Elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe Electrical or electronic safety module
Die Erfindung betrifft eine elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe, die über zumindest eine Versorgungsleitung mit zumindest einer in einem explosionsgefährdeten Bereich nachgeschalteten Komponente verbunden ist und diese schützt, indem sie die Leistungszufuhr über die Versorgungsleitung in Abhängigkeit von der in dem explosionsgefährdeten Bereich geforderten Zündschutzart überwacht, wobei die zumindest eine nachgeschaltete Komponente derart getaktet betrieben wird, dass ihre Einschaltdauer kleiner ist als die Periodendauer der Taktung. The invention relates to an electrical or electronic safety module, which is connected via at least one supply line with at least one downstream in a hazardous area component and this protects by monitoring the power supply via the supply line in dependence on the required in the hazardous area Zündschutzart, the at least one downstream component is operated clocked such that their duty cycle is smaller than the period of the clocking.
Insbesondere im Bereich der Automatisierungstechnik, sowohl der Fabrik- als auch der Prozessautomatisierungstechnik, spielt die Zündschutzart eines in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzten Geräts eine wichtige Rolle. Die Zündschutzart soll das Risiko ausschalten, dass in einer Particularly in the field of automation technology, both factory and process automation technology, the type of protection of a device used in a potentially explosive area plays an important role. The type of protection should eliminate the risk that in one
explosionsfähigen bzw. explosionsgefährdeten Atmosphäre eine Zündquelle auftritt, die eine Explosion auslösen kann. Bei den in der Mess- und explosive or potentially explosive atmospheres, an ignition source that can cause an explosion occurs. In the in the measuring and
Automatisierungstechnik verwendeten Zündschutzarten wird entweder das Vorhandensein der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert, z.B. indem das Gerät durch eine Kapselung oder einen Verguss geschützt ist, oder aber das Auftreten von Zündquellen wird prinzipiell unterbunden. Either the presence of the explosive atmosphere is prevented, e.g. by the device is protected by an encapsulation or a potting, or the occurrence of ignition sources is in principle prevented.
Eine in der Automatisierungstechnik, insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie, äußerst wichtige Zündschutzart ist die One of the most important types of protection in automation technology, especially in the chemical and petrochemical industries, is the
Zündschutzart Ex-i. Geräte mit der Zündschutzart Ex-i sind eigensicher ausgestaltet, d.h. aufgrund von speziellen Konstruktionsprinzipien ist bei Ihnen sichergestellt, dass selbst im Fehlerfall nicht die Gefahr einer Explosion in einer explosionsfähigen Atmosphäre besteht. In eigensicheren Geräten sind der zugeführte Strom und die angelegte Spannung und damit die zugeführte Leistung so gering bemessen, dass eine Funkenbildung beim Schalten oder bei einem Kurzschluss nicht für die Zündung der explosionsfähigen Type of protection Ex-i. Devices with type of protection Ex-i are intrinsically safe, i. Due to special design principles, it is ensured that even in the event of a fault, there is no risk of explosion in an explosive atmosphere. In intrinsically safe devices, the supplied current and the applied voltage and thus the supplied power are so small that a sparking during switching or in the event of a short circuit is not sufficient for the ignition of the explosive
Atmosphäre ausreicht. Die Vorteile von eigensicheren Geräte sind darin zu
sehen, dass hier aufwändige Gehäusekonstruktionen entfallen und Atmosphere is sufficient. The advantages of intrinsically safe devices are in it too see that here elaborate housing designs omitted and
Wartungsarbeiten auch während des laufenden Betriebs durchgeführt werden können. Es ist eine Besonderheit der Zündschutzart Ex i ist, dass hier der Ex-Schutz in der Regel außerhalb des Ex-Bereichs realisiert. Insbesondere werden die in den Ex-Bereich führenden Leitungen durch sog. Ex-Barrieren gesichert. Die Ex-Barrieren begrenzen Strom und Spannung und sind so bemessen, dass der Stromkreis nicht zündfähig ist und die zu schützende nachgeschaltete Komponente nur mit einer geeignet begrenzten Leistung versorgt werden. Maintenance work can also be carried out during operation. It is a special feature of the type of protection Ex i that the explosion protection is usually implemented outside the Ex area. In particular, the lines leading into the Ex area are protected by so-called ex-barriers. The Ex-barriers limit current and voltage and are dimensioned such that the circuit is not ignitable and the downstream component to be protected is only supplied with a suitably limited power.
Bei eigensicheren Geräten muss darüber hinaus sichergestellt sein, dass die Oberflächentemperatur der mit der explosionsfähigen Atmosphäre in Kontakt kommenden Komponenten auf vorgegebene Maximalwerte begrenzt ist. Für eine Elektronik bedeutet dies, dass die Oberflächentemperatur der einzelnen Komponenten oder - wenn die Elektronik vergossen ist - die Oberflächentemperatur der vergossenen Elektronik begrenzt ist. Um dieser Forderung Genüge zu tun, wird bislang die Leistung einzelner Komponenten oder auch einzelner Gebiete, zu denen mehrere Komponenten zusammengefasst sein können, begrenzt. Darüber hinaus sind benachbarte Komponenten oder Gebiete voneinander beabstandet, wobei der Abstand zwischen den For intrinsically safe devices, it must also be ensured that the surface temperature of the components in contact with the explosive atmosphere is limited to specified maximum values. For electronics, this means that the surface temperature of the individual components or, if the electronics are potted, the surface temperature of the encapsulated electronics is limited. In order to meet this requirement, so far the performance of individual components or individual areas, to which several components can be combined, limited. In addition, adjacent components or regions are spaced apart, with the distance between them
Komponenten und/oder Gebieten so bemessen ist, dass eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen ist. Die Begrenzung der Oberflächentemperatur wird durch entsprechend abgestimmte Vor- oder Begrenzungswiderstände gewährleistet. Components and / or areas is dimensioned so that a mutual influence is excluded. The limitation of the surface temperature is ensured by correspondingly matched pre- or limiting resistances.
