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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Abtastverfahren und eine Abtastvorrichtung
und genauer einen Sensor eines physikalischen Wert zur Verwendung
in einer explosiven Umgebung.
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Beschreibung
des Hintergrunds
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Ein
Sensor besteht aus widerstandsfähigen
und kapazitiven Impedanzen in Bezug auf einen physikalischen Wert,
d.h. Druck, Temperatur, Durchfluss, etc., welcher in einer Umgebung
zu messen ist. Diese Sensorart ist ein elektrisch passives Element,
d.h. der Sensor muss durch eine externe Spannungsquelle angetrieben
werden. Ein Sensorsignalprozessor empfängt vom Sensor eine Signalantwort
und erzeugt einen gemessenen Ausgang. Wenn der Sensor in einem gefährlichen
Bereich anzuordnen ist, ist der Sensorsignalprozessor konstruiert
dem Sensor einen Schutz gegen hohe Ströme oder Spannungen zu liefern.
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Ein
gefährlicher
Bereich ist als Bereich definiert, in welchem explosive Umgebungen
in solchen Mengen vorhanden sind oder erwartet werden vorhanden
zu sein, dass eine spezielle Sicherheitsvorkehrung zur Konstruktion
und Verwendung der Elektrogeräte
erfordert wird. Eigensicherheit ist ein Schutzkonzept, welches bei
Anwendungen mit einer potenziell explosiven Umgebung eingesetzt
wird. Eigensicherheit beruht darauf, dass das Elektrogerät derart
konstruiert ist, dass es nicht fähig
ist durch Elektroeinrichtungen ausreichend viel Energie freizusetzen,
um beispielsweise ein Entzünden
eines brennbaren Gases zu verursachen. In elektrischen Schaltkreisen
sind die Einrichtungen zur Freisetzung dieser Energie zur Entzündung ein
Leerlauf oder Kurzschluss der Bauteile, Verbindungen in einer Schaltung
usw.
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Zum
Realisieren der Eigensicherheit kann eine Sicherheitsbarriere in
einem ungefährlichen
Bereich durch relativ große
Schaltungen mit energiebegrenzenden Widerständen, Zenerdioden, Sicherungen
usw. konstruiert werden. Dann gab es einige Probleme beim Unterscheiden
der wahren Impedanz des Sensors von strombegrenzenden Impedanzen
und eine unpräzise
Messung wird durch Rauscheffekte verursacht, welche hauptsächlich in
den Temperaturkennlinien dieser Impedanzen ihre Ursache haben.
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Die
Technologie zum Realisieren der Eigensicherheit durch Sperrkondensatoren
wurde in einem anderen technischen Gebiet ausprobiert, insbesondere
in dem einer Erfindung einer Mikrowellenbereichsantennen-Barriere,
wie in der japanischen Offenlegungsschrift JP10-013130 beschrieben
wurde. Ein Sperrkondensator ist bekanntlich wirksam, um ein Wechselstrom-Modulationssignal
(AC-Modulationssignal) auf zu nehmen, da es Gleichspannungen (DC-Spannungen)
sperrt. In dieser Anmeldung wurde der Sensor jedoch wie gewöhnlich durch
eine DC-Leistung angetrieben, welcher eine geringe Änderung
des physikalischen Wertes behandelt, und es ist schwierig gewesen
das große
Rauschen durch die Leitfähigkeitsänderung
desselben zu verhindern.
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Eine
Weise, auf welche die galvanische Trennung zwischen den zwei miteinander
verbundenen Systemen geschaffen werden kann, wird in
US 4,812,778 beschrieben. Eine eigensichere
Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung wird offenbart, welche eine
Sensoreinrichtung, Sicherheitsbarriereneinrichtung, passive Bauteile
und ein Paar an Operationsverstärkern
aufweist.
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Bisher
war es leicht und sicher eine Sicherheitszenerbarriere einzubauen,
um eine Sensorvorrichtung als ganze von der Außenschicht abzudecken, zu welcher
eine Spannungsquelle gehört.
