DE4244761A1 - Füllstand-Meßsystem und Verfahren zur Testsignalübertragung in einem solchen Füllstand-Meßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Testsignalübertra­ gung in einem Füllstand-Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Füllstand-Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Eine derartige Anordnung ist in bezug auf die Testbefehl­ übertragung z. B. aus der DE 31 27 637 C2 bekannt. Dieses Füllstand-Meßsystem besteht aus einem kapazitiven Sensor, der über eine Zweidrahtleitung mit einem entfernt angeordne­ ten Auswertgerät verbunden ist, das zyklisch wiederkehrende Testprozeduren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der einzelnen Komponenten nutzt. Die Zuführung eines Meßwertes zum Auswertgerät erfolgt durch Umsetzung desselben in eine zugehörige Frequenz, die in Form von Impulsen über die Zweidrahtleitung zum Auswertgerät gesendet wird. Zur Auslö­ sung eines Testzyklus wird die Stromversorgung des Sensors durch Öffnen eines im Auswertgerät vorhandenen, in die Zweidrahtleitung eingeschalteten Schalters unterbrochen. Der daraufhin eingeleitete Testzyklus bewirkt die sensorinterne Generierung einer Frequenz, die höher als die durch die Sensorkapazität bestimmte Meßfrequenz ist. Diese Frequenzen werden vom Auswertgerät erfaßt und auf Korrektheit über­ prüft.

Weiterhin ist aus der EP 0 433 995 A2 ein Testsystem be­ kannt, bei dem empfängerseitig ein Testsignalgenerator zur Einleitung eines Funktionstests vorhanden ist. Der Testsi­ gnalgenerator ist durch einen Schalter gebildet, der die beiden Versorgungsleitungen zwischen Auswertgerät und Sen­ sorkomponenten kurzschließt, d. h. die Leistungsspeisung des Sensors kurzfristig unterbricht. Zur Testung werden die beiden Sensor-Ausgangsleitungen durch ein vorgegebenes Kontrollsignal beaufschlagt, das dem Auswertgerät zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Füllstand-Meß­ system und ein Verfahren zur Testsignalübertragung in einem solchen Füllstand-Meßsystem zu schaffen, mit dem sich eine zuverlässige Messung sicherstellen und insbesondere ein Testzyklus in unproblematischer, aussagekräftiger Weise durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und für das Füllstand-Meßsystem durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht also im wesentlichen darauf, daß von der Meßeinrichtung oder vom Auswertgerät in regelmäßigen Abständen ein Testbefehl zur Einleitung eines Testzyklus für die Überprüfung der korrekten Funktionsweise des Füllstand-Meßsystems erzeugt wird, wobei noch folgende Merkmale erfüllt werden:

• - unterbrechungslose Stromspeisung der Meßeinrichtung durch das Auswertgerät über die Leitung während des Testzyklus,
• - Einleitung des Testzyklus durch eine von der Meßeinrich­ tung oder Auswertgerät für eine vorgegebene Zeitspanne erzwungene Strompegelbegrenzung auf eine außerhalb des normalen Meßbereiches des Sensors liegende Stromamplitude,
• - Übertragung eines vorgegebenen und innerhalb des normalen Meßbereiches liegenden Referenzstromwertes vom Sensor zum Auswertgerät als Referenzsignal, und
• - Vergleich des Referenzsignales mit einer Sollwertgröße im Auswertgerät und Generierung einer Fehlermeldung im Falle einer vorgegebenen Abweichung zwischen Referenzsignal und Sollwertgröße.

Erfindungsgemäß regelt der Sensor den auf der Zweidrahtlei­ tung fließenden Strom derart, daß seine Amplitude die durch den Sensor erfaßte Meßgröße, insbesondere den Füllstand, repräsentiert. Der Sensor erzwingt somit einen der Meßgröße jeweils entsprechenden analogen Leitungsstrom, so daß das Auswertgerät lediglich die Stromamplitude erfassen muß und hieraus in äußerst zuverlässiger, störunanfälliger Weise den Meßwert ermitteln kann. Diese Form der Signalübertragung ist zuverlässiger als eine herkömmliche Meßwertkodierung in Form von Impulsen, die an das Auswertgerät gesendet werden. Bei letzterer Methode besteht die Gefahr der Meßwertverfälschung durch störgrößenbedingte Impulsunterdrückung oder aber Einblendung zusätzlicher Störimpulse. Auch gegenüber einer Meßmethode, bei der zunächst die Stromaufnahme des Sensors ohne Meßsignal und anschließend der Stromfluß zum Sensor bei überlagertem Meßsignal gemessen wird (DE 28 37 377 C3), bestehen insoweit Vorteile, als bei der erfindungsgemäßen, sensorseitigen Leitungsstromregelung das Auswertgerät sofort und ohne Differenzbildung oder dergleichen den Test- oder Meßwert übernehmen und auswerten kann. Auch bleiben Störein­ flüsse wie etwa Leitungswiderstandsschwankungen oder der­ gleichen ohne negative Auswirkung. Die erfindungsgemäße Leitungsstromregelung zur Meßwertübertragung ist auch unab­ hängig von einer bestimmten Meß- und Referenzgliedausgestal­ tung funktionsfähig und einsetzbar.