Die zuvor beschriebene Art der Begrenzung der Oberflächentemperatur hat den prinzipiellen Nachteil, dass die Leistung in Abhängigkeit von den Voroder Begrenzungswiderständen von einzelnen Komponenten oder Gebieten stark begrenzt werden muss. Daher ist es nicht möglich, unter der The above-described type of limiting the surface temperature has the fundamental disadvantage that the power must be severely limited depending on the Voroder limiting resistors of individual components or areas. Therefore, it is not possible under the
Zündschutzart Ex-i Komponenten mit großem Vor- oder Begrenzungswiderstand bei hohem Leistungsbedarf zu betreiben.
Bei den bekannten Lösungen ist das gleiche Problem gegeben, wenn das eigensichere Gerät, insbesondere also ein Feldgerät, getaktet betrieben wird. Taktung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Einschaltdauer kleiner ist als die Periodendauer der Taktung. Bei einer getaktet betriebenen Type of protection Ex-i To operate components with high pre- or limiting resistance at high power requirement. In the known solutions, the same problem is given when the intrinsically safe device, in particular a field device, is operated clocked. Clocking in this context means that the duty cycle is less than the period of the clocking. In a clocked operated
Komponente ist es möglich, die mittlere Leistungsaufnahme des Geräts für die Berechnung der Oberflächentemperatur heranzuziehen. Die mittlere Leistung PAV errechnet sich zu Component it is possible to use the average power consumption of the device for the calculation of the surface temperature. The mean power P AV is calculated to
PAV = P mix ■ (Einschaltdauer/Periodendauer) + P* und ist damit über das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer regulierbar. In der Formel kennzeichnet P* die Summe der Leistungen ist, die über weitere Verbindungsleitungen, wie Signal-, Steuer- und Kommunikationsleitungen übertragen werden. Der entsprechende Sachverhalt ist in den Figuren Fig. 2a und Fig. 2b dargestellt. Konkret gibt die Taktung also dieP AV = P mix ■ (duty cycle / period) + P * and is thus adjustable over the ratio of duty cycle to period duration. In the formula, P * denotes the sum of the powers that are transmitted via further connecting lines, such as signal, control and communication lines. The corresponding situation is shown in FIGS. 2a and 2b. Specifically, the timing is the
Möglichkeit, auch sehr hohe Energiemengen in den Ex-Bereich zu übertragen, wenn das Verhältnis von Einschaltdauer und Periodendauer entsprechend ausgelegt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische oder elektronische Sicherheitsbaugruppe vorzugschlagen, die eine korrekte Leistungsübertragung in den explosionsgefährdeten Bereich sicherstellt. Possibility to transfer even very high amounts of energy into the hazardous area, if the ratio of duty cycle and period are designed accordingly. The invention has the object of proposing an electrical or electronic safety module, which ensures a correct power transmission in the hazardous area.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass es sich bei der elektrischen oder elektronischen Sicherheitsbaugruppe um zumindest eine zeitgesteuerteThe object is achieved in that the electrical or electronic safety module is at least one time-controlled
Crowbar bzw. einen zeitgesteuerter Kurzschlussschalter handelt, wobei die Crowbar so ausgestaltet ist, dass sie die Einschaltdauer der zumindest einen nachgeschalteten elektronischen Komponente und die Periodendauer der Taktung und damit die Leistungszufuhr derart überwacht, dass eine in dem explosionsgefährdeten Bereich vorgegebene maximal zulässige
Oberflächentemperatur der zumindest einen nachgeschalteten Komponente nicht überschritten wird. Crowbar or a time-controlled short-circuit switch, wherein the Crowbar is configured so that it monitors the duty cycle of the at least one downstream electronic component and the period of the clocking and thus the power supply such that a predetermined in the hazardous area maximum allowable Surface temperature of at least one downstream component is not exceeded.
Erfindungsgemäß erfolgt also eine sicherheitstechnische Überwachung von vorgegebener Einschaltdauer zu vorgegebener Periodendauer der According to the invention, therefore, a safety-related monitoring of a predetermined duty cycle for a given period of time takes place
nachgeschalteten getaktet betriebenen Komponente. Hierzu wird eine zeitgesteuerte Crowbar verwendet. Downstream clocked operated component. A timed crowbar is used for this.
