WO2005045783A1 - Verfahren zur identifikation von analogen messsignalgebern und zugehörige anordnung - Google Patents

Verfahren zur identifikation von analogen messsignalgebern und zugehörige anordnung Download PDF

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    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage

Definitions

  • the invention relates to a method for identifying analog measurement signal transmitters in circuits of measurement and automation technology, the individual measurement signal transmitters each having a specific signal type.
  • the invention also relates to an associated arrangement.
  • Devices of measurement and automation technology often have analog measurement inputs.
  • Common signal types are +/- 10 V, +/- 20 mA, 4 to 20 mA, 50 mV (thermocouples) or resistance measurements, for example for PT 100 or PT 1000.
  • the signal type is usually set manually on the automation devices, be it in terms of hardware with switches / coding plugs or in terms of software with electronic switches. An incorrect setting usually leads to malfunction, in the worst case even to the destruction of the measurement input.
  • the signal type is therefore specified in the prior art. In order to avoid errors and damage, the correct setting must be checked.
  • the method according to the invention is based on measuring the connected encoder, whereby different current-voltage characteristics of the encoder types are recognized. Both an adjustable voltage source with also adjustable current limitation and an adjustable current source with adjustable voltage limitation are suitable for measurement.
  • FIGS. 4 and 5 are schematic circuit diagrams of the measuring device for measuring sensor characteristic curves
  • FIG. 3 shows an overview of different characteristic curves
  • FIGS. 4 and 5 decay curves during cooling processes of thermocouples with the same polarity and with the opposite polarity.
  • 1 and 2 show basic circuit diagrams of the measuring electronics.
  • 1 means an adjustable voltage source and 2 an adjustable current limitation, 3 an adjustable current source and 4 an adjustable voltage limitation, connections being provided for the encoder to be measured. Both alternatives are equivalent.
  • Both an adjustable voltage source with an adjustable current limit and an adjustable current source with an adjustable voltage limit are suitable for measurement. Zung.
  • To measure the characteristic curve the voltage or the current must be varied and both measured values recorded at the terminals to the encoder. 3 shows characteristic curves 11 to 16 of the relevant signal types of sensors apart from thermocouples, which are summarized below: The sensor current I is plotted in milli-amperes (mA) on the abscissa and the sensor voltage U in volts (V) the ordinate.
  • thermocouples are identified by the element's reaction to current excitation.
  • FIGS. 4 and 5 show the oscillograms of such an excitation with different polarity, the abscissa representing the time in seconds and the ordinate representing the voltage in volts. The large time constant of the decay process and the reversal of the polarity can be clearly seen in FIG.
  • the characteristic property of voltage transmitters in accordance with characteristic curve 15 is that they impress a defined voltage on the measurement input, up to the current limit that results from the technical implementation with electronic circuits.
  • Common sensors usually have an output voltage range of 0 to 10 V or (bipolar) of +/- 10 V.
  • the maximum current that these sensors can drive is usually in the range from 5 mA to about 50 mA.
  • the method described recognizes such a voltage transmitter by impressing a variable current into the transmitter (for example from -100 mA to +100 mA).
  • the voltage at the terminals is monitored. If a voltage transmitter is connected, this will keep the terminal voltage almost constant in the area of its current driving capability, since the internal resistance is small and then voltages suddenly build up at the current limit.
  • a variable voltage source with current limitation can also be used for measurement. In this case, the current consumption of the encoder will suddenly change when the encoder voltage is exceeded.
  • the characteristic feature of current transmitters according to characteristic curve 16 is that they impress a defined current into the measuring input up to its voltage limit, which results from the technical implementation with electronic circuits.
  • Common sensors usually have an output current range of 0 to 20 mA, 4 to 20 mA or (bipolar) of +/- 20 mA.
  • the maximum voltage that these sensors can drive is usually less than +/- 15 V.
  • the described method recognizes such a current sensor by impressing a variable current into the sensor, e.g. from -100 mA to +100 mA.
  • the voltage at the terminals is monitored. If a current transmitter is connected, it will jump the terminal voltage in the range of its output current between the maximum output voltage values.