Aber solch eine Ausstattung, welche eine Außenbarriere erfordert, kann
aufgrund der Verdrahtungskosten und des Platzbedarfes zur Befestigung
eine große
Angelegenheit sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
Anbetracht des Vorangehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung eine Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung, welche selbst
eine Sicherheitsbarriere beinhaltet, welche die Stromenergie begrenzt,
um eine explosive Umgebung nicht zu entzünden, in welcher ein Sensorelement
besteht, indem insbesondere die Sicherheitsbarriere kostengünstig und
kompakt genug herstellbar ist, um in einem ungefährlichen Bereich oder einem
Gehäuse
in dem gefährlichen
Bereich eingebaut zu werden. Diese Sicherheitsbarriere ermöglicht eine
Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung, welche ansonsten nicht fähig wäre, die
Genehmigungen für
eigensichere Levels zu erzielen, um solche Genehmigungen zu erhalten,
welche durch die amtlichen Behörden
standardisiert sind.
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Dies
wird durch eine Verarbeitungsschaltung nach den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw.
3 erzielt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
vorangehenden und andere Aufgaben, Aspekte und Vorteile werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen besser verständlich,
in welchen:
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1 ein
Blockdiagramm ist, welches den Fall veranschaulicht, in welchem
nur ein Sensorelement im gefährlichen
Bereich besteht;
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2 ein
Blockdiagramm ist, welches den Fall veranschaulicht, in welchem
ein Sensorelement im gefährlichen
Bereich besteht und ein Sender, welcher eine Sicherheitsbarriere
beinhaltet, in einem Gehäuse
im gefährlichen
Bereich besteht;
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3 ein
schematisches Blockdiagramm ist, welches eine herkömmliche
Eigensicherheitsschaltung veranschaulicht, welche strombegrenzende
Widerstände
(Rh) verwendet;
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4 ein
schematisches Blockdiagramm ist, welches eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit strombegrenzenden Widerständen (Rh)
und Operationsverstärkern
(OP Amps) zum Erhalten eines Sensorsignals als Stromwert veranschaulicht;
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5 ein
schematisches Blockdiagramm ist, welches eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Sperrkondensatoren (Ch) ohne OP Amps
veranschaulicht;
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6 ein
schematisches Blockdiagramm ist, welches eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Sperrkondensatoren (Ch) und OP Amps
zum Erhalten eines Sensorsignals als Stromwert veranschaulicht;
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7 ein
schematisches Blockdiagramm ist, welches eine vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Erhalten eines Sensorsignals als
Spannungswert veranschaulicht, welche von einer ersten Ausführungsform
(4) verbessert wurde; und
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8 ein
schematisches Blockdiagramm ist, welches eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zum Erhalten eines Sensorsignals als Spannungswert veranschaulicht,
welche von einer dritten Ausführungsform
(6) verbessert wurde.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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In
Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 wird
ein Diagramm gezeigt, in welchem nur ein Sensorelement 1 in
einem gefährlichen
Bereich besteht. Die Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung befindet sich
im ungefährlichen
Bereich. Üblicherweise
weist die Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung
einen Sender 2 und einen Empfänger 5 auf. Der Sender 2 beinhaltet
eine Sicherheitsbarriere 3 und eine Verarbeitungsschaltung 4.
Alle aktiven Elemente, d.h. der Sender und Empfänger, sind an einer Spannungsquelle 6 und
einem Feldboden FG angeschlossen.
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In
Bezug auf die Zeichnung 2 wird alternativ ein Diagramm
gezeigt, in welchem ein Sensorelement 1 in einem gefährlichen
Bereich und ein eine Sicherheitsbarriere 3 beinhaltender
Sender 2 in einem Gehäuse
im gefährlichen
Bereich besteht, während
sich der Empfänger 5 im
ungefährlichen
Bereich befindet. In beiden Fällen
wird ein konzeptionelles Diagramm gezeigt, dass ein Sensorelement
keine Leistung aufweist, um im Wesentlichen die Eigensicherheit
zu realisieren.
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3 zeigt
einen Stand der Technik, bei welchem strombegrenzende Widerstände (Rh)
den Strom bei einer Störung
des Sensors begrenzen. Angenommen, dass eine Höchstspannung von bis zu 250V
(herkömmliche
DC- oder AC-Spannungsquelle) angelegt wurde, so arbeiten die strombegrenzenden
Widerstände
zum Verringern des Stromstoßes
bzw. der Stromspitze im gefährlichen
Bereich. Diese Spannung kann durch eine Zenerdiode (nicht in der
Zeichnung gezeigt) unterdrückt
werden oder es kann nur der Strom begrenzt werden, um den Energiestoß bzw. die
Energiespitze zu unterdrücken.
Der Stromwert wird aufgrund des Theorems von Thévenin mit nicht nur der Sensorimpedanz
(ZS) sondern auch den strombegrenzenden Widerständen (Rh) normalerweise als
Gleichung (1) berechnet. Der gemessene Strom, I, in Ampere wird
in diesem Fall beträchtlich
durch eine Temperaturkennlinie des Rh beeinträchtigt.