Da gemäß der erfindungsgemäßen Lösung nicht mehr eine Spannungs- und Strom Überwachung für die kontrollierte Leistungszufuhr in den Since according to the inventive solution no longer a voltage and current monitoring for the controlled power supply in the
explosionsgefährdeten Bereich durchgeführt wird, sondern da erfindungsgemäß die Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Einschaltdauer bzw. einer vorgegebenen minimalen Periodendauer überwacht wird, ist es möglich, kurzzeitig eine erhöhte Leistung in den explosionsgefährdeten Bereich zu übertragen. Da die Crowbar die Einhaltung beider Zeitdauern überwacht, ist die Gefahr ausgeschlossen, dass im Fehlerfall eine maximale Oberflächentemperatur der überwachten nachgeschalteten Komponente überschritten wird. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die nachgeschaltete Komponente relativ langsam auf einen Temperatursprung reagiert, wenn also die nachgeschaltete Komponente eine relativ hohe thermische Trägheit aufweist. Hierdurch wird garantiert, dass eine kurzzeitig gesteigerte Leistungsübertragung in den explosionsgefährdeten Bereich möglich ist, ohne dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur überschritten wird. Der mit der Leistungszufuhr einhergehende Verlauf der Oberflächentemperatur ist übrigens in Figur Fig. 2c visualisiert. explosion-prone area is performed, but since according to the invention, the observance of a predetermined maximum duty cycle or a predetermined minimum period is monitored, it is possible to temporarily transmit an increased power in the hazardous area. Since the crowbar monitors compliance with both time periods, there is no risk of a maximum surface temperature of the monitored downstream component being exceeded in the event of a fault. It is particularly advantageous in this context if the downstream component reacts relatively slowly to a temperature jump, that is, if the downstream component has a relatively high thermal inertia. This guarantees that a short-term increase in power transmission to the hazardous area is possible without exceeding the maximum permissible surface temperature. Incidentally, the course of the surface temperature accompanying the power supply is visualized in FIG. 2c.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass eine kurzzeitig erhöhte Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich erfolgen kann. Kurzzeitig bedeutet hierbei, dass das Verhältnis von The advantage of the solution according to the invention is the fact that a short-term increased power supply can take place in the potentially explosive area. For a short time, this means that the ratio of
Einschaltdauer und Periodendauer so bemessen ist, dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur der nachgeschalteten Komponente nicht überschritten wird. Die Einhaltung von Einschaltdauer und Periodendauer wird
über die zeitgesteuerte Crowbar garantiert. So benötigen beispielsweise die nachfolgend noch näher beschriebenen Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte kurzzeitig für den Betrieb 1 Watt. Mit der zeitüberwachten getakteten Duty cycle and period is such that the maximum permissible surface temperature of the downstream component is not exceeded. Compliance with duty cycle and period is guaranteed over the timed Crowbar. For example, the microwave level gauges to be described in more detail below require briefly 1 watt for operation. With the time-monitored clocked
EnergeLeistungsversorgung können diese hohen Leistungen auch im explosionsgefährdeten Bereich zur Verfügung gestellt werden. Bei EnergeLeistungsversorgung this high performance can be made available even in hazardous areas. at
Feldgeräten, die eine weniger hohe Betriebsenergie benötigen kann über die erfindungsgemäße Lösung die Messrate und damit die Messgenauigkeit erhöht werden. Je höher weiterhin die thermische Trägheit der Field devices that require less operating energy can be increased via the inventive solution, the measurement rate and thus the measurement accuracy. The higher the thermal inertia of the
nachgeschalteten Komponente - mit oder ohne Verguss - ist, umso höher kann die gepulste Leistungszufuhr ausfallen. downstream component with or without encapsulation, the higher the pulsed power supply may be.
Folgende Voraussetzungen sind im Hinblick auf die Erfindung zu beachten: a) Die thermische Trägheit der nachgeschalteten Komponente oder des nachgeschalteten Gebiets muss durch geeignete With regard to the invention, the following prerequisites must be taken into account: a) The thermal inertia of the downstream component or of the downstream area must be determined by suitable means
Temperaturmessungen in einem Typtest nachgewiesen werden. Temperature measurements can be detected in a type test.
Hierbei darf sich einerseits die Oberflächentemperatur der On the one hand, the surface temperature of the
nachgeschalteten Komponente bzw. des nachgeschalteten Gebiets während der Einschaltdauer nur geringfügig erhöhen; andererseits darf die maximale zulässige Oberflächentemperatur der nachgeschalteten increase the downstream component or the downstream area only slightly during the duty cycle; On the other hand, the maximum permissible surface temperature may be the downstream one
Komponente bzw. des nachgeschalteten Gebiets nicht überschritten werden. b) Die Überwachung von Einschaltdauer und Periodendauer wird durch zumindest eine zeitgesteuerte Crowbar bzw. einen zeitgesteuertenComponent or the downstream area are not exceeded. b) The monitoring of duty cycle and period is by at least one time-controlled crowbar or a timed
Kurzschlussschalter sichergestellt. Erfindungsgemäß wird Short-circuit switch ensured. According to the invention
sichergestellt, dass auch bei Auftreten eines Fehlerfalls bei der ensures that even if an error occurs in the
Taktung, z.B. verursacht durch den Mikroprozessor, die erlaubte Oberflächentemperatur im Mittel nicht überschritten wird. Timing, e.g. caused by the microprocessor, the allowed surface temperature on average is not exceeded.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine externe Steuereinheit vorgesehen, die die über die zumindest eine Versorgungsleitung
übertragene und von der zumindest einen zeitgesteuerten Crowbar According to an advantageous embodiment of the invention, an external control unit is provided, which via the at least one supply line transmitted and by the at least one timed crowbar
überwachte Leistungszufuhr derart steuert, dass die Einschaltdauer der nachgeschalteten Komponente maximal ist, während die Periodendauer minimal ist. Hierbei ist die zeitgesteuerte Crowbar nicht aktiv, so dass die Leistungszufuhr nicht abgeschaltet wird. Erst im Fehlerfall, wenn die maximal erlaubte Einschaltdauer überschritten wird, macht die Crowbar einen monitored power supply controls such that the duty cycle of the downstream component is maximum, while the period is minimal. Here, the timed Crowbar is not active, so the power is not turned off. Only in case of error, when the maximum allowed duty cycle is exceeded, does the Crowbar one
Kurzschluss und verhindert so die Zufuhr einer eine Explosion auslösenden Leistung in den explosionsgefährdeten Bereich. Die Crowbar kann sowohl reversibel als auch irreversibel ausgestaltet sein. Eine vorteilhafte Short circuit, thus preventing the supply of an explosive power in the hazardous area. The crowbar can be both reversible and irreversible. An advantageous
Ausgestaltung sieht vor, dass das Auftreten eines Fehlerfalls von der Embodiment provides that the occurrence of an error case of the
Steuereinheit registriert wird. Nachfolgend wird eine Fehlermeldung generiert, die z. B. dem Bedienpersonal angezeigt wird. Control unit is registered. Subsequently, an error message is generated, the z. B. the operator is displayed.
