WO2023151878A1 - Vorrichtung und verfahren zur überwachung eines sensors - Google Patents

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WO2023151878A1
WO2023151878A1 PCT/EP2023/050283 EP2023050283W WO2023151878A1 WO 2023151878 A1 WO2023151878 A1 WO 2023151878A1 EP 2023050283 W EP2023050283 W EP 2023050283W WO 2023151878 A1 WO2023151878 A1 WO 2023151878A1
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line
temperature
resistor
sensor device
temperature detection
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PCT/EP2023/050283
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Inventor
Michael Schneider
Original Assignee
Turck Holding Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/20—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G—PHYSICS
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    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device according to the preamble of claim 1 and a method for detecting a temperature according to the preamble of claim 10.
  • Temperature sensors are common for simple temperature sensing and display or as a protective element for another technical component.
  • NTC temperature sensor for an explosion-proof heater
  • EP 1 251 718 B1 discloses a cast-in NTC resistor or NTC thermal sensor.
  • a changeover temperature is fixed in the control circuit or can be set via a temperature controller to adapt to different circumstances.
  • the temperature sensor can be used to determine the current temperature of an overtemperature protection for comparison with a specified switchover temperature.
  • a sensor device for temperature detection, comprising a supply line, a drain line and a temperature detection element connected thereto, wherein an evaluation circuit, which is designed as a current and/or voltage measuring unit, is also connected to the supply line and/or to the drain line or includes this, and wherein the evaluation circuit can also be connected to a supply unit.
  • connectable is not to be understood as limiting, and generally means a current-carrying and/or data-carrying connection, depending on the options that are reasonably conceivable in the respective context.
  • a first resistor (R s ) is arranged in the supply line, in particular a resistor with a resistance value that is linear with respect to the current flow, such as an ohmic resistor, and a second resistor (R p ) bridging the temperature detection element is located between the supply line and the outlet line arranged in a bridge line, which is also a resistor with a resistance value linear to the current flow, such as an ohmic resistor, and wherein the temperature detection element is a temperature-dependent resistor.
  • the temperature-dependent resistor can be a platinum measuring resistor, the resistance of which increases more or less linearly according to a defined characteristic curve with increasing temperature.
  • the temperature detection element is a temperature-dependent resistor whose resistance value increases with falling temperature, such as a thermistor, in particular an NTC resistor or NTC thermistor (Negative Temperature Coefficient).
  • the entire sensor head consists only of the thermistor, especially an NTC, supply and output lines and the two resistors mentioned, which are accommodated in a housing or a protective element, such as a cover or bag, or are adjacent to a supporting part or component ( Surface) are at least partially cast on or cast.
  • the evaluation circuit and/or a supply unit connected thereto is designed in such a way that at least three of the following four possible operating states can be distinguished via the temperature detection element:
  • the supply unit also means a multi-part unit that includes, for example, a power circuit and a control circuit.
  • /NUII is a value to be taken as 0 mA or near zero mA or 0 mA and includes existing leakage currents.
  • the current intensity /max is the maximum current intensity dependent on the network or network branch, minus minor power loss currents.
  • /NUII and/or /max also means limit values that are determined as minimum or maximum by the system and are defined as line breaks or short circuits.
  • the installation and line status of the sensor device can thus be determined in a very simple manner by means of self-monitoring without additional sensors.
  • the resistance value of the bridge resistor Rp is 5 to 15 times the resistance value of the input resistor Rs in the supply line, advantageously 8 to 12 times, ideally 10 times.
  • the sensor device comprises at least one additional sensor element and/or is directly connected thereto, with the at least one additional sensor element being arranged in a common housing with the temperature detection element.
  • the sensor device and the further sensor element are connected to a common voltage source or a common supply line.
  • the feed line to the further sensor element can also be made as a two-wire conductor with the analog bridge line and resistor arrangement as described here, which allows analog line monitoring.
  • the further sensor element can ideally be a sensor, in particular an inductive, capacitive or magnetic proximity sensor.
  • the evaluation unit of the sensor device advantageously has a galvanic isolation unit, is connected to it or can be connected to it.
  • This acts as a coupling unit to the supply unit or one of the components of the supply unit.
  • the measured values or measured data relating to temperature, voltage and/or current are forwarded from the evaluation unit to a connected processor or control unit via the galvanic isolation unit.
  • the temperature detection element is not controlled or regulated in a typical embodiment as a simple, purely detecting sensor.
  • Evaluation circuit has a terminating resistor RE in a terminating line to ground (GRD), which is connected to the derivation.
  • the terminal resistance RE in this terminal line is an ohmic resistor, which primarily has a resistance value of 0.5 to 2.5 times the input resistance Rs. Ideally, the resistance values of the input resistance Rs and the end resistance RE correspond.
  • the invention also includes a method for detecting a temperature, in particular a temperature in an explosion-proof room, using a sensor device according to one of the previous embodiment variants.
  • the temperature is determined in the manner described above by measuring the current flow and/or the voltage from the voltage and/or current characteristic of the temperature detection element.