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Nach
der Erfindung gibt es nun zwei Ansätze zum Lösen des Problems eines angelegten
Stromstoßes.
Der erste Ansatz ist, wie in 4, zwei
Operationsverstärker
(OP amps), den Treiber 10 und die Speiseeinrichtung 20 zwischen
dem Sensoranschluss und der Signalleitung zur Verarbeitungseinheit
zu liefern, damit die Impedanz der Stromwiderstände ignoriert werden kann,
vorausgesetzt, dass die OP amps ideal genug sein müssen, die
offene Verstärkung
des OP amp, Av, als unendlich groß, die Eingangsimpedanz als
unendlich groß und
die Ausgangsimpedanz als null zu betrachten. (Die Kennzeichen des OP
amp gelten in der folgenden Beschreibung als ideal).
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Folglich
könnte
die normale Sensorspannung an den Sensoranschlüssen A und B die Gleichung
(2) und (3) sein. Va
= Vin (2) Yb = 0 (3)
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Daher
wird der durch das Amperemeter 30 (A) gemessene Strom I
in der Gleichung (4) gegeben. Die Sensorimpedanz (ZS), welche zum
gemessenen physikalischen Wert führt,
wird aus der Gleichung (4) ohne jegliche Wirkung der Impedanz Rh
berechnet.
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Der
zweite Ansatz ist dann, wie in 5, das Begrenzen
des Stromes zu realisieren ohne einen großen Widerstand aufzuweisen.
In diesem Fall kann die Antriebsspannung 7b (Vin) durch
eine höhere
Frequenz als den zugeführten
Leistungsfrequenzen 50/60Hz AC sein und die Sperrkondensatoren (Ch)
sind mit den strombegrenzenden Widerständen (Rh) parallel geschaltet.
Die Impedanz dieser Kondensatoren kann zu einer zugeführten Frequenz
antiproportional sein, damit es möglich ist, dass die Impedanz
der Sperrkondensatoren ausreichend gering ist, um in einer normalen
Betriebsart den Strom durch den Sensor 1 zu ignorieren,
und ausreichend groß ist,
um den Strom durch den Sensor 1 zu begrenzen. Der gemessene
Strom, normalerweise in 5, ist eine Gleichung (5) nach
dem Theorem von Thévenin.
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Nun
kann, vorausgesetzt, dass die normale Messfrequenz ω(=2πf) viel höher als
1kHz und relativ größer als
Ch oder Rh gemacht bzw. eingestellt ist, das zweite Element des
Teilers als Gleichung (6) vernachlässigt werden kann.
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Zusammenfassend
liefert diese Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung
eine Lösung
zum Realisieren der Eigensicherheit mit einer genauen Messung mittels
des Antreibens des Sensors mit dem Treiber und den OP amps der Speiseeinrichtung
und mittels der Sperrkondensatoren mit einer geringfügigen Impedanz
bei hohen Frequenzen.
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Die
oben erwähnten
und andere Aufgaben und neuen Merkmale der Erfindung werden vollständiger aus
der folgenden detaillierten Beschreibung hervorgehen, wenn dieselbe
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. Es
sollte jedoch ausdrücklich
klar sein, dass die Zeichnungen nur zur Veranschaulichung dienen
und nicht als eine Definition der Beschränkungen der Erfindung dienen
sollen.
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4 zeigt
die Sensorsignal-Verarbeitungseinheit, welche den oben beschriebenen
ersten Ansatz betrifft. Der OP amp 10 des Treibers treibt
als Ausgangspuffer die angelegte Spannung 7a (Vin) zum
Sensor 1. Der OP amp 20 der Speiseeinrichtung
misst den Rückkopplungsstrom,
welcher vom Sensor durchgelassen wurde. Als Ergebnis der Gleichung
(4) kann die Sensorimpedanz (ZS) aus der gegebenen Vin und dem gemessenen
Strom I vom Messgerät 30 (A)
erhalten werden.