Die erfindungsgemäße Leitungsstromregelung erfolgt vorzugs­ weise in schaltungstechnisch einfacher Weise durch einen sensorseitigen Stromregler, dem ein meßwertabhängiges Signal als Sollwert zugeführt wird.

Das den Füllstand angebende Oszillator-Resonanzfrequenzsig­ nal läßt sich in bevorzugter Weise durch Frequenz-Span­ nungswandlung in ein analoges Ausgangssignal umsetzen, das unmittelbar als Sollwert des Stromreglers für die Leitungs­ stromregelung dienen kann. Bei schaltungstechnisch einfachem Aufbau läßt sich somit eine direkte Nachführung der Lei­ tungsstromamplitude entsprechend der gemessenen Meßgröße erreichen.

Vom Sensor nicht benötigter Strom kann hierbei durch eine im Sensor vorhandene spannungsabhängige Stromsenke aufgenommen werden, so daß sich unabhängig von der Leitungsstromamplitu­ de eine konstante interne Sensorversorgungsspannung ergibt.

Eine günstige und mit geringem Aufwand realisierbare Erfas­ sung des Testbefehls läßt sich durch eine Pegelüberwachungs­ einrichtung bewerkstelligen, die eine durch den Testbefehl­ leitungsstrom hervorgerufene Vollaussteuerung des Stromreg­ lers erfaßt. Um die Testzyklusdauer zeitlich zu definieren, ist bevorzugt eine Zeitbestimmungsstufe vorhanden, die in sehr einfacher Weise als Monoflop ausgestaltet sein kann.

Zur Unterdrückung der Auswirkungen eventueller Störimpulse, die eine solche Vollaussteuerung des Stromreglers bewirken oder simulieren, ist bevorzugt ein Zeitverzögerungsglied vorhanden, das eine Testzykluseinleitung dann freigibt, wenn der Stromregler für eine bestimmte Zeitdauer kontinuierlich voll ausgesteuert wurde.

Der Aufbau läßt sich noch dahingehend modifizieren, daß über eine Konstantspannungsquelle eine Konstantspannung an den Stromregler als Sollwert angelegt wird, während ein bestimm­ ter Abschnitt des Testzyklus durchgeführt wird. Hierdurch wird bei korrekter Funktionsweise ein definierter Leitungs­ strom erzwungen, dessen Größe mit einem gespeicherten Ver­ gleichsreferenzwert verglichen werden kann.

Um die bei einer Testbefehlsübertragung auftretende Stromli­ mitierung auf einen bestimmten, vorzugsweise niedrigen Wert zu erreichen, weist das Auswertgerät vorzugsweise eine Konstantstromquelle auf, die während des Testbefehls zur Sensorspeisung eingesetzt wird und die den Testbefehls-Strom erzeugt.

Zur zuverlässigen Erfassung des Sensorstroms ist im Auswert­ gerät vorzugsweise ein Stromfühlwiderstand vorgesehen, über den der gesamte Sensorstrom geführt wird, so daß am Strom­ fühlwiderstand ein stromproportionaler Spannungswert auf­ tritt, der leicht weiterverarbeitet werden kann.

Mit vorliegender Erfindung läßt sich zudem ein Testzyklus in unproblematischer, definierter Weise einleiten und durchfüh­ ren, ohne daß der Sensor mit einer eigenen Spannungsversor­ gung ausgestattet sein muß.

