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Die Erfindung betrifft ein binäres Schaltgerät für die Prozessmesstechnik zur Überwachung von Druck, Durchfluss, Füllstand oder Temperatur von Gasen, Flüssigkeiten, in Sonderfällen auch von Feststoffen und deren Gemischen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung wird jedoch in der Drucksensorik gesehen.
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Mit Drucksensoren ausgestattete Schaltgeräte werden auch von der Anmelderin hergestellt und mit den Bezeichnungen PNxxxx (z. B. PN7094) oder PVxxxx oder auch PQxxxx vertrieben.
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Die
DE 10 2015 207 473 B3 beschreibt ein derartiges Schaltgerät für die Prozessmesstechnik mit einer Sensoreinrichtung zur Aufnahme eines Messwerts und einem Schaltausgang, sowie einer Auswerteeinheit „µC“ zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, welches anzeigt, ob der Messwert eine Schwelle über- oder unterschreitet, wobei die beiden Schaltzustände als Strom- oder Spanungspegel aber auch als elektrische Widerstände ausgegeben werden können. Wie man leicht einsieht, besteht der Wunsch, das aus zwei Gleichspannungspegeln, Strömen oder Widerständen bestehende binären Schaltsignal „HIGH“ und „LOW‟ durch einen dritten Zustand zu ergänzen, um damit kritische (unsichere) Zustände oder auch Störungen zu signalisieren.
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Die
DE 10 2007 026 512 B4 beschreibt ein elektronisches Schaltgerät mit einer Sensoreinrichtung zur Aufnahme eines Messwerts und einem Schaltausgang, der einen Ausgangsanschluss zur Ausgabe eines binären Schaltsignals und zur Ankopplung an eine Daten-Kommunikationsverbindung aufweist, wobei das Schaltsignal anzeigt, ob der aktuelle Messwert eine Schwelle überschreitet oder unterschreitet (erster oder zweiter Schaltzustand). Außerdem ist eine Steuereinrichtung vorhanden, welche Steuersignale für den Schaltausgang generiert, wobei der Schaltausgang in einem ersten Übertragungsmodus als binärer Schalter im Gleichstrombetrieb arbeitet, wobei die beiden Schaltzustände als unterschiedliche Gleichstrompegel ausgegeben werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, einen zusätzlichen zweiten Datenübertragungsmodus zu nutzen, der als ein Anzeigemodus vorgesehen ist, welcher einem mit dem Schaltgerät über die Kommunikationsverbindung gekoppelten Steuergerät anzeigt, dass das Schaltgerät physikalisch an der Kommunikationsverbindung angeschlossen ist. Das ist auch in einem dritten Übertragungsmodus möglich, der auch als Anzeigemodus eingesetzt werden kann, welcher einer mit dem Schaltgerät über die Kommunikationsverbindung und mittels des Schaltausgangs gekoppelten Vorrichtung, beispielsweise dem Steuergerät, anzeigt, dass das Schaltgerät physikalisch mit der Kommunikationsverbindung gekoppelt ist oder auch nicht. Die
DE 10 2007 027 415 B4 beschreibt ein elektronisches Schaltgerät und ein Verfahren zum Betreiben dieses Schaltgerätes mit einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus. Das Schaltgerät weist einen Schaltausgang auf, über den in einem Schaltbetrieb Schaltsignale ausgegeben werden können. Zudem ist ein Kommunikationsmodul vorhanden, worüber Daten von anderen Kommunikationsteilnehmern empfangen oder gesendet werden können, wobei das Kommunikationsmodul und der Schaltausgang denselben Anschluss des Schaltgerätes verwenden. Als nachteilig wird angesehen, dass dieses Schaltgerät entweder im Schaltbetrieb oder im Kommunikationsbetrieb arbeiten kann.
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Auch die
US 5 777 557 A (Binary Sensor) beschreibt ein derartiges elektronisches Schaltgerät. Hier wird vorgeschlagen, das binäre Ausgangssignal (Schaltsignal) mit einem Diagnosesignal zu überlagern (general alarm), wobei die (herkömmliche) Schnittstelle (zu einer SPS) nicht gestört werden soll. Um das zu erreichen, wird das Diagnosesignal groß genug gewählt, um erkannt zu werden, aber klein genug, um von der deutlich höheren Schwellenspannung eines angeschlossenen Steuergeräts ignoriert zu werden. In der bevorzugten Ausführung wird das Schaltsignal in seinem LOW (AUS) - Pegelbereich (less than 0,3 V DC) mit einem niederfrequenten Prüfsignal beaufschlagt. Im HIGH (EIN) - Pegelbereich hingegen bleibt das Schaltsignal vom Prüfsignal unbeeinflusst. Als Beispiele für die Diagnoseinformationen werden eine Sensoridentifikationsnummer, eine Temperatur, der Sensorabstand zum Objekt und ein allgemeiner Alarm, der eine Fehlfunktion des Sensors anzeigt, genannt. Das überlagerte Diagnosesignal kann auch ein serieller digitaler Datenstrom sein, der die vom Sensorhersteller zu sendenden Datentypen darstellt.