Insbesondere handelt es sich bei der Crowbar um eine Sicherheitsbaugruppe, die so ausgelegt ist, dass sie zur Begrenzung eines eigensicheren In particular, the crowbar is a safety assembly that is designed to limit intrinsic safety
Stromkreises einschließlich der höchsten Zündschutzart, z. B. der Circuit including the highest type of protection, eg. B. the
Zündschutzart Ex ia, dient. Type of protection Ex ia, used.
Im Zusammenhang mit dem Zuvorgesagten wird es darüber hinaus als vorteilhaft oder notwendig angesehen, wenn die Crowbar mehrfach redundant ausgestaltet ist, wobei die Anzahl der redundanten Crowbars pro In connection with the predicted, it is also considered advantageous or necessary if the crowbar is designed to be redundantly redundant, the number of redundant crowbars per
Versorgungsleitung in Abhängigkeit von der in dem explosionsgefährdeten Bereich geltenden Zündschutzart zu wählen ist. Bei hohen Supply line must be selected depending on the type of protection applicable in the potentially explosive area. At high
Sicherheitsanforderungen ist üblicherweise eine dreifache Redundanz pro zu sichernder Leitung vorgesehen. Security requirements are usually provided a triple redundancy per line to be secured.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sicherheitsbaugruppe bzw. der erfindungsgemäßen zeitgesteuerten Crowbar sieht vor, dass die Crowbar einen Transistor oder einen Thyristor aufweist, der die Eigenschaft besitzt, dass er bei einer Spannung über Gate und Source gleich Null zwischen Drain und Source niederohmig ist. Damit ist der Leistungsverbrauch der Crowbar außerhalb des Fehlerfalls sehr gering. Als besonders wichtig wird
es erachtet, dass die Schaltung auch bei kleiner Betriebsspannung den sicheren Zustand einnehmen kann. An advantageous embodiment of the safety module according to the invention or the time-controlled crowbar according to the invention provides that the crowbar has a transistor or a thyristor, which has the property that it is low impedance at a voltage across the gate and source equal to zero between drain and source. Thus, the power consumption of the Crowbar is very low outside the error case. As particularly important it considers that the circuit can assume the safe state even at low operating voltage.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass die überwachte nachgeschaltete Komponente bzw. die überwachten nachgeschalteten Komponenten einem Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße An advantageous embodiment of the inventive solution provides that the monitored downstream component or the monitored downstream components of a field device for determining and / or monitoring a physical or chemical process variable
zugeordnet ist. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrlei- tungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah in einer Fabrik- oder Prozessanlage eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben. assigned. Sensors such as level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity, are used to record process variables. To influence process variables are actuators, such as valves or pumps, via the flow of a liquid in a pipeline section or the level can be changed in a container. Field devices are in principle all devices that are used close to the process in a factory or process plant and that provide or process process-relevant information. In the context of the invention, field devices are therefore also understood to mean, in particular, remote I / Os, radio adapters or general devices which are arranged on the field level. A variety of such field devices is manufactured and sold by the company Endress + Hauser.
Die erfindungsgemäße Lösung ist darüber hinaus auch für die Sicherung der Leistungszufuhr in einen explosionsgefährdeten Bereich bei volldigitalen Mobilfunk-Übertragungen bestens geeignet. Erwähnt sei in diesem The solution according to the invention is also very suitable for securing the power supply in a potentially explosive area in the case of fully digital mobile radio transmissions. Mention should be made in this
Zusammenhang explizit der häufig verwendete Standard GSM - Global System for Mobile Communications. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung generell angewendet werden kann, wenn ein getakteter Betrieb einer Komponente in einem explosionsgefährdeten Bereich vorliegt.
Als besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Lösung in Verbindung mit einem Mikrowellen-Radar-Messgerät angesehen. Bekannte Füllstandsmessgeräte arbeiten nach einem Laufzeitverfahren. Laufzeitverfahren nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal, und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. der digitalisierten Hüllkurve bestimmt, wobei die Hüllkurve die Amplituden der Echosignale als Funktion des Abstandes 'Antenne - Oberfläche des Füllguts' wiedergibt. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne zum Boden des Behälters und dem durch die Messung Context explicitly the commonly used standard GSM - Global System for Mobile Communications. It goes without saying that the invention can generally be used when there is a clocked operation of a component in a potentially explosive area. The solution according to the invention is considered to be particularly advantageous in conjunction with a microwave radar measuring device. Known level gauges work according to a transit time method. Runtime methods exploit the physical law, according to which the running distance is equal to the product of transit time and propagation speed. In the case of level measurement, the running distance is twice the distance between the antenna and the surface of the medium. The useful echo signal, ie the signal reflected on the surface of the medium, and its transit time are determined by means of the so-called echo function or the digitized envelope, wherein the envelope reproduces the amplitudes of the echo signals as a function of the distance 'antenna - surface of the medium'. The level itself then results from the difference between the known distance of the antenna to the bottom of the container and by the measurement
bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts zur Antenne. certain distance of the surface of the medium to the antenna.