Die beiden eingangs genannten Maßnahmen zur Bildung des Testbefehls (kurzzeitige Leitungsunterbrechung bzw. -kurz­ schließung) haben nämlich den Nachteil, daß die Sensorelek­ tronik während des Zeitraums der Erzeugung des Testbefehls nicht mehr vom Auswertgerät gespeist wird, so daß derartige Sensoren einen mittels Diode von der Zweidrahtleitung abge­ koppelten Pufferkondensator benötigen, der die Spannungsun­ terbrechung überbrückt. Die hierfür unabdingbaren Elektro­ lytkondensatoren besitzen aber nur mangelhafte Lebensdauer (insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen), erhebliche Baugröße und sind zudem in eigensicheren Ex-Stromkreisen problematisch (solche Kondensatoren müßten unter Verguß inselartig angeordnet sein, wobei der Zugriff über hochohmi­ ge Strombegrenzungswiderstände zu erfolgen hätte). Des weiteren ist die elektromagnetische Störfestigkeit dieser Übertragungsmethoden eingeschränkt, da aus Gründen der benötigten Speicherkapazität nur relativ kurze Spannungsun­ terbrechungszeiten gewählt werden können. Wenn der Initial­ befehl vom Auswertgerät an den Sensor in Form einer Span­ nungsabschaltung mit nur sehr schmaler Impulsbreite erfolgt, können bereits schmale Störimpulse durch kapazitive oder induktive Einstreuungen den Initialbefehl maskieren bzw. imitieren. Solche schmalen Störimpulse sind in industrieller Umgebung im Störspektrum besonders häufig vertreten. Im Fall von zeitlich ausgedehnteren Befehlsmustern können die Stör­ impulse zwar ausgemittelt werden, jedoch wird dann eine entsprechend stärker dimensionierte Hilfsspannungsquelle im Sensor benötigt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der Testbefehl demgegenüber durch Begrenzung des dem Sensor zugeführten Stroms auf einen oberhalb dessen Eigenstromverbrauch, aber außerhalb des normalen Meßstrombereichs liegenden Wert gebildet werden. Somit bleibt auch bei der Einleitung des Testzyklus ausreichende Stromspeisung des Sensors sicherge­ stellt, so daß dieser keine eigene Strom- oder Spannungs­ quelle (zusätzlich zur Stromspeisung durch das Auswertgerät) benötigt. Diese vom Sensor oder vorzugsweise vom Auswertge­ rät erzwungene Strompegelbegrenzung auf einen außerhalb, vorzugsweise unterhalb des üblichen Arbeitsbereichs liegen­ den Wert, kann vom System in sehr einfacher Weise erfaßt werden, beispielsweise über einen Strompegeldetektor, und als Folge hiervon der Testzyklus eingeleitet werden. Alter­ nativ kann auch der Sensor den Strompegel periodisch auf einen oberhalb des höchsten Meßstroms liegenden Wert anheben und hierdurch dem Auswertgerät die Einleitung des Testzyklus signalisieren. Diese Testbefehlgestaltung kann auch unabhän­ gig von den in den übrigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen vorgesehen sein.

In bevorzugter Weise wird nach der Zuführung des Testbefehls vom Sensor ein innerhalb des normalen Meßbereichs liegendes Referenzsignal vorbestimmter Größe abgegeben. Dieses Refe­ renzsignal liegt über die Zweidrahtleitung auch am Auswert­ gerät an und kann von diesem auf korrekte Höhe überprüft werden. Damit Leitungswiderstände, die z. B. aufgrund vari­ ierender Leitungslänge unterschiedliches Ausmaß haben kön­ nen, die Signalamplitude nicht beeinflussen, wird das Refe­ renzsignal als eingeprägter Strom auf der Leitung übertra­ gen.

Eine noch weiterreichende Verfeinerung und Verbesserung der Überprüfung der korrekten Funktionsfähigkeit des Systems läßt sich dadurch erreichen, daß der Sensor nach dem Testbe­ fehl ein weiteres Signal abgibt, dessen Größe, insbesondere Stromamplitude, oberhalb der üblichen Meßbereichs-Signale liegt. Folglich kann der Gesamtbereich der vom Sensor wäh­ rend eines normalen Meßzyklus abgebbaren Signalamplituden durch jenseits der zulässigen Grenzen liegende Testsignale sowie ein innerhalb des Meßbereichs liegendes Testsignal insgesamt überprüft werden.

Um eine aussagestarke, zuverlässige Funktionstestung zu erzielen, ist in einer Weiterbildung der Erfindung zusätz­ lich zu dem den Füllstand erfassenden Schwingelement ein Referenzglied in Form eines Bandfilters vorhanden, das nach Auftreten des Testbefehls ausgewertet wird und folglich ein Referenzsignal abgibt. Das Schwingelement eines Vibra­ tions-Füllstand-Sensors, insbesondere bei Ausbildung als Gabelresonator oder Koaxialschwinger, stellt ein komplexes elektromechanisches Gebilde dar, das sich nicht in einfacher Weise durch ein einzelnes elektronisches Bauteil ersetzen läßt. Erfindungsgemäß wurde aber erkannt, daß das Schwing­ element durch einen Resonator in Form eines Bandfilters in seinen Eigenschaften für Testzwecke äußerst zuverlässig nachgebildet werden kann. Das Bandfilter zeichnet sich zudem durch äußerst geringe Baugröße und hohe Zuverlässigkeit aus. Das Bandfilter kann aktiv elektronischer, mechanischer oder passiv elektrischer Art sein.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Band­ filter so ausgelegt, daß es in seiner Güte und Phasenver­ schiebung einem in bestimmter Weise mit Füllgut bedeckten Gabelresonator entspricht. Dies hat zur Folge, daß das Bandfilter bei Erregung durch den Oszillator nicht nur auf der Frequenz eines füllgutbedeckten Sensors schwingt, son­ dern auch bei Fehlern im Oszillator oder den ihn speisenden Komponenten gleichartige fehlerhafte Frequenzverschiebungen bzw. Schwingungsausfälle erzeugt, wie es auch beim nachzu­ bildenden Gabelresonator selbst der Fall wäre. Der auf diese Weise gewonnene Referenzwert durchläuft in gleicher Weise wie das Meßsignal alle nachfolgenden signalverarbeitenden Stufen und beinhaltet damit auch deren Nullpunkt und Steil­ heitsfehler. Durch Vergleich dieses Referenzwerts mit einem beim Initialisierungsabgleich im Auswertgerät abgespeicher­ ten Vergleichsreferenzwert können alle wesentlichen bei der Schwingungssignalerzeugung, -erfassung, -auswertung und -umsetzung beteiligten Komponenten auf Fehlerfreiheit über­ prüft werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrie­ ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht einer ein Ausführungsbeispiel des Füllstand-Sensors enthaltenden Anordnung zur Funktionsüberwachung und -auswertung bei Füllstandsdetektoren,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Füllstandsensors,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Auswertgeräts, das mit dem in Fig. 2 dargestellten Sensor verbunden ist, und