  • a line state detection is also carried out in the method, with the following line states being monitored or recognizable:
  • the ACTUAL temperature and/or the line quality of a further structurally connected sensor element is monitored. Based on this, a temperature-dependent hysteresis of coils, for example, can be compensated and/or the departure from a SET temperature range can be detected and suitable warning and/or control commands can be initiated.
  • the temperature is detected by the sensor device by mounting it on a carrier or a housing section of the proximity sensor, which lies outside the detection angle of the proximity sensor.
  • the two independent signals of the sensor device and of the additional sensor element can take place by means of a 4-wire connection or connection line.
  • This can also be implemented, for example, via a 4-pin industrial connector in M8x1 (according to IEC 61076-2-104) or M12x1 (according to IEC 61076-2-101) design.
  • a particular advantage is that, in addition to the possibility of line monitoring (short circuit and/or break), any damage can also be detected in the application, for example by comparing the expected voltage step dV or expected current step dl with the actual steps based on the specific characteristic are compared or other suitable logical relationships are set up and checked.
  • FIG. 2 shows a switching arrangement analogous to FIG. 1 for an application in the hazardous area
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement of the evaluation circuit which is detailed in relation to FIG.
  • Partial representation a) in FIG. 1 shows a schematic structure of a sensor device 1 for temperature detection, which has a sensor head 2 which is connected to an evaluation circuit 4 via a two-wire line comprising the supply line 11 and the output line 12 .
  • a temperature detection element 10 is connected between the supply line 11 and the discharge line 12 in a current-conducting manner.
  • the evaluation circuit 4 includes a current measuring unit 5 and a voltage measuring unit 6, as is explained in detail in particular in FIG. 3 by way of example.
  • the evaluation circuit 4 can be connected to a supply unit 20 in a way that is not shown, as shown in FIGS. 2 or 3, for example.
  • the sensor head 2 is supplied with a voltage of 8.2 V via the supply unit 20 .
  • An input resistance R s of 1 k ⁇ can be arranged in supply line 11 before temperature detection element 11 , and a bridge line 13 with a bridge resistance R p of 10 k ⁇ can be provided between supply line 11 and output line 12 , which runs parallel to temperature detection element 10 .
  • the temperature detection element 10 is an NTC thermistor with an S-shaped characteristic and a large degree of spread. In this way, logical relationships can be derived because each temperature step, starting from a known point on the characteristic, must follow an expected course of the characteristic if there is no defect in the lines. Thus, a very pronounced characteristic curve with characteristic sections (turning points, gradient change Z courses) is advantageous. If there is a detachment or a break in the temperature detection element 10 itself, the current flows exclusively via the high-impedance bridge line and this error can therefore be easily detected.
  • a break circuit 14 which is indicated in the feed line 11, but could of course also take place in another line section of the feed or discharge line, so that no current flow or only a minimal leakage current flows.
  • a short-circuit circuit 16 is shown as a further faulty state, with a direct connection between the incoming and outgoing lines being created, and the maximum current flow taking place, based on the applied voltage of 8.2 V minus the system resistances and any other leakage currents.
  • the current intensity (y-axis) is plotted against the temperature (x-axis) in the graph.
  • the S-shaped, dot-dash curve 7 shows the characteristic curve of the temperature detection element 10, the upper limit curve 8 with small dashed lines is at 5.86 mA and defines the short circuit and the lower limit curve 9 with long dashed lines is at 0.15 mA and 0.15 mA defines the fractional circuit.
  • the short-circuit circuit thus corresponds to a temperature of approx. 100° C. for a low-impedance temperature detection element 10, with the break circuit corresponding to a temperature of -30° C. for a high-impedance one
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) State of the temperature detection element 10.
  • the current TARGET working range is defined as -20°C to +80°C.
  • a dT of at least 1.0 to 5.0% of the total spread is selected as the distance from the respective limit curve 7, 8, with the value not falling below 1° C. in order to avoid too frequent false-positive error messages.
  • the distance should be 1.0 to 5.0°C.
  • FIG. 2 shows the use for the hazardous area and a corresponding evaluation circuit 4 with the associated supply unit 20 .
  • the supply unit 20 comprises a control circuit 21, in or by means of which the reception and the evaluation of the measured values and data takes place.
  • a power circuit 22 is also included in the control unit 20 .
  • the connection between the evaluation circuit 4 and the supply unit 20 is made in a known manner by a suitable galvanic isolation unit 24, symbolized by the gap between the block of the evaluation circuit 4 marked "Ex" and the two blocks of the supply unit 20 arranged to the right
  • the interconnections 4, 21, 22 are accommodated in a common housing 15 and applied, for example, to a common printed circuit board (PCB).
  • a two-wire line (outlet/supply line 11, 12) leads from the housing 15 or the connection points of the connection circuit 4 to the sensor head 2.
  • the arrangement of the resistors corresponds to that in FIG.