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Die in den drei letztgenannten Dokumenten aufgezeigten Möglichkeiten zu Übertragung eines Diagnosesignals, z. B eines kritischen Schaltzustandes werden schaltungstechnisch, aber auch verfahrenstechnisch als zu aufwändig angesehen. Das betrifft sowohl die Herstellungskosten als auch deren Strombedarf im Einsatz. Für die in der
US 5 777 557 A vorgeschlagene Amplitudenmodulation sind sogar eine Digital-Analog-Wandlung und eine empfängerseitiger Signaltrennung erforderlich.
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Somit wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, den schaltungstechnischen Aufwand für die Erzeugung und Übertragung des dritten Schaltzustands deutlich zu senken und auch die Auswertung stark zu vereinfachen. Um die Gegebenheiten der Prozessmesstechnik in besonderer Weise zu berücksichtigen, soll der dritte (Schalt-) Zustand als Prüf- und Diagnosesignal für einen unsicheren Zustand des Sensors oder der Stromversorgung von oft auch an unzugänglichen Stellen angeordneten (Druck-) Sensoren dienen, ohne die übergeordnete Steuereinheit zwingend mit einer weiteren (zusätzlichen) Routine zu belasten. Dabei soll auf Hardwareänderungen am Schaltgerät vollkommen verzichtet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den Schaltausgang derart auszubilden, dass er bei Bedarf in einen nachfolgend als Blinkzustand bezeichneten (dritten) Zustand versetzt werden kann.
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In einer ersten Ausgestaltung dient die Blinkfunktion als Warnschwelle, die bei der Inbetriebnahme des Sensors oder auch bei dessen Wartung (in einem Teach-in-Vorgang) festgelegt wird. Das ist ein Mess- oder Signalstärkebereich vor dem Schaltereignis (Änderung des Schaltzustandes), bei dem der Schaltausgang erfindungsgemäß für kurze Zeit den „HIGH“-Zustand annimmt, was im Folgenden auch als Blinken oder Blinkzustand bezeichnet wird.
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Dieser Blinkzustand kann durch eine übergeordnete Steuereinheit (SPS) ausgewertet (oder ignoriert) oder mit einer im Schaltgerät vorhandenen oder (parallel) an die Schaltstufe anzuschließenden LED- Anzeige signalisiert werden. Das kann mit einer für Menschen gut wahrnehmbaren Frequenz von beispielsweise zwei Hertz bei einem Tastverhältnis von typischerweise von 1:1 (50%) geschehen.
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In einer zweiten Ausgestaltung ist die Blinkfrequenz variabel einstellbar, damit sie so gewählt werden kann, dass Kollisionen mit den dynamischen Prozesswechseln der Anlage vermieden werden. Da die Prozesswechsel in den meisten industriellen Produktionsanlagen deutlich langsamer ablaufen als im Sekundentakt, ist die oben genannte Blinkfrequenz von zwei Hertz in den meisten Fällen anwendbar. Falls in der Anlage schnellere Prozesswechsel zu erwarten sind, ist die Blinkfrequenz anzupassen. Ihre Periode sollte mindestens 10x kleiner (und ihre Frequenz damit mindestens 10x höher) sein als die zu erwartenden Prozesswertänderungen (Prozesswertänderungsfrequenzen) zum Beispiel für Druck- oder Temperaturänderungen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Tastverhältnis der Blinkfrequenz sogar den Messwert (Stärke des Sensorsignals) abbilden. Im Schaltpunkt wäre das dann etwa 50%. Wie oben ausgeführt, sollte das Tastverhältnis somit stets kleiner als 50% „HIGH“ sein. Die Skalierung könnte linear oder logarithmisch sein. Die Hysterese ist hier unerheblich, weil derart geringe Änderungen des Tastverhältnisses vom Wartungspersonal nicht wahrgenommen werden.
Da das menschliche Auge die Lichtimpulse integriert, kann bei ausreichend hoher Blinkfrequenz der Messwert vorteilhaft als pulsweitenmoduliertes (PWM) „Analogsignal“ ausgegeben werden. Auch eine Frequenzmodulation wäre denkbar. Sie wird allerdings als weniger vorteilhaft angesehen, denn die maximal wahrnehmbare Blinkfrequenz ist auf etwa 25 Hertz begrenzt.
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Um auch bei schwachen Sensorsignalen mit kleinen Messwerten zu prüfen, ob das Schaltgerät noch korrekt angeschlossen und/oder mit Energie versorgt ist, kann der Schaltzustand „LOW“ durch eine Blink-Funktion mit einem Tastverhältnis von mindestens 0,1 (10% „HIGH“) dargestellt werden. Das alles kann ohne Hardwareänderung lediglich durch Modifikation der Software am bestehenden Gerät erfolgen, denn die in der
US 5 777 557 A vorgeschlagenen Amplitudenmodulation ist hier nicht notwendig.