Fig. 4 ein Impulsdiagramm, das den zeitlichen und amplitudenmäßigen Verlauf der auf der Zwei­ drahtleitung zwischen Sensor und Auswertgerät fließenden Ströme zeigt.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Füllstand-Meßeinrichtung gezeigt, die ein Auswertgerät 1 umfaßt, das über eine Zweidrahtleitung 2 mit einem Sensor 3 verbunden ist. Der Sensor 3 dient zur Füll­ standmessung und empfängt einen Eingangsparameter P, der den Füllstand z. B. in Form der Füllgutdichte darstellt. Der Sensor 3 ist als Schwingelement, und zwar hier speziell als Gabelresonator ausgebildet.

Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung ist wie folgt
Die Meßwerte werden vom Sensor 3 zum Auswertgerät 1 in Form eines Zweileitersignals übertragen. Hierbei wird die Ein­ leitung eines Meßzyklus durch das Auswertgerät 1 gesteuert und dadurch realisiert, daß der Stromfluß auf der Leitung 2 zwischen dem Sensor 3 und dem Auswertgerät 1 kurzzeitig auf einen Wert von 4 mA, der unterhalb des im normalen Meßbe­ reich auftretenden Stroms liegt, begrenzt wird. Diese Stromabsenkung wird von der Elektronik im Sensor 3 erkannt und löst eine Folge interner Prüfungen aus, die so ausgelegt sind, daß alle auftretenden Fehler im Sensor, und zwar sowohl mechanische als auch elektrische Fehler, erkannt wer­ den können. Dies wird im folgenden noch näher unter Bezug­ nahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Das Stromsignal auf der Leitung 2 hat dabei den in Fig. 4 dargestellten Ver­ lauf.

In der Phase I wird der Strom kurzzeitig für 50 ms auf einen Wert von 4 mA begrenzt, wodurch der Meßzyklus gestartet wird. In der Phase II wird für die Dauer von ca. 200 ms ein Referenzstromwert übertragen, dessen Größe innerhalb des auch bei einer normalen Messung möglichen Strombereiches von 5 bis 20 mA liegt, und z. B. 15 mA beträgt. Anschließend wird in der Phase III für eine Dauer von ca. 100 ms ein Synchroni­ sationsimpuls übertragen, dessen Größe oberhalb der bei ei­ ner normalen Messung auftretenden Stromamplituden liegt und beispielsweise 25 mA beträgt. In der anschließenden Phase IV wird dann der aktuelle Meßwert übertragen. Die Gesamtdauer der Phasen I bis IV beträgt z. B. 1 s, kann aber auch kürzer oder länger gewählt werden.

Bei Auftreten von Fehlern verändert sich dieser Signalver­ lauf hinsichtlich der Amplituden- und Zeitwerte. Durch einen Vergleich mit abgespeicherten Kennwerten im Auswertgerät 3 wird diese Veränderung festgestellt und ggf. Sicherheitsmaß­ nahmen eingeleitet.

Die Testfunktion wird kontinuierlich wiederholt, wobei die Wiederholfrequenz dem Reziprokwert der Gesamtdauer der Pha­ sen I bis IV entspricht (Dauerüberwachung). Die Gesamtdauer eines solchen Zyklus der Phasen I bis IV kann, wie in Fig. 4 angegeben, eine Sekunde betragen, jedoch auch andere Werte annehmen.

In den Fig. 2 und 3 ist das komplette Meßsystem in größeren schaltungstechnischen Einzelheiten dargestellt. Der Sensor 3 ist dabei in Fig. 2 gezeigt, während das Auswertgerät 1 in Fig. 3 dargestellt ist. Der Sensor 3 wird vom Auswertgerät 1 über die gestrichelt angedeutete Zweidrahtleitung mit Strom gespeist, die sensorseitig mit Anschlüssen 12 und 14 und auswertgerätseitig mit Anschlüssen 26 und 27 verbunden ist.