  • An exemplary connection circuit 4 is shown in detail in FIG. It has four comparators 1-4, three of which serve as voltage measuring units to monitor the corresponding signal states.
  • the voltage measuring unit 6 and the end line 23 having an end resistance RE (damping resistor) lead to a common GND line or to the corresponding GND connection.
  • the passive, analog signal can be processed by means of the voltage measuring unit 6, a connected ADC (not shown) and/or a microprocessor.
  • the connection to a known galvanic isolation unit 23 or this itself is not shown in FIG.
  • FIG. 4 shows the connection of the described sensor device 1 to a further sensor element 30 in which the sensor head 2 including the temperature detection element 10 and the sensor head 31 of the further sensor element 30 are accommodated in a common housing 15 are.
  • the further sensor element 30 is designed as an inductive proximity sensor and can have the analog arrangement of the input resistance R s of 1 k ⁇ and the bridge resistance R p of 10 k ⁇ in the supply line 17 towards the output line 18 in the bridge line 19 .
  • the (proximity) sensor head 31 is also connected via a two-wire line to an evaluation circuit which is constructed in a known manner. Analogous, self-monitoring line monitoring with regard to a faulty short-circuit circuit and/or a circuit break and with regard to other errors is possible via the aforementioned interconnection and the input and bridge resistance.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensorvorrichtung zur Temperaturerfassung, umfassend eine Zuleitung, eine Ableitung und ein hierüber verbundenes Temperaturerfassungselement, sowie mindestens eine in der Zuleitung und/oder in der Ableitung verbundene Auswerteschaltung, ausgebildet als und/oder umfassend eine Strom- und/oder eine Spannungsmesseinheit, wobei die Auswerteschaltung mit einer Versorgungseinheit verbindbar ist, wobei in der Zuleitung ein erster Widerstand (Rs) angeordnet ist, insbesondere ein Ohm'scher Widerstand und zwischen der Zuleitung und der Ableitung ein zum Temperaturerfassungselement paralleler zweiter Widerstand (Rp) in einer Brückenleitung angeordnet ist, insbesondere ein Ohm'scher Widerstand, und wobei das Temperaturerfassungselement ein temperaturabhängiger Widerstand ist, insbesondere ein Heißleiter, wie beispielsweise ein NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor (Negative Temperature Coefficient). Weiterhin ist von der Erfindung ein zugehöriges Verfahren umfasst.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Sensors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Temperatursensoren sind zur einfachen Temperaturerfassung und -anzeige oder als Schutzelement für eine weitere technischen Komponente üblich.
Der Einsatz eines NTC-Temperaturfühlers für eine ex-geschützte Heizung ist aus der EP 1 251 718 B1 bekannt, die einen eingegossenen NTC-Widerstand bzw. NTC- Thermosensor offenbart. Hierbei wird eine Umschalttemperatur in der Regelschaltung fest vorgeben oder zur Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten ist dieser über einen Temperaturregler einstellbar. Mit dem Temperaturfühler kann die aktuelle Temperatur einer Übertemperatursicherung für einen Vergleich mit einer vorgegebenen Umschalttemperatur ermittelt werden.
Aus der EP 1388192 B1 ist weiterhin zur Erhöhung der Sicherheit eines Schutzwiderstandes gegen Überhitzung bekannt, einen NTC-Widerstand thermisch fest mit dem Schutzwiderstand zu koppeln, so dass dieser den NTC-Widerstand erwärmt. Somit kann vor dem Erreichen einer unzulässigen Oberflächentemperaturen der Widerstandswert des NTC-Widerstandes so klein werden, dass eine entsprechend geschaltete Shunt-Einrichtung ausgelöst wird.
Insbesondere im explosionsgeschützten Bereich (Ex-Bereich) und bei der Zweileitertechnologie, wie beispielsweise Single Pair Ethernet (SPE) oder Twisted Pair Ethernet (TPE), besteht nach wie vor ein hoher Bedarf nach einem kostengünstigen Temperatursensor, dessen Funktion sicher überwacht werden kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine diesbezüglich verbesserte Sensorvorrichtung zur Temperaturerfassung sowie ein zugehöriges Verfahren zur Temperaturerfassung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensorvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben. Danach wird die Aufgabe gelöst durch eine Sensorvorrichtung zur Temperaturerfassung, umfassend eine Zuleitung, eine Ableitung und ein hierüber verbundenes Temperaturerfassungselement, wobei weiterhin mit der Zuleitung und/oder mit der Ableitung eine Auswerteschaltung verbunden ist, die als Strom- und/oder als Spannungsmesseinheit ausgebildet ist oder diese umfasst, und wobei die Auswerteschaltung zusätzlich mit einer Versorgungseinheit verbindbar ist.
Hierbei ist „verbindbar“ nicht einschränkend zu verstehen, und meint allgemein eine stromleitende und/oder datenleitende Verbindung je nach sinnvoll denkbaren Optionen in dem jeweiligen Sinnzusammenhang.