Es können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Messsignale zu bestimmen. Handelt es sich bei den Messsignalen um Mikrowellen, so kann sowohl das Pulsradar als auch das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar) zum Einsatz kommen. Mikrowellenmessgeräte, die Pulsradar verwenden, werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung 'MICROPILOT' vertrieben. Ein Gerätetyp, der mit Ultraschallsignalen arbeitet, wird von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung 'PROSONIC' angeboten. In der Fig. 1 ist ein Füllstandsmessgerät im Einsatz dargestellt. All known methods can be used which make it possible to determine relatively short distances by means of reflected measuring signals. If the measuring signals are microwaves, then both the pulse radar and the frequency modulation continuous wave radar (FMCW radar) can be used. Microwave measuring devices using pulse radar are marketed by the applicant, for example, under the name 'MICROPILOT'. A device type that works with ultrasound signals is offered by the applicant, for example, under the name 'PROSONIC'. In Fig. 1, a level gauge is shown in use.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass das Mikrowellen-Radar-Messgerät eine Antenneneinheit, ein Hochfrequenzmodul und eine Sensorelektronik aufweist, wobei das Hochfrequenzmodul die hochfrequenten Messsignale erzeugt, wobei über die Antenneneinheit die hochfrequenten Messsignale ausgesendet bzw. die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten hochfrequenten Messsignale empfangen werden, und wobei die Sensorelektronik anhand der Laufzeitdifferenz zwischen den
ausgesendeten und den empfangenen hochfrequenten Messsignalen den Füllstand des Füllguts in dem Behälter ermittelt. A further development of the solution according to the invention provides that the microwave radar measuring device has an antenna unit, a high-frequency module and a sensor electronics, wherein the high-frequency module generates the high-frequency measurement signals, which emitted via the antenna unit, the high-frequency measurement signals or reflected on the surface of the medium high-frequency measurement signals are received, and wherein the sensor electronics based on the transit time difference between the emitted and the received high-frequency measurement signals determines the level of the contents in the container.
Hierbei sind die Sensorelektronik und das Hochfrequenzmodul voneinander beabstandet, wobei die Energieübertragung von der Sensorelektronik zu dem Hochfrequenzmodul über die zumindest eine Versorgungsleitung erfolgt. Die Kommunikationsdaten zwischen der Sensorelektronik und dem Here, the sensor electronics and the high-frequency module are spaced from each other, wherein the energy transfer from the sensor electronics to the high-frequency module via the at least one supply line. The communication data between the sensor electronics and the
Hochfrequenzmodul werden über zumindest eine Signalleitung übertragen. Hierbei ist die Sensorelektronik eigensicher ausgestaltet. High frequency module are transmitted via at least one signal line. Here, the sensor electronics is configured intrinsically safe.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts sieht vor, dass die zumindest eine Versorgungsleitung über zumindest eine gesteuerte Crowbar bzw. über zumindest einen gesteuerten An advantageous embodiment of the fill level measuring device according to the invention provides that the at least one supply line via at least one controlled Crowbar or via at least one controlled
Kurzschlussschalter gesichert ist, während die weiterhin vorhandenen Signalleitungen und ggf. weitere Übertragungsleitungen über in die Signal- und Übertragungsleitungen geschaltete Widerstände hinsichtlich einer maximalen Leitungszufuhr begrenzt sind. Hierbei ist sicherzustellen, dass die maximal erlaubte, mittlere Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich so bemessen ist, dass die Kriterien für die vorgegebene Short circuit switch is secured while the remaining signal lines and possibly further transmission lines are limited via switched into the signal and transmission lines resistors with respect to a maximum line supply. It must be ensured that the maximum permissible mean power supply to the potentially explosive area is such that the criteria for the given
Zündschutzart erfüllt sind. Type of protection are fulfilled.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Füllstandsmessgeräts, 1 shows a schematic representation of a level gauge,
Fig. 2a: den Verlauf der Betriebsspannung auf den Versorgungsleitungen 8 aus Fig. 3, 2a shows the course of the operating voltage on the supply lines 8 of FIG. 3,
Fig. 2b: einem dem Verlauf der Betriebsspannung (Fig. 2a) entsprechenden Leistungsverlauf,
Fig. 2c: ein typischer Verlauf der Oberflächentemperatur des in Fig. 3 gezeigten Bauelements 13, FIG. 2b shows a performance curve corresponding to the course of the operating voltage (FIG. 2a), FIG. FIG. 2c shows a typical profile of the surface temperature of the component 13 shown in FIG. 3, FIG.