Der Sensor weist einen Gabelresonator (Schwinggabel) 22 auf, der im normalen Meßbetrieb über einen Oszillator 17 rück­ gekoppelt ist und auf seiner mechanischen Resonanzfrequenz schwingt. Diese verringert sich mit zunehmender Bedeckung der Schwinggabel mit Füllgut, da sich die schwingungsfähige Masse aufgrund der mitbewegten Flüssigkeitsanteile erhöht. Damit stellt die Frequenz des Oszillator-Ausgangssignals, die über eine Leitung 23 als Erregerspannung an den Gabel­ resonator 22 angelegt wird, ein direktes Maß für den zu be­ stimmenden Füllstand dar und wird an einen Impulsformer 18 angelegt, der die analoge Ausgangsspannung in ein amplitu­ denstabiles, steilflankiges Rechtecksignal umwandelt. Dieses Rechtecksignal wird dem Eingang eines Frequenz-Spannungswan­ dlers 19 zugeführt und durch diesen in eine Analogspannung umgewandelt, die proportional zur Periodendauer des Oszilla­ tor-Ausgangssignals ist. Das Ausgangssignal des Frequenz­ spannungswandlers 19 wird über einen Schalter 25 an den Sollwert-Eingang eines Stromreglers 10 angelegt und bildet somit dessen Sollwert-Eingangsgröße. Der Istwert-Eingang des Stromreglers 10 ist mit dem Anschluß 14 und zugleich mit ei­ nem Anschluß eines Stromfühlwiderstands 13 verbunden, dessen anderer Anschluß auf Masse liegt. Da der Sensor keine unab­ hängige Eigenstromversorgung besitzt, flieht der gesamte, vom Sensor über den Anschluß 12 aufgenommene Strom über den Stromfühlwiderstand 13 zum Anschluß 14 und über diesen wei­ ter zum Auswertgerät 1 zurück, so daß die am Verbindungs­ punkt zwischen dem Stromfühlwiderstand 13 an dem Anschluß 14 auftretende Spannung direkt proportional zum gesamten, vom Sensor auf genommenen Strom ist.

Der Stromregler 10 steuert über seinen Ausgang eine mit dem Anschluß 12 verbundene steuerbare Stromquelle 11 des Sensors derart, daß die am Stromfühlwiderstand 13 gemessene Gesamt­ stromaufnahme des Sensors 3 der Ausgangsspannung des Fre­ quenz-Spannungswandlers 19 proportional ist. Die steuerbare Stromquelle 11 liegt in Reihe mit einer Spannungs-Stabi­ lisierungsstufe 6, die eine spannungsabhängige Stromsenke darstellt und mit ihrem anderen Anschluß mit Sensor-Massepo­ tential verbunden ist. Die Stabilisierungsstufe 6 regelt die an parallel zu ihr liegenden Anschlüssen 4, 5 auftretende, als interne Betriebsspannung dienende Spannung auf einen konstanten Wert und leitet den übrigen, von der Sensorschal­ tung nicht benötigten Strom der Stromquelle 11 gegen Masse ab. Damit ergibt sich zwischen den Klemmen 12 und 14 des Sensors 3 ein Stromfluß, der proportional zur Schwingperio­ dendauer ist.

Die Stromspeisung des Sensors 3 erfolgt seitens des Auswert­ geräts 1 aus einer Spannungsquelle 30, die über einen wäh­ rend des normalen Meßbetriebs geschlossenen Schalter 29 di­ rekt mit dem Anschluß 26 verbunden ist und somit eine kon­ stante Spannung an diesen anlegt. Der über den Anschluß 14 zurückfließende Sensorstrom flieht über einen Strom­ fühlwiderstand 31 des Auswertgeräts 1 zur Spannungsquelle 30 zurück, wobei die am Verbindungspunkt zwischen dem Anschluß 27 und dem Stromfühlwiderstand 31 auftretende Spannung di­ rekt proportional zum Sensorstrom ist. Die am Stromfühlwi­ derstand 31 auftretende Spannung wird durch einen Ana­ log/Digital-Wandler 32 digitalisiert und in digitaler Form an ein Prozessorsystem 33 angelegt, das Mikroprozessoren und die weiteren zugehörigen Komponenten enthält. Das Prozessor­ system 33 verarbeitet den zugeführten digitalisierten Span­ nungswert weiter und erzeugt aufgrund seiner internen Schalttriggercharakteristik aus dem Meßwert ein binäres Füllstandsignal, das über ein Relais 35 an einem Ausgang 36 ausgegeben wird. Das Prozessorsystem 33 steuert weiterhin den Schaltzustand des Schalters 29 sowie eine Anzeige- und Bedienelemente enthaltende Einheit 34 und erfaßt auch Betä­ tigungen dieser Elemente. Weiterhin steuert das Prozessorsy­ stem über ein Relais 37 einen Ausgang 38 für die Abgabe ei­ ner Störmeldung.

Zum Test des Sensors auf dessen korrekte Funktion wird er­ findungsgemäß auf dessen elektrischen Eingang eine Re­ ferenzgröße geschaltet, die in ihrer Auswirkung den gesamten nachfolgenden signalverarbeitenden Aufbau in eindeutiger Weise beeinflußt und daher eine Information über die Fehler­ freiheit der füllstanddetektionsrelevanten Sensorkomponenten liefert, wie im folgenden noch näher erläutert wird. Hierbei ist zugleich sichergestellt, daß die übrigen, nicht an der Referenzmessung beteiligten, insbesondere die mechanischen Sensorkomponenten so aufgebaut sind, daß sie entweder von vornherein als ausfallsicher angesehen werden können oder ein Fehlverhalten derselben in anderer Weise detektiert wird. Der Testzyklus wird vom Auswertgerät 1 periodisch durch Zuführung eines Testbefehls zum Sensor 3 (über die Zweidrahtleitung 2) ausgelöst. Hierbei arbeitet das erfin­ dungsgemäßes System mit einer stromkodierten Übertragung des Testzyklusbefehls, indem als Testbefehl ein Stromwert an den Sensor 3 abgegeben wird, dessen Amplitude oberhalb des maxi­ malen Eigenstrombedarfs des Sensors, aber unterhalb des niedrigsten Meßstroms bei normaler Messung liegt. Hierdurch ist die permanente Speisung des Sensors auch bei Zuführung des Testbefehls gewährleistet.