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Angenommen,
dass alle anderen Bauteile außer
den strombegrenzenden Widerständen
(Rh) ausgefallen sind (beispielsweise Kurzschluss, offene Schaltung,
etc.) und jeder Rh eine angelegte Spannung von 250 V aufgewiesen
hat, so kann die Anzahl der Wege des Stromstoßes bzw. der Stromspitze zum
gefährlichen Bereich
die vier strombegrenzenden Widerstände (Rh) sein. Es wird erfordert
den Strom von einem der vier strombegrenzenden Widerstände durch
den Sensor 1 zum Boden (FG) beispielsweise auf 10 mA oder
weniger zu begrenzen, um eine Explosion zu verhindern, wie durch
eine Anforderung der Sicherheitsklasse vorgegeben. Die vier strombegrenzenden
Widerstände
(Rh) können
mehr als 100 KΩ betragen,
um den Strom von jedem Rh auf weniger als 2,5 mA zu begrenzen. Dieses
Beispiel haben die weiteren Ausführungsformen
gemeinsam.
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Die
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in 5 gezeigt. 5 zeigt
die den oben beschriebenen zweiten Ansatz betreffende Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung.
Durch die Wirkung der Sperrkondensatoren (Ch) ist der Strom durch
den Sensor 1 normalerweise wie durch die Gleichung (6)
gegeben, und kann so gering wie Gleichung (5) begrenzt werden, obwohl
die Leistungsspannung auf der Antriebsspannung (Vin) überlagernd
ist. Dennoch können
sich die Sperrkondensatoren (Ch) auf zwei Stapeln oder mehr in Reihe
befinden, um die Bestimmungen der Eigensicherheit zu erfüllen. Hier
werden die Widerstände (Rh)
zur Strombegrenzung und Verwendung der DC-Vorspannung hinzugefügt.
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Angenommen,
dass alle Widerstände
(Rh) und die Sperrkondensatoren (Ch) eine angelegte Spannung von
250 V aufweisen, so wird erfordert den Strom von diesen Elementen
durch den Sensor zum Boden (FG) auf 10mA zu begrenzen. Die Anzahl
der Stromwege beträgt
wie zuvor vier. Folglich können
zwei Widerstände
(Rh) mehr als 100 KΩ betragen,
um den Strom auf 2,5 mA zu begrenzen, und zumindest ein fortbestehender
Kondensator (Ch) auf dem parallelen Stromweg weniger als 26 nF betragen,
um den Strom auf 2,5 mA zu begrenzen, was in diesem Beispiel als
Faktor von 2π f*Ch und 250 V berechnet wird. (Hier ist ω = 2π f und f
kann eine kommerzielle Leistungsfrequenz 60 Hz sein).
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Die
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in 6 gezeigt. 6 zeigt
die Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung,
welche die Kombination des oben beschriebenen ersten und zweiten
Ansatzes betrifft. Dies macht die Sperrkondensatoren (Ch) durch
das Verwenden der OP Amps ohne Rücksicht
auf die Frequenz von ω vernachlässigbar.
Die Messung durch diese Ausführungsform
ergibt sich nach der folgenden Gleichung (7), da sie auf der gleichen
Theorie nach den Gleichungen (2) und (3) basiert. Es wird angenommen, dass
die OP amps genau wie zuvor ideal sind.
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Der
OP Amp 10 des Treibers und OP Amp 20 der Speiseeinrichtung
weisen jeweils die strombegrenzenden Widerstände (Rh) und die Sperrkondensatoren
(Ch) auf allen Leitungen zum Sensor 1 auf.
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Angenommen,
dass alle anderen Bauteile außer
den strombegrenzenden Widerständen
(Rh) oder Sperrkondensatoren (Ch) ausgefallen sind (beispielsweise
Kurzschluss, offene Schaltung, etc.) und an jedem Rh und Ch eine
Spannung von 250 V angelegt war, so kann die Anzahl der Stromwege
nicht weniger als acht betragen. Es ist erforderlich, den Strom
durch den Sensor zum Boden (FG) auf 10 mA zu begrenzen. Die vier strombegrenzenden
Widerstände
Rh können
mehr als 200 KΩ betragen,
um den Strom von jedem strombegrenzenden Widerstand Rh auf 1,25
mA zu begrenzen, und jeder Ch kann weniger als 13 nF betragen, ähnlich wie
im oben erwähnten
Beispiel.
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In
den oben erwähnten
Ausführungsformen,
insbesondere der ersten Ausführungsform
erzielt ein Strommessgerät
die Messung. Eine Strommessung ist im Vergleich zu einer Spannungsmessung
für einige Schaltkreistechniken
unpraktisch. Und wegen der Abhängigkeit
der Präzision
des strombegrenzenden Widerstands (Rh) ist es nicht vorteilhaft,
nur den Ausgang des OP Amp der Speiseeinrichtung in 4 als
Gleichung (8) wie folgt zu messen.