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Die Blinkfunktion kann auch durch einen Push/Pull-Betrieb des Schaltausgangs erreicht werden. Dabei wird der Schaltausgang nicht vom Schaltgerät mit Energie versorgt und kann das Schaltsignal deshalb auch nicht aktiv beeinflussen.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der „LOW“-Zustand ohne einen zusätzlichen (Schalt-) Ausgang durch ein vom Menschen gut wahrnehmbares Blinksignal angezeigt werden kann, welches bei Bedarf, beispielsweise im Wartungsfall, vom Schaltsignal ableitbar ist, ohne dass ein weiterer Geräteanschluss erforderlich wäre. Das kann beispielsweise durch eine hochohmige LED-Anzeige geschehen, die parallel an die Signalleitung angeschlossen wird und an einer gut einsehbaren Stelle platziert werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
- Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung in einer stark vereinfachten Darstellung.
- Die 2 zeigt ein mit dem erfindungsgemäßen Prüf-oder Diagnosesignal überlagertes Schaltsignal.
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Die 1 zeigt ein an sich bekanntes elektronisches Schaltgerät 1 mit einem von einer Stromquelle versorgten temperaturabhängigen Widerstand 2, einem nicht zwingend notwendigem Verstärker V und einem Spannungsregler LM. Die Sensoreinrichtung 2 kann selbstverständlich auch Sensoren für Druck, Durchfluss, Füllstand oder andere in der Prozessmesstechnik eingesetzte Sensoren enthalten. Der vom Sensor 2 erzeugte Messwert (Sensorsignal) wird üblicherweise in einer Steuereinheit 3, hier ein Mikrocontroller, mit einer Schaltschwelle verglichen, was nach einer Analog-Digital-Wandlung (Ermittlung des Sensor-Messwerts) oder einfacher mit Hilfe eines Triggers erfolgen kann. Die Steuereinheit 3 (µC) stellt nun fest, ob der (Temperatur-) Messwert eine Schwelle über- oder unterschreitet und erzeugt daraus ein Schaltsignal 5, welches entweder den Zustand „HIGH“ oder „LOW“ annehmen kann. In dem gewählten Beispiel wird das Schaltsignal 5 als Spannungswert durch eine Schaltstufe 4 ausgegeben und einer übergeordneten Steuereinheit 7 zugeführt, die hier als SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) dargestellt ist.
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Dieses an sich bekannte Schaltsignal 5 wird erfindungsgemäß mit einem Prüfsignal 6 überlagert und zwar durch kurzzeitiges Einschalten der Schaltstufe 4 während ihres vom Messwert bedingten „LOW“-Zustandes. Das kann periodisch oder auch aperiodisch geschehen, aber mit einer deutlich höheren Frequenz als von prozessbedingten Schaltvorgängen (Schaltzustandswechseln) zu erwarten ist.
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Das Schaltsignal 5 und damit auch das Prüfsignal 6 kann durch eine LED 8 angezeigt werden. Sie kann zum Schaltgerät 1 gehören oder über einem Widerstand an die Signalleitung angeschlossen sein. Im Betriebsfall wäre sie entweder dauernd eingeschaltet oder würde im Takt des Prüfsignals 6 blinken. Durch den gestrichelt dargestellte Kondensator C wird auf einfache Art erreicht, dass zwar Wechsel des Schaltsignals 5 erkennbar bleiben, in der Hauptsache aber lediglich das Prüfsignal 6 sichtbar wird.
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Die 2 zeigt ein von der Steuereinheit 3 (µC) und der Schaltstufe 4 erzeugtes Schaltsignal 5 mit dem erfindungsgemäßen Prüfsignal 6. Wie man der 1 entnehmen kann, ist das Schaltgerät 1 ohne Weiteres in der Lage (ausgebildet), das Schaltsignal 5 in dem vom Messwert abhängigem „LOW‟ -Zustand mit einem Prüfsignal 6 zu beaufschlagen, das wie oben ausgeführt auch ein Mess- oder Diagnosesignal sein kann. Wie man sieht, bleibt das Schaltsignal 5 in seinem „HIGH“-Zustand vom Prüfsignal 6 unbeeinflusst. Die Frequenz des Prüfsignals 6 sollte mindestens 2 Hz betragen, ohne die Erfindung zu beschränken.
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Die Erfindung ist besonders für die Prozessmesstechnik geeignet, weil sich die in Frage kommenden Prozessgrößen in der Regel deutlich langsamer ändern als die Periode des oben genannte Prüfsignals von 0,5 Sekunden bei den oben genannten zwei Hertz.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltgerätes wird darin gesehen, dass jederzeit, also auch im sensorisch bedingten „LOW“-Zustand (0 Volt), ohne weiteres geprüft werden kann, ob das Schaltgerät 1 korrekt angeschlossen ist und die Versorgungsspannung VDD anliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Schaltgerät für die Prozessmesstechnik
- 2.
- Sensoreinrichtung
- 3.
- Schaltstufe (Schaltausgang)
- 4.
- Steuereinheit (µC)
- 5.
- Schaltsignal
- 6.
- Prüfsignal
- 7.
- Übergeordnete Steuereinheit (SPS, µC, ASIC, Signalprozessor)
- 8.
- LED-Anzeige
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015207473 B3 [0004]
- DE 102007026512 B4 [0005]
- DE 102007027415 B4 [0006]
- US 5777557 A [0007, 0008, 0016]