Alternativ kann der Testbefehl auch durch einen im Sensor eingebauten Stromgenerator erzeugt werden, der zur Ein­ leitung der Test-, Referenz- und Meßphase der Zwei­ drahtleitung 2 einen periodisch wiederholten Strom von mehr als 20 mA aufprägt.

Zur Übertragung des Testbefehls öffnet das Prozessorsystem 33 den Schalter 29, so daß die direkte Verbindung der Span­ nungsquelle 30 mit dem Anschluß 26 aufgehoben ist. Die Stromspeisung des Sensor erfolgt somit nunmehr über eine zwischen den Anschluß 26 und die Spannungsquelle 30 geschal­ tete Konstantstromquelle 28, welche den Sensor mit einem Stromwert speist, der oberhalb des maximalen Sensor-Eigen­ stromverbrauchs, jedoch unterhalb des tiefsten zu übertra­ genden Meßwertstroms liegt. Diese Strombegrenzung hat zur Folge, daß der Sensor nicht mehr imstande ist, auf der Zwei­ drahtleitung 2 mit Hilfe der steuerbaren Stromquelle 11 und der Stabilisierungsstufe 6 einen Stromwert aufzubringen, der dem vom Frequenz-Spannungswandler 19 gelieferten Span­ nungswert proportional ist. Da der Stromregler 10 aber gleichwohl versucht, diese Proportionalität aufrecht zu er­ halten, gelangt sein Ausgangssignal in die Begrenzung, da er versucht, die steuerbare Stromquelle 11 voll auszusteuern. Dieser im normalen Reglerbetrieb nie vorkommende Regler-Aus­ gangsspannungswert wird von einer mit dem Stromreglerausgang verbundenen Pegelüberwachungsstufe 9 erfaßt, die bei Auftre­ ten solcher Begrenzungs-Reglerausgangsspannungen ein positi­ ves Ausgangssignal an eine Zeitverzögerungsstufe 8 abgibt. Die Zeitverzögerungsstufe 6 dient zur Ausfilterung EMV-be­ dingter Störimpulse und gibt erst nach Ablauf einer Mindest­ zeit des kontinuierlichen Auftretens des positiven Ausgangs­ signals der Pegelüberwachungsstufe 9 einen Triggerimpuls an ein nachgeschaltetes Monoflop 7 ab. Das Monoflop 7 aktiviert während seiner Monoschwingung vorbestimmter Dauer die Refe­ renzmessung. Das Ausgangssignal des Monoflops 7 wird über eine Leitung 15 an einen Schalter 20 angelegt, der nor­ malerweise, d. h. bei ungetriggertem Monoflop 7, den Oszilla­ tor 17 mit der Schwinggabel 22 verbindet, so daß diese Kom­ ponenten im Resonanzkreis liegen.

Bei aktiviertem Monoflop 7 wird der Schalter 20 jedoch zu einem parallel zur Schwinggabel 22 liegenden Bandfilter 21 umgeschaltet, so daß dieses nun über die Leitung 23 im Reso­ nanzkreis mit dem Oszillator 17 liegt. Das Bandfilter 21 ist als aktives elektronisches Bandfilter ausgestaltet, kann aber auch mechanischer oder passiv elektrischer Art sein. Das Bandfilter 21 ist so ausgelegt, daß es in seiner Güte und Phasenverschiebung einem in bestimmter Weise mit Füllgut bedeckten Gabelresonator 22 entspricht. Das Ausgangssignal des Oszillators 17 hat somit bei Verbindung mit dem Bandfil­ ter 21 im Normalfall eine definierte Frequenz, die der eines in bestimmter Weise mit Füllgut bedeckten Sensors ent­ spricht.

Bei Fehlern im Oszillator 17 oder der ihn speisenden Kompo­ nenten treten daher gleichartige fehlerhafte Frequenzver­ schiebungen oder Schwingungsausfälle auf. Der bei Verbindung des Oszillators 17 mit dem Bandfilter 21 gewonnene Referenz­ wert durchläuft in gleicher Weise wie ansonsten das Meßsig­ nal die nachfolgenden signalverarbeitenden Stufen 18, 19, 25, 10, 11 und 13 (Fig. 2) sowie 29 bis 32 (Fig. 3) und be­ inhaltet damit zusätzlich auch deren Nullpunkt- und Steil­ heitsfehler, so daß alle diese Komponenten überprüfbar sind.