Fig. 3: eine schematische Darstellung der Sicherheitsbaugruppe, wobei pro Versorgungsleitung jeweils ein erfindungsgemäßer zeitgesteuerter Crowbar eingesetzt wird, und 3 shows a schematic representation of the safety module, wherein in each case one inventive time-controlled crowbar is used per supply line, and
Fig. 4: ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen zeitgesteuerten 4 shows a block diagram of a timed control according to the invention
Crowbars. Crowbars.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandsmessgeräts 6, bei dem die erfindungsgemäße Lösung bevorzugt zum Einsatz kommt. In dem Behälter 1 ist das Füllgut 2 gelagert Der Füllstand des Füllguts 2 in dem Behälter 1 wird mittels des Füllstandsmessgeräts 6 über ein Laufzeitverfahren ermittelt. Im gezeigten Fall ist die Antenneneinheit 10 mit Signalerzeugungs-, Sende- und Empfangseinheit räumlich von der Regel-/Auswerteeinheit 9 abgesetzt. Der Datenaustausch und die Stromversorgung zwischen dem die Signale erzeugenden Hochfrequenzmodul 12 und der Sensorelektronik 9 erfolgt über die Verbindungsleitungen 7, 8. Es versteht sich von selbst, dass in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung als Füllstandsmessgerät 6 auch ein Kompaktgerät eingesetzt werden kann. Fig. 1 shows a schematic representation of a level measuring device 6, in which the solution according to the invention is preferably used. The filling material 2 is stored in the container 1. The filling level of the filling material 2 in the container 1 is determined by means of the filling level measuring device 6 via a transit time method. In the case shown, the antenna unit 10 with signal generating, transmitting and receiving unit is spatially offset from the control / evaluation unit 9. The data exchange and the power supply between the high-frequency module generating the signals 12 and the sensor electronics 9 via the connecting lines 7, 8. It goes without saying that in conjunction with the present invention as a level gauge 6, a compact device can be used.
Die Antenneneinheit 10 ist in der Öffnung 5 im Deckel 4 des Behälters 1 montiert ist. Über die Antenneneinheit 10 werden Messsignale Tx, insbesondere Mikrowellen, in Richtung der Oberflächennormalen des Füllguts 2 abgestrahlt. Die reflektierten Echosignale Rx werden in der Antenneneinheit 10 empfangen. Anhand der Laufzeit der Messsignale Tx / Echosignale Rx ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit 9 u.a. den aktuellen Füllstand des The antenna unit 10 is mounted in the opening 5 in the lid 4 of the container 1. Measurement signals Tx, in particular microwaves, are radiated in the direction of the surface normal of the filling material 2 via the antenna unit 10. The reflected echo signals Rx are received in the antenna unit 10. Based on the duration of the measurement signals Tx / echo signals Rx determines the control / evaluation unit 9 u.a. the current level of the
Füllguts 2 in dem Behälter 1 .
Fig. 2a zeigt den Verlauf der getakteten Betriebsspannung Vst auf den Filling material 2 in the container 1. Fig. 2a shows the course of the pulsed operating voltage Vst on the
Versorgungsleitungen 8 aus Fig. 3. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Einschaltdauer t nur einen Bruchteil der Periodendauer T beträgt. In Fig. 2b ist der dem Verlauf der Betriebsspannung aus Fig. 2a entsprechende Supply lines 8 of Fig. 3. From the figure it can be seen that the duty cycle t is only a fraction of the period T. In Fig. 2b is the corresponding to the course of the operating voltage of Fig. 2a
Leistungsverlauf dargestellt. Die PAV errechnet sich zu Performance history shown. The P AV is calculated to
PAV = Ρ ^ ■ (Einschaltdauer t / Periodendauer T) + P* P AV = Ρ ^ ■ (duty cycle t / period T) + P *
Hierbei entspricht P* der Summe der Leistungen, die über die Signal-, Steuer- und Kommunikationsleitungen 7 übertragen werden. Dieser Sachverhalt ist in den Figuren Fig. 2a und Fig. 2b dargestellt. Here, P * corresponds to the sum of the powers that are transmitted via the signal, control and communication lines 7. This situation is illustrated in FIGS. 2a and 2b.
Fig. 2c zeigt den typischen Verlauf der Oberflächentemperatur T des in Fig. 3 gezeigten Bauelements 14. 7^ kennzeichnet hierbei die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauelements 14 in dem explosionsgefährdeten Bereich. Die gestrichelte Linie kennzeichnet die mittlere Oberflächentemperatur, die durch die mittlere zulässige Leistung PAV verursacht wird. Für die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils 14 wird die maximal zulässige elektrische Leistung PAV und die durch die Crowbar 1 1 überwachte maximale Einschaltdauer t und die minimale Periodendauer T herangezogen. Die Crowbar 1 1 stellt die Einhaltung der vorbestimmten maximalen Einschaltdauer t bzw. der minimalen Periodendauer T sicher. Falls die der Sensorelektronik 9 zugeordnete Steuereinheit fehlerhaft die FIG. 2 c shows the typical profile of the surface temperature T of the component 14 shown in FIG. 3. In this case, 7 denotes the maximum permissible surface temperature of the component 14 in the potentially explosive area. The dashed line indicates the average surface temperature caused by the mean allowable power P AV . For the maximum permissible surface temperature of the component 14, the maximum permissible electrical power P AV and the monitored by the crowbar 1 1 maximum duty cycle t and the minimum period T is used. The crowbar 1 1 ensures compliance with the predetermined maximum duty cycle t or the minimum period T. If the sensor electronics 9 associated control unit faulty the
