum Erzeu­ gen eines an Eingangsklemmen (10, 11) der Brückenschaltung (6) anzulegenden Testsignales sowie zum Ermitteln der Querimpedanzen der Brückenschaltung (6), wobei die Impe­ danzmeßeinrichtung (8; 8a, 8b) mit der Steuereinrichtung (7; 7A, 7B) und den Eingangsklemmen (10, 11) der Brücken­ schaltung (6) verbunden ist, um bei Abweichung der ermit­ telten Querimpedanzen von vorgegebenen Querimpedanzen die mindestens vier Schalteinrichtungen (A, B, C, D; A, B, C, D, E, F) auszuschalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzmeßeinrichtung (8; 8a, 8b) eine Oszillatoreinrichtung (9) mit nachgeschalteter induktiver Übertragereinrichtung (13) als Potentialtrennstufe aufweist und die induktive Übertragereinrichtung (13) ausgangs­ seitig an die Eingangsklemmen (10, 11) der Brückenschaltung (6) angeschlossen und die Oszillatorschaltung (9) mit der Steuer­ einrichtung (7; 7A, 7B) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzmeßeinrichtung (8; 8a, 8b) eine Optokopplereinrichtung (14) als Potentialtrennstufe (13, 14) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (7; 7A, 7B) redundant ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorrichtung kaskadiert ausgebildet ist, indem mehr als vier Schalteinrichtungen (A, B, C, D, E, F) sowie mindestens zwei Impedanzmeßeinrichtungen (8a, 8b) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (A, B, C, D) elektrome­ chanische Relais sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (A, B, C, D) Halbleiter­ schalter, insbesondere Transistoren, Thyristoren oder derglei­ chen, sind.

11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10 in einer Einrichtung zur Füllstandsmessung.