  • the characteristic curve 16 can also be measured by applying a variable voltage source and monitoring the output current.
  • Resistance transmitters can also be detected with a variable voltage or current source. This results in approximately linear characteristic curves 13 and 14 over the entire range. Different types, such as PT100 or PT1000, can be distinguished from the slope. Four-wire measurement is also possible by using the test signal is connected to the supply lines, the other lines are used for measurement.
  • Line shorts in accordance with characteristic curve 12 have the same behavior as a voltage source of 0 V with low internal resistance, with the difference that there is no current limitation over the measuring range.
  • a line break according to characteristic curve 11 has the same behavior as a current transmitter with 0 mA output current, i.e. high internal resistance, with the difference that there is no voltage limitation across the measuring range.
  • Thermocouples have a behavior that initially resembles a relatively high-resistance voltage source, a distant line short-circuit or a low-resistance resistor (PT100).
  • the distinction is achieved by specifically stimulating the thermoelectric effect with a current fed in. This current causes a connection point to heat up, e.g. the measuring point, and a
  • Cooling the other point e.g. the compensation office.
  • the location of the heating / cooling is changed by reversing the polarity of the excitation current, which takes advantage of the Peltier effect.
  • the reaction of the thermocouple can be detected, which manifests itself as a decaying voltage source with a time constant of about one to 10 seconds and more, which alternatively results in characteristic curve 41 according to FIG. 4 or characteristic curve 51 according to FIG.
  • the polarity is opposite to the excitation voltage in FIG. 5.
  • the automatic detection of the signal type of sensors has the following advantages: Avoid destruction at the measuring inputs - Avoiding malfunctions in the system and thus avoiding damage in the system, shorter commissioning times thanks to automatic diagnosis, detection of errors in connected transmitters, line breaks and short-circuits. Detection of normal, commercially available sensors without specific expansion is possible.
  • the detection or identification of the measuring signal transmitters can take place immediately when they are used.
  • the measuring arrangement can be implemented as a separate device or can already be integrated into the assembly to be used. This results in considerable simplifications in practice, since the personnel do not have to carry out a separate check of the individual measurement signal transmitters, but can contact them without checking. The check is then carried out in the system with the modules.

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Abstract

Einzelne Messsignalgeber haben jeweils einen unterschiedlich spezifischen Signaltyp. Entsprechend müssen sie an die analogen Messeingänge angeschlossen werden. Gemäss der Erfindung wird eine einstellbare Spannung mit einstellbarer Strombegrenzung oder es wird ein einstellbarer Strom mit einstellbarer Spannungsbegrenzung verwendet, die Spannung oder der Strom werden an den Messsignalgeber angeschlossen und das zugehörige Signal wird erfasst und entsprechend dem Typ des Messsignalgebers klassifiziert. Es kann somit eine automatisierte Integration des Messsignalgebers erfolgen. Die zugehörige Anordnung kann Teil der gesamten Baugruppe sein.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Identifikation von analogen Messsignalgebern und zugehörige Anordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Identifikation von analogen Messsignalgebern in Schaltungen der Mess- und Automatisierungstechnik, wobei die einzelnen Messsignalgeber einen jeweils spezifischen Signaltyp aufweisen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Anordnung.
Geräte der Mess- und Automatisierungstechnik verfügen häufig über analoge Messeingänge. Gebräuchliche Signaltypen sind da- bei +/- 10 V, +/- 20 mA, 4 bis 20 mA, 50 mV (Thermoelemente) oder Widerstandsmessungen, beispielsweise für PT 100 oder PT 1000. Derzeit wird der Signaltyp meist manuell an den Automatisierungseinrichtungen eingestellt, sei es hardwaremäßig mit Schaltern/Codiersteckern oder softwaremäßig mit elektro- nischen Schaltern. Eine Falscheinstellung führt in der Regel zur Fehlfunktion, im schlimmsten Fall sogar zur Zerstörung des Messeinganges.
Beim Stand der Technik wird also der Signaltyp vorgegeben. Um Fehler und Beschädigungen zu vermeiden, muss dabei die richtige Einstellung überprüft werden.