Vorliegend ist in der Zuleitung ein erster Widerstand (Rs) angeordnet, insbesondere ein Widerstand mit einem zum Stromfluss linearen Widerstandwert, wie ein Ohm’scher Widerstand, und zwischen der Zuleitung und der Ableitung ist ein das Temperaturerfassungselement brückender zweiter Widerstand (Rp) in einer Brückenleitung angeordnet, der ebenfalls ein Widerstand mit einem zum Stromfluss linearen Widerstandwert ist, wie ein Ohm’scher Widerstand, und wobei das Temperaturerfassungselement ein temperaturabhängiger Widerstand ist.
Grundsätzlich kann der temperaturabhängige Widerstand ein Platin- Messwiderstände sein, dessen Widerstand quasi linear nach einer definierten Kennlinie mit steigender Temperatur ansteigt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Sensorvorrichtung sieht allerdings vor, dass das Temperaturerfassungselement ein temperaturabhängiger Widerstand ist, dessen Widerstandswert mit sinkender Temperatur steigt, wie ein Heißleiter, insbesondere ein NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor (Negative Temperature Coefficient).
Es hat sich als Vorteil herausgestellt, dass es durch gezielte Dimensionierung eines solchen temperaturabhängigen Widerstandes, insb. Heißleiter wie ein NTC- Widerstand, an der genannten Schnittstelle möglich ist, einen sehr einfachen, kostengünstigen Temperatursensor zu erstellen. Dieser ist weiterhin für den Ex Bereich geeignet und bietet die Zusatzfunktionen der Leitungsüberwachung hinsichtlich eines Kurzschlusses und/oder eines Leitungsbruchs. Vorteilhafterweise können Anwender auf einfache Weise bereits vorhandene NAMUR-Eingänge mit einem weiteren Eingang für eine Temperaturüberwachung nutzen. Insbesondere kann durch diesen 2-Leitersensor (Heißleiter, NTC), der Wertebereich der zu überwachenden Temperatur im zulässigen Wertebereich beispielsweise der IEC60947-5-6 dimensioniert werden. Idealerweise besteht der gesamte Sensorkopf nur aus dem Heißleiter, insb. einem NTC, Zu- und Ableitung und den beiden genannten Widerständen, die einem Gehäuse oder einem Schutzelement, wie einer Hülle oder Tasche, aufgenommen sind oder angrenzend an ein tragendes Bauteil oder eine Komponente (Oberfläche) mindestens teilweise an- oder eingegossen sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Auswerteschaltung und/oder eine hiermit verbundene Versorgungseinheit derart ausgelegt, dass mindestens drei der folgenden vier möglichen Betriebszustände über das Temperaturerfassungselement unterscheidbar sind:
- ein Leitungsbruch, indem der Stromfluss von < 0,1 mA (/NUII) vorliegt,
- ein Stromfluss bis zu einer ersten definierten Stromstärke (/1)
- ein Stromfluss bis zu einer zweiten definierten Stromstärke (I2)
- ein Kurzschluss zwischen Zu- und Ableitung, indem die netzabhängige maximale Stromstärke (/max) vorliegt, ggf. abzüglich von VerlustströmenZ-leistungen.
Dabei meint die Versorgungseinheit auch eine mehrteilige Einheit, die beispielsweise eine Leistungsschaltung und eine Steuerschaltung umfasst. Dabei ist /NUII ein Wert, der als 0 mA bzw. nahe Null mA oder 0 mA zu verstehen ist und bestehende Kriechströme umfasst. Analog ist die Stromstärke /max die vom Netz- oder Netzzweig abhängige maximale Stromstärke, abzüglich geringfügiger VerlustströmeZ-leistungen. Somit meint /NUII und/oder /max auch Grenzwerte, die als minimal oder maximal systemseitig bestimmt sind und als Leitungsbruch oder Kurzschluss definiert sind.
Damit kann ohne weitere Sensorik auf sehr einfache Weise der Einbau- und Leitungszustand der Sensorvorrichtung mittels einer Eigenüberwachung festgestellt werden.
Durch die zwei im Sensorelement möglichen Strompfade, sind Stromteilungen auf den nachstehend genannten Pfaden möglich: i) Im Normalbetrieb, bei SOLL-Stromflüssen über das Temperaturerfassungselement und bei Temperaturen im definierten Messbereich, fließt Storm von der Zuleitung, das Temperaturerfassungselement und über die Brückenleitung zur Ableitung, wobei bei der Wahl eines hochohmigen Brückenwiderstandes Rp im Normalbetrieb über die Brückenleitung der Stromfluss ~ 0 mA beträgt. ii) Außerhalb des Normalbetriebes, d.h. bei Stromflüssen bei intaktem Temperaturerfassungselement und Temperaturen außerhalb des definierten Messbereiches, kann ein Überschreiten einer oberen oder unteren Temperaturgrenze (Grenzkurve) ermittelt werden, wobei der Strom grundsätzlich wie bei Fall i) fließt, bzw. bei einem sehr hochohmigen Zustand des Temperaturerfassungselementes zu einem größeren Teil auch über die Brückenleitung geführt wird. iii) Bei Kurzschluss zwischen Zuleitung und Ableitung fließt der Strom weder über die Brückenleitung noch über das Temperaturerfassungselement, so dass der maximale Stromfluss des Netzes oder des Netzabschnitts erfassbar ist und damit ein Kurzschluss erkannt werden kann. iv) Bei Kabelbruch fließt kein oder nur ein sehr geringer Kriechstrom, so dass ein Kabelbruch erkannt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Widerstandswert des Brückenwiderstandes Rp das 5- bis 15-fache des Widerstandswertes des Eingangswiderstandes Rs in der Zuleitung, vorteilhafterweise das 8- bis 12-fache, idealerweise das 10-fache.