Während der Verbindung des Bandfilters 21 mit dem Oszillator 17 ist der lediglich während der Übertragung des Testbefehls (Phase I in Fig. 6) geöffnete Schalter 29 wieder geschlos­ sen, so daß die Stromregelung wieder aktiviert ist.

Das Prozessorsystem 33 vergleicht den in der Phase II des Testzyklus, d. h. den während der Verbindung des Bandfilters 21 mit dem Oszillator 17 auftretenden Referenzwert mit einem beim Initialisierungsabgleich des Meßsystems abgespeicherten Vergleichsreferenzwert. Bei korrekter Schaltungsfunktion stimmen diese Werte überein, so daß keine Fehlermeldung ab­ gegeben wird. Bei Abweichungen des Referenzwerts vom Ver­ gleichsreferenzwert aktiviert demgegenüber das Prozessor­ system 33 über das Relais 37 den Ausgang 38, so daß eine Störmeldung abgegeben wird, zugleich wird der Füllstand-Aus­ gang 36 stromlos geschaltet.

Nach Ablauf der Schwingungsdauer des Monoflops 7, die der Dauer der Phase II (Fig. 6) entspricht und eine Zeitdauer von 200 ms haben kann, schaltet dieses aufgrund seines Aus­ gangssignalpegelwechsels den Schalter 20 wieder in die vor­ herige Stellung zurück, so daß nun erneut der Oszillator 17 mit dem Gabelresonator 22 verbunden ist. Durch das Zurück­ kippen des Monoflops 7 wird auch ein weiteres, mit der Lei­ tung 15 verbundenes und den Schaltzustand des Schalters 25 steuerndes abfallgetriggertes Monoflop 16 getriggert, so daß dieses für eine der Phase III (Fig. 6) entsprechende Zeit­ dauer ein Ausgangssignal positiven Pegels abgibt, das den Schalter 25 so umschaltet, daß der Sollwert-Eingang des Stromreglers 10 nun mit einer Stufe 24 verbunden wird. Die Stufe 24 erzeugt eine konstante Spannung, die als Synchroni­ sationsimpuls dient und in ihrem Wert höher ist als der höchste Meßwert. Dieser während der Phase III angelegte Syn­ chronisationsimpuls dient dem Auswertgerät 1 zur Unterschei­ dung zwischen dem Referenzwert während der Phase II und dem Meßwert (Phase IV) und bewirkt zudem eine Überprüfung der Stromtragfähigkeit der Zweidrahtleitung 2 sowie der Aus­ steuerbarkeit der verschiedenen zwischengeschalteten Stufen.

Mit dem Zurückkippen des Monoflops 16 ist die Phase III und damit der Testzyklus beendet und es wird in der nachfolgen­ den Phase IV der Meßwert übertragen.

Durch diese Überprüfung lassen sich durch defekte Bauteile hervorgerufene unzulässige Abweichungen von den korrekten Werten erfassen und entsprechende Störmeldungen abgeben. Weiterhin gibt das Prozessorsystem 33 auch dann eine Stör­ meldung ab, wenn der Meßwert über eine obere Toleranzgrenze ansteigt oder aber aufgrund von Korrosionserscheinungen oder eines Bruchs des Gabelresonators unter den Wert beim Initia­ lisierungsabgleich sinkt.

Claims (18)

1. Verfahren zur Testsignalübertragung in Füllstand-Meßsy­ stemen mit einer einen Sensor (22) enthaltenden Meßein­ richtung (3), die über eine Leitung (2) mit einem Aus­ wertgerät (1) verbunden ist, bei welchem von der Meßein­ richtung (3) oder vom Auswertgerät (1) in regelmäßigen Abständen ein Testbefehl zur Einleitung eines Testzyklus für die Überprüfung der korrekten Funktionsweise des Füllstand-Meßsystems erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - unterbrechungslose Stromspeisung der Meßeinrichtung (3) durch das Auswertgerät (1) über die Leitung (2) während des Testzyklus,
• - Einleitung des Testzyklus durch eine von der Meßein­ richtung (3) oder Auswertgerät (1) für eine vorgegebe­ ne Zeitspanne erzwungene Strompegelbegrenzung auf eine außerhalb des normalen Meßbereiches des Sensors (22) liegende Stromamplitude,
• - Übertragung eines vorgegebenen und innerhalb des normalen Meßbereiches liegenden Referenzstromwertes vom Sensor (22) zum Auswertgerät (1) als Referenzsi­ gnal, und
• - Vergleich des Referenzsignales mit einer Sollwertgröße im Auswertgerät (1) und Generierung einer Fehlermel­ dung im Falle einer vorgegebenen Abweichung zwischen Referenzsignal und Sollwertgröße.