Einschaltdauer t zu lang bzw. die Periodendauer T zu kurz macht, verhindert die zeitgesteuerte Crowbar 1 1 durch einen Kurzschluss, dass die mittlere zulässige Leistung PAV bzw. die erlaubte Oberflächentemperatur 7^ in dem explosionsgefährdeten Bereich überschritten werden. Duty cycle t too long or makes the period T too short, prevents the timed Crowbar 1 1 by a short circuit that the average allowable power P AV or the permitted surface temperature 7 ^ be exceeded in the hazardous area.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Leistungsbegrenzung, wobei jeweils ein erfindungsgemäßer zeitgesteuerter Crowbar 1 1 pro Versorgungsleitung 8 vorgesehen ist. Die Sensorelektronik 9 wird mit einer begrenzten
Leistung versorgt. Die Leistungsbegrenzung wird über entsprechendeFIG. 3 shows a schematic representation of the power limitation, wherein in each case an inventive time-controlled crowbar 1 1 per supply line 8 is provided. The sensor electronics 9 is limited Power supplied. The power limitation is via appropriate
Widerstände im Klemmenmodul oder in einer vorgeschalteten, in der Fig. 3 nicht gesondert dargestellten Elektronik realisiert. Die Eigensicherheit der Schnittstelle 17 wird über die Widerstände 15 der Schnittstelle 17 Resistors realized in the terminal module or in an upstream, not shown separately in Fig. 3 electronics. The intrinsic safety of the interface 17 is via the resistors 15 of the interface 17th
gewährleistet. Neben den Versorgungsleitungen 8 sind zwischen der guaranteed. In addition to the supply lines 8 are between the
Sensorelektronik 9 und dem HF-Modul 12 sechs weitere Leitungen 7 vorgesehen. Die beiden oberen Leitungen 7 dienen zur Übermittlung des Hochfrequenzsignals HF und des Zwischenfrequenzsignals ZF. Bei den vier weiteren Leitungen 7 handelt es sich um Steuerleitungen. Die Widerstände 14 sind im Hinblick auf die Eigensicherheit entsprechend hochohmig ausgelegt. Sensor electronics 9 and the RF module 12 six more lines 7 are provided. The two upper lines 7 are used to transmit the high-frequency signal HF and the intermediate frequency signal ZF. The four further lines 7 are control lines. The resistors 14 are designed according to high intrinsic safety in terms of intrinsic safety.
Die in die beiden Versorgungsleitungen 8 geschalteten Crowbars 1 1 überwachen den zeitlichen Verlauf der Energieversorgung. Die Taktung selbst, d.h. das Verhältnis von Einschaltdauer t zu Periodendauer T, wird durch die Steuereinheit 9 vorgegeben. Der Steuereinheit 9 ist eine Intelligenz, üblicherweise ein Mikroprozessor 16, zugeordnet. Die Crowbars 1 1 The switched in the two supply lines 8 Crowbars 1 1 monitor the timing of the power supply. The timing itself, i. the ratio of duty cycle t to period T, is specified by the control unit 9. The control unit 9 is an intelligence, usually a microprocessor 16, assigned. The Crowbars 1 1
überwachen, dass das vorgegebene Verhältnis von Einschaltdauer t zu Periodendauer T eingehalten wird. Tritt ein Fehlerfall auf, und der monitor that the predetermined ratio of duty cycle t to period T is met. If an error occurs, and the
Mikroprozessor 16 macht die Einschaltdauer t zu lang oder die Periodendauer T zu kurz, so schließt der entsprechende zeitgesteuerte Crowbar 1 1 dieMicroprocessor 16 makes the duty cycle t too long or the period T too short, the corresponding time-controlled crowbar 1 1 closes the
Versorgungsleitung 8 kurz. Durch den Kurzschluss wird die Leistungszufuhr in den explosionsgefährdeten Bereich gänzlich unterbrochen. Die Unterbrechung durch den Crowbar 1 1 kann reversibel oder irreversibel sein. Anhand von Fig. 4 wird die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen zeitgesteuerten Crowbars 1 1 in der Versorgungsleitung 8 verdeutlicht. Die Energieübertragung erfolgt von einem explosionsgefährdeten Bereich C4 in einen explosionsgefährdeten Bereich C6. Über die Steuerspannung Vst - es handelt sich im gezeigten Fall um eine Rechteckspannung - wird unmittelbar vor dem Schließen des Schalters S die Crowbar 1 1 für die Einschaltdauer t der nachgeschalteten Komponenten 12 hochohmig geschaltet. Die maximale Leistung, die in den Bereich C6 übertragen wird, errechnet sich mit einem
Begrenzungswiderstand Rbeg. = 5 Ohm, einer Einschaltdauer von t = 2ms und einer Periodendauer T = 200 mittels nachfolgender Formel zu 22,5mW. Supply line 8 short. Due to the short circuit, the power supply to the hazardous area is completely interrupted. The interruption by the crowbar 1 1 may be reversible or irreversible. Based on Fig. 4, the operation of a timed Crowbars 1 1 according to the invention is illustrated in the supply line 8. The energy is transferred from a potentially explosive area C4 to a hazardous area C6. About the control voltage Vst - it is in the case shown, a square-wave voltage - is immediately before the closing of the switch S, the crowbar 1 1 for the duty cycle t of the downstream components 12 connected to high impedance. The maximum power, which is transferred in the range C6, is calculated with a Limiting resistance Rbeg. = 5 ohms, a duty cycle of t = 2ms and a period T = 200 using the formula below to 22.5mW.
U2 U 2
2 · Rbeg. 2 · Rbeg.
Mit einem Begrenzungswiderstand von 5 Ohm hätte die in den explosionsgefährdeten Bereich C6 ohne die zeitliche Einschaltbegrenzung nur 2,25mW betragen. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es daher möglich, die in den explosionsgefährdeten Bereich übertragene Leistung erheblich zu steigern. With a limiting resistor of 5 ohms, without the time-limited limit, it would have been only 2.25mW in the hazardous area C6. By means of the solution according to the invention, it is therefore possible to considerably increase the power transmitted to the potentially explosive area.