Auf diesem Wege wird sichergestellt, dass sich am Knoten nach dem Eingangswiderstand und zur Brückenleitung der Strom vollständig oder weitgehend zu Gunsten des Temperaturerfassungselementes aufteilt.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst diese mindestens ein weiteres Sensorelement und/oder ist unmittelbar hiermit verbunden, wobei das mindestens eine weitere Sensorelement mit dem Temperaturerfassungselement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Hiermit lässt sich die vorstehend genannte Leitungsüberwachung und eine Temperaturschutz bzw. -Überwachung konstruktiv einfach und sehr wirtschaftlich für komplexere Sensoren kombinieren. Idealerweise sind die Sensorvorrichtung und das weiter Sensorelement mit einer gemeinsamen Spannungsquelle bzw. einer gemeinsamen Versorgungsleitung verbunden. Die Zuleitung zum weiteren Sensorelement kann ebenfalls als Zweidrahtleiter mit der analogen Brückenleitung und Widerstandsanordnung wie hierin beschrieben erfolgen, worüber eine analoge Leitungsüberwachung möglich ist.
Das weitere Sensorelement kann idealerweise ein Sensor sein, insbesondere ein induktiver, kapazitiver oder magnetischer Näherungssensor.
Zum Einsatz in einem explosionsgeschützten Raum oder Umfeld, weist die Auswerteeinheit der Sensorvorrichtung vorteilhafterweise eine galvanische Trenneinheit auf, ist hiermit verbunden oder kann hiermit verbunden werden. Diese fungiert als Kopplungseinheit zu der Versorgungseinheit oder einer der Komponenten der Versorgungseinheit. Über die galvanische Trenneinheit werden insbesondere die temperatur-, spannungs- und/oder ström bezogenen Messwerte oder Messdaten von der Auswerteeinheit zu einer verbundenen Prozessor- oder Steuereinheit weitergeleitet. Im Regelfall werden über die Trenneinheit nur Messwert oder Messdaten gesendet, da die Temperaturerfassungselement in einer üblichen Ausführungsform als einfacher, rein erfassender Sensor nicht gesteuert oder geregelt wird.
Bei einer weiter verbesserten Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die
Auswerteschaltung einen Endwiderstand RE in einer Endleitung gegen Erde (GRD) auf, die mit der Ableitung verbunden ist. Hierbei ist die der Endwiderstand RE in dieser Endleitung ist ein Ohm’scher Widerstand, der vorrangig einen Widerstandswert des 0,5 bis 2,5-fachen des Eingangswiderstandes Rs aufweist. Idealerweise weist entsprechen sich die Widerstandswerte des Eingangswiderstandes Rs und des Endwiderstandes RE.
Von der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur, insbesondere einer Temperatur in einem explosionsgeschützten Raum umfasst, wobei eine Sensorvorrichtung nach einer der vorherigen Ausführungsvarianten verwendet wird. Hierbei wird in der vorstehend beschriebenen Art und Weise über die Messung des Stromflusses und/oder der Spannung aus der Spannungs- und/oder Stromkennlinie des Temperaturerfassungselementes die Temperatur ermittelt.
Idealerweise wird bei dem Verfahren zusätzlich eine Leitungszustandserkennung vorgenommen, wobei folgende Leitungszustände überwacht werden beziehungsweise erkennbar sind:
- ein Kurzschluss zwischen der Zuleitung und der Ableitung zum Temperaturerfassungselement,
- ein Kabelbruch in der Zuleitung und/oder der Ableitung zum Temperaturerfassungselement,
- eine Bruch oder Schaden im Temperaturerfassungselement selbst und/oder
- ein Stromfluss über das Temperaturerfassungselement in einem definierten Bereich beziehungsweise das Über- oder Unterschreiten eines Stromflusses aus dem definierten (Arbeits-)Bereich.
Vorteilhafterweise wird bei einer weiteren Variante des Verfahrens die IST- Temperatur und/oder die Leitungsqualität eines weiteren, baulich verbundenen Sensorelements überwacht. Basierend hierauf kann auf einfache Weise eine temperaturabhängige Hysterese von beispielsweise Spulen ausgeglichen werden und/oder das Verlassen eines SOLL-Temperaturbereiches erkannt und geeigneten Warn- und/oder Steuerungsbefehle veranlasst werden. Hierbei erfolgt die Temperaturerfassung durch die Sensorvorrichtung durch eine Anbringung derselben auf einem Träger oder einem Gehäuseabschnitt des Näherungssensors, der außerhalb des Erfassungswinkels des Näherungssensors liegt.