2. Füllstand-Meßeinrichtung, die einen Sensor (22) zur Füllstanderfassung aufweist und über eine Leitung (2) mit einem entfernt angeordneten Auswertgerät (1), das die Meßeinrichtung (3) über die Leitung (2) mit Leistung versorgt, verbunden ist, wobei von der Meßeinrichtung (3) oder dem Auswertgerät (1) in regelmäßigen Abständen ein Testbefehl zur Einleitung eines Testzyklus für die Überprüfung der korrekten Funktionsweise der Meßeinrich­ tung (3) generierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) während des Testzyklus unterbre­ chungslos über die Leitung (2) mit Strom versorgbar ist, daß eine Einrichtung zum Einleiten des Testzyklus vorge­ sehen ist, durch welche für eine vorgegebene Zeitspanne eine von der Meßeinrichtung (3) oder Auswertgerät (1) erzwungene Strompegelbegrenzung auf eine außerhalb des normalen Meßbereiches des Sensors (22) liegende Strom­ amplitude erfolgt, daß durch die Meßeinrichtung (3) nach dem Einleiten des Testzyklus ein vorgegebener und inner­ halb des normalen Meßbereiches des Sensors (22) liegen­ der Referenzstromwert vom Sensor (22) zum Auswertgerät (3) als Referenzsignal übertragbar ist, und daß im Auswertgerät (1) eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Referenzsignal mit einer Sollwertgröße vergleicht und im Falle einer vorgegebenen Abweichung eine Fehler­ meldung erzeugt.

3. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) ein Grenzschal­ ter ist.

4. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) den auf der Zweidrahtleitung (2) fließenden Strom derart regelt, daß seine Amplitude den durch die Meßeinrichtung erfaßten Füllstand repräsentiert.

5. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) einen Stromregler (10) umfaßt, an den ein Wert, der den auf der Leitung (2) fließenden Strom repräsentiert, als Istwert und ein den gemessenen Füllstand repräsentieren­ der Wert als Sollwert angelegt sind und der den auf der Zweidrahtleitung fließenden Strom regelt.

6. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine den in der Leitung (2) fließenden Strom steuernde, durch den Stromregler (10) gesteuerte Stromquelle (11) vorhanden ist, die mit einer Stromsenke (6) zusammenwirkt, die den von der Meßeinrichtung (3) nicht benötigten Strom aufnimmt.

7. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromregler (10) eine Pegelüberwachungseinrichtung (9) nachgeschaltet ist, die bei einer durch den während des Testbefehls fließenden begrenzten Strom hervorgerufenen Vollaussteuerung des Stromreglers (10) anspricht und eine vorzugsweise als Monoflop ausgebildete Zeitbestimmungsstufe (7) akti­ viert.

8. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen die Pegelüberwachungseinrich­ tung (9) und die Zeitbestimmungsstufe (7) ein Zeitverzö­ gerungsglied (8) geschaltet ist, das die Aktivierung der Zeitbestimmungsstufe (7) nur nach einer vorbestimmten Zeitdauer der kontinuierlichen Vollaussteuerung des Stromreglers (10) freigibt.

9. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantspannungs­ quelle (24) vorgesehen ist, über die während eines Zeitabschnitts des Testzyklus eine konstante Spannung an den Stromregler (10) als Sollwert anlegbar ist.

10. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertgerät eine Konstantstromquelle (28) aufweist, die die Meßeinrichtung (3) während des Testbefehls speist.

11. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromfühlwiderstand (13, 31) vorhanden ist, über den der gesamte durch die Meßeinrichtung fließende Strom fließt.

12. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Testbefehl durch Festlegung des auf der Leitung (2) fließenden Stroms auf einen Wert gebildet ist, der oberhalb des Eigenstromverbrauchs der Meßeinrichtung (3) und außerhalb des Bereichs der bei Durchführung einer normalen Füllstandmessung auftretenden Meßströme liegt.

13. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Testbefehl von der Meßeinrichtung (3) ein Signal mit vorbestimmter Größe, insbesondere vorbestimmter Stromam­ plitude, abgegeben wird, dessen Größe innerhalb des bei einer normalen Messung zulässigerweise auftretenden Amplitudenbereichs liegt.

14. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) nach dem Testbefehl ein Signal ab­ gibt, dessen Größe, insbesondere Stromamplitude, ober­ halb des bei einer normalen Messung zulässigerweise auftretenden Meßbereichs liegt.

15. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (22) ein kapazitiver Sensor vorgesehen ist.

16. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (22) ein Schwinggabelresonator vorgesehen ist, welcher durch einen Oszillator (17) mit seiner mechani­ schen, füllstandabhängigen Resonanzfrequenz ansteuerbar ist, und daß als Referenzglied (21) für den Testzyklus ein Bandfilter vorgesehen ist, das während des Testzy­ klus anstelle des Sensors (22) an den Oszillatorausgang schaltbar ist.

17. Füllstand-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszillator (17) ein Frequenz-Spannungswandler (19) nachgeschaltet ist, der das Oszillator-Ausgangssignal in ein der Oszillatorfre­ quenz entsprechendes analoges Ausgangssignal umsetzt.

18. Füllstand-Meßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Ausgangssignal des Frequenz-Spannungswandlers (19) dem den Strom auf der Zweidrahtleitung regelnden Stromregler (10) als Sollwert zugeführt wird.