Von letzterem ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem Messsignalgeber hinsichtlich ih- res Signaltyps automatisch erkannt- werden können. Danebensoll eine Anordnung geschaffen werden, mit der das Verfahren in einfacher Weise ausführbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa- tentanspruch.es 1 gelöst. Eine zugehörige Anordnung ist Gegenstand des Patentanspruches 13. Weiterbildungen des Verfah- rens sowie der zugehörigen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Mit der Erfindung ist es möglich, den Signaltyp automatisch zu erkennen und die richtige Einstellung ebenfalls automatisch vorzunehmen bzw. bei einer falschen Einstellung einen Warnhinweis zu generieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem Ausmessen des angeschlossenen Gebers, wobei unterschiedliche Strom- Spannungskennlinien der Gebertypen erkannt werden. Zum Ausmessen eignet sich sowohl eine einstellbare Spannungsquelle mit ebenfalls einstellbarer Strombegrenzung als auch eine einstellbare Stromquelle mit einstellbarer Spannungsbegren- zung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan- Sprüchen. Es zeigen
Figur 1 und 2 Prinzipschaltbilder der Messvorrichtung zum Ausmessen von Geberkennlinien, Figur 3 eine Übersicht unterschiedlicher Kennlinien und Figur 4 und 5 Abklingkurven bei Abkühlvorgängen von Thermoelementen mit gleichpoliger und mit gegenpoliger Reaktion.
In den Figuren 1 und 2 sind Prinzipschaltbilder der Mess- - elektronik wiedergegeben. Es bedeuten 1 eine einstellbare Spannungsquelle und 2 eine einstellbare Strombegrenzung, 3 eine einstellbare Stromquelle und 4 eine einstellbare Spannungsbegrenzung, wobei Anschlüsse für den auszumessenden Geber vorhanden sind. Beide Alternativen sind äquivalent. Zum Ausmessen eignet sich sowohl eine einstellbare Spannungsquelle mit ebenfalls einstellbarer Strombegrenzung als auch eine einstellbare Stromquelle mit einstellbarer Spannungsbegren- zung. Zum Ausmessen der Kennlinie ist die Spannung oder der Strom zu variieren und beide Messwerte an den Klemmen zum Geber aufzunehmen. In der Figur 3 sind Kennlinien 11 bis 16 der relevanten Signaltypen von Messwertgebern außer Thermoelementen, auf die weiter unten eingegangen wird zusammengefasst : Aufgetragen ist der Geberstrom I in Milli-Ampere (mA) auf der Abszisse und die Geberspannung U in Volt (V) auf der Ordinate. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich alle Kennlinien unterscheiden und somit eindeutig detektierbar sind. Bei den Spannungs- Stromgebern ist der am schlechtesten zu erkennende Fall eines Null-Signals aufgezeigt. Bei einem Signal ungleich Null werden die entsprechenden Flanken verschoben. Bei unipolaren Ge- bern knickt die Kennlinie schon bei Null ab. Ein Verhalten, was ebenfalls eindeutig detektiert werden kann.
Zur Erkennung von Thermoelementen müssen die Abklingkurven ausgewertet werden. Die Erkennung von Thermoelementen erfolgt über die Reaktion des Elementes auf eine Anregung mit Strom. In den Figuren 4 und 5 sind die Oszillogramme einer solchen Anregung mit unterschiedlicher Polarität gezeigt, wobei die Abszisse die Zeit in sec und die Ordinate die Spannung in Volt wiedergibt. Deutlich sind die große Zeitkonstante des Abklingvorganges und die Umkehrung der Polarität in Figur 5 zu erkennen.
Nachfolgend werden im Einzelnen die unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten angegeben.