Bei diesem Ausführungsformen können die beiden unabhängigen Signale der Sensorvorrichtung und des weiteren Sensorelements mittels eines 4-adrigen Anschlusses oder Anschlussleitung erfolgen. Diese kann beispielsweise auch über einen 4-poligen Industriestecker in Bauform M8x1 (gem. IEC 61076-2-104) oder M12x1 (gern. IEC 61076-2-101) ausgeführt sein.
Damit besteht ein besonderer Vorteil auch darin, dass neben der Möglichkeit der Leitungsüberwachung (Kurzschluss und/oder Bruch), auch in der Anwendung jegliche Beschädigungen detektiert werden können, indem beispielsweise aufgrund der konkreten Kennlinie erwartete Spannungsschritt dV oder erwartete Stromstärkestritte dl mit den IST-Schritten verglichen werden oder andere geeigneten logische Zusammenhänge aufgestellt und überprüft werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 in zwei Teilansichten die Sensorvorrichtung als Schaltanordnung (Teilansicht a)) und die Kenn- und Grenzverläufe (Teilansicht b)),
Fig. 2 eine zur Figur 1 analoge Schaltanordnung für eine Anwendung im Ex- Bereich,
Fig. 3 eine zur Figur 1 detaillierter Schaltanordnung der Auswerteschaltung und
Fig. 4 eine Kombination der Sensorvorrichtung mit einem weiteren Sensorelement.
In der Fig. 1 in der Teildarstellung a) ist ein schematischer Aufbau einer Sensorvorrichtung 1 zur Temperaturerfassung gezeigt, die einen Sensorkopf 2 aufweist, der über eine Zweidrahtleitung, umfassend die Zuleitung 11 und die Ableitung 12, mit einer Auswerteschaltung 4 verbunden ist. Zwischen Zuleitung 11 und Ableitung 12 ist stromleitend ein Temperaturerfassungselement 10 eingebunden. Die Auswerteschaltung 4 umfasst eine Strommesseinheit 5 und eine Spannungsmesseinheit 6, wie insbesondere in der Figur 3 beispielhaft im Detail ausgeführt wird.
Die Auswerteschaltung 4 ist in einer nicht dargestellten Weise mit einer Versorgungseinheit 20 verbindbar, wie beispielsweise in den Figuren 2 oder 3 dargestellt. Über die Versorgungseinheit 20 wird der Sensorkopf 2 mit einer Spannung von 8,2 V versorgt.
In der Zuleitung 11 kann vor dem Temperaturerfassungselement 11 ein Eingangswiderstand Rs von 1 kO angeordnet und zwischen Zuleitung 11 und Ableitung 12 kann eine Brückenleitung 13 mit einem Brückenwiderstand Rp von 10 kO vorgesehen sein, der parallel zum Temperaturerfassungselement 10 verläuft. Das Temperaturerfassungselement 10 ist ein NTC-Thermistor mit einer S-förmigen Kennlinie und einem großen Spreizungsgrad. Somit sind logische Zusammenhänge ableitbar, weil jeder Temperaturschritt, ausgehend von einem bekannten Punkt auf der Kennlinie, einem erwarteten Kennlinienverlauf folgen muss, wenn in den Leitungen kein Defekt vorliegt. Somit ist eine sehr ausgeprägte Kennlinie mit charakteristischen Abschnitten (Wendepunkte, SteigungswechselZ-verläufe) von Vorteil. Liegt ein Ablösen oder ein Bruch in dem Temperaturerfassungselement 10 selbst vor, fließt der Strom ausschließlich über die hochohmige Brückenleitung und dieser Fehler ist somit leicht detektierbar.
Weiterhin sind zwei Schadensfälle dargestellt, die zu einem irregulären Stromfluss führen. Dies ist eine Bruchschaltung 14, der in der Zuleitung 11 angedeutet ist, aber natürlich auch in einem anderen Leitungsabschnitt der Zu- oder Ableitung erfolgen könnte, so dass kein Stromfluss oder nur noch ein minimaler Kriechstrom fließt. Weiterhin ist eine Kurzschlussschaltung 16 als weiterer fehlerhafte Zustand gezeigt, wobei eine direkte Verbindung zwischen Zu- und Ableitung entsteht, und der maximale Stromfluss erfolgt, basierend auf der angelegten Spannung von 8,2 V abzüglich der Systembedingen Widerstände und ggf. sonstiger Verlustströme.