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Daher
wird eine Verbesserung der ersten Ausführungsform der Erfindung bevorzugt,
wie in 7 gezeigt, bei welcher ein Bezugswiderstand 100 (ZREF)
zum Erzeugen eines negativen Rückkopplungssignals
im OP Amp 20 verwendet wird. Der Ausgang des OP Amp 20 kann
als Gleichung (9) ohne Rh-Faktor erhalten werden, damit die Sensorimpedanz
(ZS) präzise
berechnet werden kann.
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Die
Stellen, an welchen eine hohe Spannung im Fall eines Ausfalls eines
Bauteils angelegt wird, sind Ausgänge und Eingänge der
OP Amps 10 und 20, von welchen strombegrenzende
Widerstände
an den Sensor gekoppelt sind. Angenommen, dass alle anderen Bauteile
außer
den strombegrenzenden Widerständen (Rh)
ausgefallen sind und jeder Rh eine angelegte Spannung von 250 V
aufgewiesen hat, so kann die Anzahl der Stromwege fünf betragen.
Es wird erfordert den Strom durch den Sensor 1 zum Boden
(FG) auf 10 mA zu begrenzen. Die fünf strombegrenzenden Widerstände Rh können mehr
als 125 KΩ betragen,
um beispielsweise den Strom von jedem Rh auf 2 mA zu begrenzen.
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Zudem
hat der Bezugswiderstand 100 (ZREF) nichts mit der Eigensicherheit
zu tun und kann nahezu den gleichen Wert wie der Sensor aufweisen
(Dies hat die nächste
fünfte
Ausführungsform
gemein). Anstelle der Widerstände
kann er ein kapazitives Element sein.
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In
der oben beschriebenen dritten Ausführungsform wird die Messung
durch ein Strommessgerät
erzielt, und wegen der Abhängigkeit
der Präzision
von den Widerständen
(Rh), Kondensatoren (Ch) und den Sensorimpedanzen (ZS) ist es nicht
von Vorteil, nur den Ausgang des Op Amp der Speiseeinrichtung in 6 als
Gleichung (10) wie folgt zu messen.
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Dies
liefert keine präzise
Messung der ZS, da der Ausgang V Faktoren von Rh und Ch beinhaltet.
Daher wird die Verbesserung der dritten Ausführungsform der Erfindung bevorzugt,
wie in 8 gezeigt, einen Bezugswiderstand 100 (ZREF)
zum Erzeugen einer negativen Rückkopplung
für den
OP Amp 20 hinzuzufügen.
Der Ausgang des OP Amp 20 kann als Gleichung (11) ohne
Faktoren von Rh oder Ch erhalten werden, damit die Sensorimpedanz
(ZS) genau berechnet werden kann.
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Genau
wie in der vierten Ausführungsform
werden die strombegrenzenden Widerstände (Rh) und Sperrkondensatoren
(Ch) zwischen den Ausgängen
des OP Amp 10 und 20 und dem Sensor 1 zur
Eigensicherheit eingestellt. Angenommen, dass alle anderen Bauteile
außer
den strombegrenzenden Widerständen (Rh)
oder Sperrkondensatoren (Ch) ausgefallen sind und jeder Rh und Ch
eine angelegte Spannung von 250 V aufgewiesen hat, so kann die Anzahl
der Stromwege so viel wie zehn betragen. Es wird erfordert den Strom durch
den Sensor zum Boden (FG) auf 10 mA zu begrenzen. Die fünf strombegrenzenden
Widerstände
Rh können
mehr als 250 KΩ betragen,
um den Strom von jedem strombegrenzenden Widerstand Rh auf 1 mA
zu begrenzen, und jeder Sperrkondensator Ch kann, ähnlich wie
im vorangehenden Beispiel, weniger als 10 nF betragen.
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Zudem
beschränken
die oben angemerkten Parameter von Rh und Ch diese Erfindung nicht.
Außerdem
kann die beinhaltete Sicherheitsbarriere in der Schaltung in Fabriken,
Herstellungsverfahren oder Laboren in besonders gefährlichen
Umgebungen (beispielsweise gasförmig,
entzündbar,
etc.) angewendet werden.
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Zwar
wurde die Erfindung bezüglich
bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben, aber jemand mit technischen Fähigkeiten wird erkennen, dass
die Erfindung mit einer Änderung
innerhalb des Wesens und Bereichs der anhängenden Ansprüche ausgeübt werden
kann.