Die kennzeichnende Eigenschaft von Spannungsgebern entsprechend Kennlinie 15 ist, dass sie dem Messeingang eine definierte Spannung einprägen, bis an die Stromgrenze, die von der technischen Realisierung mit elektronischen Schaltkreisen herrührt. Gebräuchliche Geber haben meist einen Ausgangsspannungsbereich von 0 bis 10 V oder (bipolar) von +/- 10 V. Der maximale Strom, den diese Geber treiben können, liegt meist im Bereich von 5 mA bis etwa 50 mA. Das beschriebene Verfahren erkennt einen solchen Spannungsgeber, indem es einen veränderlichen Strom in den Geber einprägt (z.B. von -100 mA bis +100 mA) . Dabei wird die Spannung an den Klemmen überwacht. Ist ein Spannungsgeber angeschlossen, wird dieser die Klemmenspannung im Bereich seiner Stromtreibfähigkeit nahezu konstant halten, da der Innenwiderstand klein ist und dann an der Stromgrenze sprunghaft Spannungen aufbauen. Alternativ kann auch eine veränderliche Spannungsquelle mit Strombegren- zung zum Ausmessen verwendet werden. In diesem Fall wird die Stromaufnahme des Gebers beim Überschreiten der Geberspannung schlagartig umschalten.
Die kennzeichnende Eigenschaft von Stromgebern entsprechend Kennlinie 16 ist, dass sie dem Messeingang einen definierten Strom einprägen bis an ihre Spannungsgrenze, die von der technischen Realisierung mit elektronischen Schaltkreisen herrührt. Gebräuchliche Geber haben meist einen Ausgangsstrombereich von 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA oder (bipolar) von +/- 20 mA. Die maximale Spannung, den diese Geber treiben können, ist meist kleiner als +/- 15 V. Das beschriebene Verfahren erkennt einen solchen Stromgeber, indem es einen veränderlichen Strom in den Geber einprägt, z.B. von -100 mA bis +100 mA. Dabei wird die Spannung an den Klemmen überwacht. Ist ein Stromgeber angeschlossen, wird dieser die Klemmenspannung im Bereich seines Ausgangsstromes sprunghaft zwischen den maximalen Ausgangsspannungswerten umschalten. Das Ausmessen der Kennlinie 16 kann auch durch Aufschalten einer veränderlichen Spannungsquelle und Überwachung des Ausgangs- Stromes erfolgen.
Widerstandsgeber können ebenfalls mit einer veränderlichen Spannungs- oder Stromquelle detektiert werden. Hier ergibt sich angenähert lineare Kennlinien 13 bzw. 14 über den gesam- ten Bereich. Aus der Steigung können dabei noch unterschiedliche Typen, z.B. PT100 oder PT1000, unterschieden werden. Vierleitermessung ist ebenfalls möglich, indem das Testsignal auf die Versorgungsleitungen aufgeschaltet wird, die anderen Leitungen zum Ausmessen verwendet werden.
Leitungskurzschlüsse entsprechend Kennlinie 12 haben das gleiche Verhalten wie eine Spannungsquelle von 0 V mit niedrigem Innenwiderstand mit dem Unterschied, dass über den Messbereich keine Strombegrenzung auftritt.
Ein Leitungsbruch entsprechend Kennlinie 11 hat das gleiche Verhalten wie ein Stromgeber mit 0 mA Ausgangsstrom, d.h. hohem Innenwiderstand, mit dem Unterschied, dass über den Messbereich keine Spannungsbegrenzung auftritt.
Thermoelemente haben ein Verhalten, das zunächst einer rela- tiv hochohmigen Spannungsquelle, einem weit entfernten Lei- tungskurzschluss oder auch einem niederohmigen Widerstandsgeber (PT100) ähnelt. Die Unterscheidung wird durch gezielte Anregung des thermoelektrischen Effektes mit einem eingespeisten Strom erreicht. Dieser Strom verursacht ein Aufhei- zen eines Verbindungspunktes, z.B. der Messstelle, und ein
Abkühlen des anderen Punktes, z.B. der Ausgleichsstelle. Der Ort des Aufheizens/Abkühlens wird durch Umpolen des Erregungsstromes getauscht, womit der Peltier-Effekt ausgenutzt wird.
Nach Abschalten des Erregungsstromes kann die Reaktion des Thermoelementes detektiert werden, die sich als abklingende Spannungsquelle mit einer Zeitkonstante von etwa einer bis 10 Sekunden und mehr äußert, womit sich alternativ gemäß Figur 4 die Kennlinie 41 oder gemäß Figur 5 die Kenlinie 51 ergeben. Die Polarität ist in Abhängigkeit der thermischen Zeitkonstante der beiden thermoelektrischen Übergänge bei Figur 4 gleich zur Erregerspannung bei Figur 5 entgegengesetzt.