In der Teilansicht b) ist in dem Graphen die Stromstärke (y-Achse) gegen die Temperatur (x-Achse) aufgetragen. Hierbei zeigt die S-förmige, strichpunktierte Kurve 7 die Kennlinie des Temperaturerfassungselementes 10, die klein-gestrichelte, obere Grenzkurve 8 liegt bei 5,86 mA und definiert die Kurzschlussschaltung und die lang-gestrichelte, untere Grenzkurve 9 liegt bei 0,15 mA und definiert die Bruchschaltung. Die Kurzschlussschaltung entspricht somit einer Temperatur von ca. 100 °C, einem niederohmigen Temperaturerfassungselement 10, wobei die Bruchschaltung einer Temperatur von -30 °C entspricht, bei einem hochohmigen
ERSATZBLATT (REGEL 26) Zustand des Temperaturerfassungselementes 10. Der vorliegende SOLL- Arbeitsbereich wird als -20°C bis +80°C definiert.
Es kann also vorgesehen werden, dass der SOLL-Arbeitsbereich hinreichend Abstand zur Definition einer Kurzschluss- oder Bruchschaltung hat. Idealerweise wird ein dT von mindestens 1 ,0 bis 5,0 % der Gesamtspreizung als Abstand zur jeweiligen Grenzkurve 7, 8 gewählt, wobei 1 °C nicht unterschritten werden sollte, um zu häufige falsch-positive Fehlermeldungen zu vermeiden. Bei der vorliegenden Gesamtspreizung von ca. 100°C sollte der Abstand 1 ,0 bis 5,0 °C betragen.
In der Figur 2 ist der Einsatz für den Ex-Bereich und eine entsprechende Auswerteschaltung 4 mit zugehöriger Versorgungseinheit 20 dargestellt. Die Versorgungseinheit 20 umfasst hierbei eine Steuerungsschaltung 21 , in oder mittels welcher der Empfang- und die Verwertung der Messwerte und Daten erfolgt. Weiterhin ist von der Steuerungseinheit 20 eine Leistungsschaltung 22 umfasst. Die Verbindung zwischen der Auswerteschaltung 4 und der Versorgungseinheit 20 erfolgt in bekannter Weise durch eine geeignete galvanische Trenneinheit 24, symbolisiert durch den Spalt zwischen dem mit „Ex“ gekennzeichneten Block der Auswerteschaltung 4 und den beiden rechts hierzu angeordneten Blöcken der Versorgungseinheit 20. In dem gezeigten Beispiel der Figur 2 sind die Verschaltungen 4, 21 , 22 in einem gemeinsamen Gehäuse 15 untergebracht und beispielsweise auf einer gemeinsamen Patine (PCB) aufgebracht. Eine Zweidrahtleitung (Ab-/Zuleitung 11 , 12) führt von dem Gehäuse 15 bzw. den Anschlussstellen der Anschlussschaltung 4 zum Sensorkopf 2. Die Anordnung der Widerstände entspricht der in Figur 1 .
Eine beispielhafte Anschlussschaltung 4 ist in der Figur 3 im Detail dargestellt. Sie weist vier Komparatoren 1-4 auf, wobei drei als Spannungsmesseinheiten dienen, um die entsprechenden Signalzustände zu überwachen. Die Spannungsmesseinheit 6 und die einen Endwiderstand RE (Dämpfungswiderstand) aufweisende Endleitung 23 führen auf eine gemeinsame GND-Leitung bzw. zum entsprechenden GND- Anschluss. Die Aufbereitung des passiven, analogen Signals kann mittels der Spannungsmesseinheit 6, einem verbundenen (nicht dargestellten) ADC und/oder einem Mikroprozessor erfolgen. Die Verbindung zu einer bekannten, galvanischen Trenneinheit 23 oder diese selbst ist in der Figur 3 nicht dargestellt.
Schließlich zeigt die Figur 4 die Verbindung der beschriebenen Sensorvorrichtung 1 mit einem weiteren Sensorelement 30, in dem der das Temperaturerfassungselement 10 umfassende Sensorkopf 2 und der Sensorkopf 31 des weiteren Sensorelements 30 in einem gemeinsamen Gehäuse 15 untergebracht sind. Hierbei ist das weitere Sensorelement 30 als induktiver Näherungssensor ausgebildet und kann in der Zuleitung 17 die analoge Anordnung des Eingangswiederstandes Rs von 1 kO und den Brückenwiderstand Rp von 10 kO hin zur Ableitung 18 in der Brückenleitung 19 aufweisen.
Wie der (Temperatur-)Sensorkopf 2 ist auch der (Näherungs-)Sensorkopf 31 über eine Zweidrahtleitung mit einer Auswerteschaltung verbunden, die in bekannter Weise aufgebaut ist. Über die vorgenannte Verschaltung und den Eingangs- und Brückenwiderstand ist die analoge, selbstüberwachende Leitungsüberwachung bezüglich einer fehlerhaften Kurzschlussschaltung und/oder einer Bruchschaltung sowie bzgl. sonstiger Fehler möglich.