Unter den Randbedingungen, dass die Bauteile - mit oder ohne Verguss - eine genügend hohe thermische Trägheit aufweisen und dass die Under the boundary conditions that the components - with or without encapsulation - have a sufficiently high thermal inertia and that the
Einschaltdauer t zur Periodendauer T über einen Crowbar 1 1 sicherheits- technisch überwacht wird, ist es erfindungsgemäß möglich, Bauteilen kurzzeitig eine hohe Leistung zuzuführen, ohne dass die maximal zulässige Oberflächentemperatur überschritten wird. Duty cycle t to the period T over a Crowbar 1 1 is monitored safety technology, it is possible according to the invention to briefly supply a high power components without the maximum surface temperature is exceeded.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Crowbars 1 1 beschrieben: Bei dem Transistor V handelt es sich im gezeigten Fall um einen N-Kanal Depletion- Mosfet. Depletion Mosfets haben die Eigenschaft, dass für den Fall, dass die Verbindung zwischen Gate G und Source S Null ist, die Spannung zwischen Drain D und Source S niederohmig sind. Mit dieser Eigenschaft ist sichergestellt, dass die Crowbar 1 1 bis hin zu kleinsten Betriebsspannungen immer den sicheren Zustand einnehmen wird. The operation of the crowbar 1 1 is described below: In the case shown, the transistor V is an N-channel depletion MOSFET. Depletion MOSFETs have the property that in the event that the connection between gate G and source S is zero, the voltage between drain D and source S are low-impedance. This feature ensures that the Crowbar 1 1 will always assume the safe state, right down to the lowest operating voltages.
Solange sich die Crowbar 1 1 im niederohmigen Zustand befindet, ist die Steuerspannung Vst im HIGH-Zustand und der Kondensator C lädt sich über die Widerstände R1 und R2 auf die HIGH-Spannung auf. Um für die As long as the crowbar 1 1 is in the low-resistance state, the control voltage Vst is in the HIGH state and the capacitor C charges via the resistors R1 and R2 to the HIGH voltage. In order for the
Einschaltdauer t in den hochohmigen Zustand zu wechseln, wird die Switching duty cycle t into the high-impedance state, the
Steuerspannung Vst auf Null bzw. LOW (= 0 V) geschaltet. An das Gate G
des Transistors V wird dann über die Diode D an den Kondensator C eine negative Spannung in Höhe der HIGH-Spannung abzüglich der Control voltage Vst switched to zero or LOW (= 0 V). To the gate G of the transistor V is then connected via the diode D to the capacitor C, a negative voltage equal to the HIGH voltage minus the
Schwellspannung der Diode D angelegt. Der Transistor V befindet sich im hochohmigen Zustand, und zwar solange, bis entweder die Steuerspannung Vst wieder in den HIGH-Zustand zurückwechselt, oder bis sich der Threshold voltage of the diode D applied. The transistor V is in the high-resistance state, namely until either the control voltage Vst returns to the high state, or until the
Kondensator C über den Widerstand R2 unter die Schwellspannung des Transistors V entladen hat. Dieser Zustand entspricht einem sicheren Zustand für den Fall, dass die durch die Steuereinheit 16 geschaltete Einschaltdauer t die maximal erlaubte Einschaltdauer überschreitet. Da der Widerstand R1 wesentlich größer ist als der Widerstand R2, begrenzt er das Laden des Kondensators C und verhindert so eine zu kurze Periodendauer T. Somit ist auch sichergestellt, dass die Crowbar 1 1 anspricht, wenn die von der Capacitor C has discharged via the resistor R2 below the threshold voltage of the transistor V. This state corresponds to a safe state in the event that the switched by the control unit 16 duty cycle t exceeds the maximum allowable duty cycle. Since the resistor R1 is substantially larger than the resistor R2, it limits the charging of the capacitor C and thus prevents too short a period T. Thus, it is also ensured that the crowbar 1 1 responds when the of the
Steuereinheit geschaltete Periodendauer T die vorgegebene Periodendauer T unterschreitet. Control unit switched period T falls below the predetermined period T.
Um sicherzustellen, dass die an die Sicherheitsbaugruppe gestellten To make sure that they are put to the safety module
Sicherheitsanforderungen auch noch dann gelten, wenn die in Fig. 4 im Detail dargestellte Crowbar 1 1 ausfällt, ist die Crowbar 1 1 redundant ausgeführt. Im gezeigten Fall ist die Sicherung über die Crowbars 1 1 dreifach redundant ausgeführt.
Safety requirements even then apply if the Crowbar 1 1 shown in detail in Fig. 4 fails, the Crowbar 1 1 is redundant. In the case shown, the backup over the Crowbars 1 1 triple redundant executed.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Behälter 1 container
2 Füllgut 2 contents
3 Oberfläche des Füllguts 3 Surface of the product
4 Deckel 4 lids
5 Öffnung 5 opening
6 Füllstandsmessgerät / Feldgerät 6 Level gauge / field device
7 Verbindungsleitung 7 connection line
8 Verbindungsleitung / Versorgungsleitung 8 connection line / supply line
9 Regel-/Auswerteeinheit / Sensorelektronik 9 control / evaluation unit / sensor electronics
10 Antenne 10 antenna
1 1 Crowbar 1 1 crowbar
12 Nachgeschaltete Komponente / HF-Modul 12 Downstream component / RF module
13 Transistor 13 transistor
14 Widerstand / Widerstände für Leistungsbegrenzung 14 resistance / resistors for power limitation
15 Widerstände für die Eigensicherheit der Schnittstelle15 resistors for intrinsic safety of the interface
16 Mikroprozessor 16 microprocessor
17 Schnittstelle
17 interface