Die automatische Erkennung des Signaltyps von Messwertgebern hat folgende Vorteile: Vermeidung von Zerstörungen an den Messeingängen - Vermeidung von Fehlfunktionen in der Anlage und damit Vermeidung von Schäden in der Anlage kürzere Inbetriebnahmezeiten durch automatische Diagnose Erkennung von Fehlern in angeschlossenen Messumformern, Leitungsbruch und Kurzschluss Detektion von normalen, handelsüblichen Gebern ohne spezifische Erweiterung ist möglich.
Das Erkennen bzw. die Identifikation der Messsignalgeber kann in der Praxis unmittelbar bei deren Anwendung erfolgen. Dazu kann die Messanordnung als separate Vorrichtung realisiert sein oder aber auch bereits in die zu verwendende Baugruppe integriert sein. Es ergeben sich somit für die Praxis erhebliche Vereinfachungen, da vom Personal keine separate Über- prüfung der einzelnen Messsignalgeber erfolgen muss, sondern ohne Prüfung die Kontaktierung erfolgen kann. Die Überprüfung erfolgt dann in der Anlage mit den Baugruppen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Identifikation von analogen Messsignalgebern in Schaltungen der Mess- und Automatisierungstechnik, wobei die einzelnen Messsignalgeber einen jeweils spezifischen Signaltyp aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten: es wird entweder eine einstellbare Spannung mit einstellbarer Strombegrenzung oder aber es wird ein einstellbarer Strom mit einstellbarer Spannungsbegrenzung verwendet, - die Spannung oder der Strom werden an den Messsignalgeber angeschlossen und das zugehörige Signal wird erfasst und entsprechend dem Typ des Messsignalgebers klassifiziert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsgeber mit einem Ausgangsspannungsbereich von 0 bis 10 V oder bipolar von +/- 10 V erkannt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stromgeber mit einem Ausgangsstrombereich von 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA oder bipolar von +/- 20 mA erkannt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandsgeber aufgrund der angenähert linearen Kennlinie erkannt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Widerstandsgebern eine Vierleitermessung erfolgt, indem das Testsignal auf die Versorgungsleitungen aufgeschaltet wird und die anderen beiden Leitungen zum Ausmessen verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungskurzschlüsse dadurch erkannt werden, dass eine Span- nungsquelle von 0 V mit niedrigem Innenwiderstand ohne Strombegrenzung im Messbereich detektiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungsbrüche dadurch erkannt werden, dass ein Stromgeber mit 0 mA Ausgangsstrom und hohem Widerstand detektiert wird, wobei keine Spannungsbegrenzung auftritt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von Thermoelementen eine hochohmige Spannungsquelle, ein weit entfernter Leitungskurzschluss und/oder ein niederohmiger Widerstandsgeber vorgegeben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,m dadurch gekennzeichnet, dass mit einem eingespeisten Strom eine gezielte Anregung des thermoelektrischen Effektes erreicht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom ein Aufheizen eines Verbindungspunktes, insbesondere des Messpunktes, und ein Abkühlen eines anderen Punktes, insbesondere der Ausgleichstelle, bewirkt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Umpolen des ErregungsStromes der Ort des Aufheizens/ Abkühlens getauscht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass nach Abschalten des Erregungsstromes die
Reaktion des Thermoelementes als Abklingkurve detektiert wird.
13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12 für die Anwendung bei einem beliebigen Messsignalgeber, dessen Messsignaltyp bekannt ist, gekennzeichnet durch eine einstellbare Spannungsquelle (1) mit vorgebbarer Strombegrenzung (2) oder einer einstellbaren Stromquelle (3) mit vorgebbarer Spannungsbegrenzung (4) , die alternativ zum Messen von Signalen an den Messsignalgeber anschließbar sind, und mit Mitteln zur Diskriminierung der gemessenen Signalkurven.
14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Integration in eine vorhandene Baugruppe.
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