Bezugszeichenliste
1 Sensorelement
2 Sensorkopf
4 Auswerteschaltung
5 Strommesseinheit
6 Spannungsmesseinheit
7 Kennlinie
8 Grenzkurve, obere
9 Grenzkurve, untere
10 Temperaturmesseinheit
11 Zuleitung
12 Ableitung
13 Brückenleitung
14 Bruchschaltung
15 Gehäuse
16 Kurzschlussschaltung
17 Zuleitung, des weiteren Sensorelements
18 Ableitung, des weiteren Sensorelements
19 Brückenleitung, des weiteren Sensorelements
20 Versorgungseinheit
21 Steuerungsschaltung
22 Leistungsschaltung
23 Endleitung
24 Trenneinheit, galvanische
30 Sensorelement, weiteres
31 Sensorkopf
RP Brückenwiderstand
Rs Eingangswiderstand E Endwiderstand

Claims

Patentansprüche Sensorvorrichtung (1 ) zur Temperaturerfassung, umfassend eine Zuleitung (11 ), eine Ableitung (12) und ein hierüber verbundenes Temperaturerfassungselement (10) und mindestens eine mit der Zuleitung (11 ) und/oder mit der Ableitung (12) verbundene Auswerteschaltung (4), umfassend oder ausgebildet als Strommesseinheit (5) und/oder als Spannungsmesseinheit (6), wobei die Auswerteschaltung (4) mit einer Versorgungseinheit (20) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (11 ) ein Eingangswiderstand (Rs) angeordnet ist, insbesondere ein Ohm’scher Widerstand, und zwischen der Zuleitung (11) und der Ableitung (12) ein zum Temperaturerfassungselement (10) parallel geschalteter Brückenwiderstand (Rp) in einer Brückenleitung (13), insbesondere ein Ohm’scher Widerstand, und wobei das Temperaturerfassungselement (10) ein temperaturabhängiger Widerstand ist. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturerfassungselement (10) ein temperaturabhängiger Widerstand ist, dessen Widerstandswert mit sinkender Temperatur steigt, wie ein Heißleiter, insbesondere ein NTC-Widerstand oder NTC-Thermistor (Negative Temperature Coefficient Widerstand). Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei der folgenden vier möglichen Betriebszustände über das Temperaturerfassungselement (10) in der Auswerteschaltung (4) und/oder von einer verbundenen Versorgungseinheit (20) unterscheidbar sind:
- ein Leitungsbruch, indem der Stromfluss von < 0,1 mA (/NUII) vorliegt,
- ein Stromfluss bis zu einer ersten definierten Stromstärke (/1)
- ein Stromfluss bis zu einer zweiten definierten Stromstärke (I2)
- ein Kurzschluss zwischen Zu- und Ableitung (11 , 12), indem die netzabhängige maximale Stromstärke (/max) vorliegt oder
- ein Verharren bei einer definierten Stromstärke (I3) bei einem Bruch im Temperaturerfassungselement (10) oder der zugehörigen Leitung. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des Brückenwiderstandes (Rp) das 5- bis 15-fache des Widerstandswertes des Eingangswiderstandes (Rs) in der Zuleitung (11 ) beträgt, vorteilhafterweise das 8- bis 12-fache, idealerweise das
10-fache beträgt. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1 ) mindestens ein weiteres Sensorelement (30) umfasst und/oder unmittelbar hiermit verbunden ist, wobei das mindestens eine weitere Sensorelement (30) mit dem Temperaturerfassungselement (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (15) angeordnet ist. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensorelement (30) ein Näherungssensor (30) ist, insbesondere ein induktiver, kapazitiver oder magnetischer Näherungssensor. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sensorelement (30) eine zur Sensorvorrichtung (1 ) analoge Zuleitung (17) mit einem Eingangswiderstand (Rs), einer Ableitung (18) und einer zwischen Zuleitung (17) und Ableitung (18) parallel zum weiteren Sensorelement (30) verlaufende Brückenleitung (19) mit einem Brückenwiderstand (Rp) aufweist. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) eine galvanische Trenneinheit (23) umfasst, hiermit verbunden ist oder verbindbar ist, welche als Kopplungseinheit zu der Versorgungseinheit (20) dient. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) einen Endwiderstand (RE) in einer Leitung (14) gegen Erde (GND) aufweist, die mit der Ableitung (12) verbunden ist, wobei der Endwiderstand (RE) ein Ohm’scher Widerstand ist, vorrangig eine Endwiderstand (RE) mit einem Widerstandswert des 0,5 bis 2,5- fachen des Eingangswiderstandes. Verfahren zur Erfassung einer Temperatur, insbesondere einer Temperatur in einem explosionsgeschützten Raum, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche verwendet wird.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensorvorrichtung (1 ) zusätzlich eine Leitungszustandserkennung vorgenommen wird, wobei folgende Leitungszustände erkennbar sind:
- ein Kurzschluss zwischen eine Zuleitung (11 ) und einer Ableitung (12)
- ein Kabelbruch in der Zuleitung (11 ) und/oder der Ableitung (12) und/oder
- ein SOLL-Sollstromfluss über das Temperaturerfassungselement (10) in einem definierten Bereich, insbesondere gemäß einer bekannten Kennlinie.
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