Vorrichtung zur Bestimmung und/oder überwachung einer Prozessgröße

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens einem Relais, und mit mindestens einer Spannungsquelle. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füilstand, die Dichte, die Viskosität, den Druck, den Durchfluss, den pH-Wert oder die Temperatur.

Bei Messgeräten der Prozess- und Automatisierungsgeräten werden gelegentlich Reiais' verwendet, um das Vorliegen von Schaltzuständen oder Betriebszuständen zu signalisieren.

Eine G rundanf orderung für die Entwicklung von elektronischen Schaltungen ist stets eine gute Leistungsbilanz, d.h. eine möglichst geringe Verlustleistung. Bei der Ansteuerung eines Relais lässt sich verhältnismäßig viel

Verlustleistung einsparen. Das Relais benötigt zwar eine Anzugsspannung, die der Nennspannung des Reiais entspricht, aber um das Relais im Anzugszustand zu halten, wird eine viel geringere Spannung, die so genannte Haltespannung, benötigt. Dies wird deutlich an einem einfachen Beispiel. Es sei ein Relais gegeben mit einer Nennspannung von 24 V und einem Widerstand von 1600 ω. Um das Relais sicher in den angezogenen Zustand zu bringen, steuert man das Relais mit 24 V an. Daraus resultiert ein Strom von 24 V / 1600 ω = 15 mA. Damit verbunden ist eine Verlustleistung von P = 15 mA ^* 24 V ~ 360 mW. Um diese Verlustleistung zu verringern, wird oft eine so genannte

Haiteschaltung verwendet, bei der der Strom entsprechend dem Haltestrom verringert wird. Die hohe Spannung von 24 V bleibt jedoch erhalten, so dass diese Spannung sich auf andere Schaltungsteile immer noch negativ bezüglich der Leistungsbilanz auswirkt. Dies ist vor altem bei nachgeschalteten Linearreglern der Fall.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerung für ein Reiais vorzuschlagen, bei weicher die Verlustleistung reduziert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine Spannungserhöhungseinheit vorgesehen ist, und dass das Relais, die

Spannungsquelle und die Spannungserhöhungseinheit derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und miteinander verbunden sind, dass in dem Fall, dass die Spannungsquelle das Relais für das Anziehen des Relais mit einer Spannung versorgt, die Spannungserhöhungseinheit eine solche Erhöhung der am Reiais anliegenden Spannung bewirkt, dass die anliegende Spannung zumindest der Anzugsspannung des Relais entspricht. Durch die Spannungserhöhungseinheit wird somit die Spannung, mit welcher das Relais im Anzugsfall versorgt wird, derartig erhöht, dass sie mindestens gleich der Anzugsspannung ist, d.h. dass ein Anziehen des Reiais' auch bewirkt wird.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Relais und die Spannungsquelie derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt liegt, dass mindestens die Spannung, mit welcher die Spannungsquelie das Reiais im Anzugsfall versorgt, unterhalb der Anzugsspannung des Relais liegt. Mit dieser Ausgestaltung geht einher, dass die Spannungserhöhungseänheit derartig ausgestaltet ist, dass die von ihr erzeugte Spannungserhöhung bewirkt, dass die am Relais im Moment des Anziehens des Relais anliegende Spannung oberhalb der Anzugsspannung bzw. Nennspannung des Relais liegt. In einer weiteren Ausgestaltung ist insbesondere die Spannung, mit weicher die Spannungsqueile das Relais im Haltefall, d.h. nach dem Anziehen des Relais und somit im geschlossenen Zustand beaufschlagt, kleiner als die Anzugsspannung, aber zumindest gleich der Haitespannung. Dadurch liegt auch die Veriustleistung niedriger.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Relais, die Spannungsquelle und die Spannungserhöhungseinheit in Reihe geschaltet sind.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spannungserhöhungseinheit zwischen der Spannungsquelle und dem Relais angeordnet ist.

Durch mindestens eine der beiden vorhergehenden Ausgestaltungen und den damit verbundenen Anordnungen liegt somit die Spannung der Spannungsquelle sowohl am Relais, als auch an der

Spannungserhöhungseinheit an. Somit lässt sich für den Anzugsmoment eine Spannungserhöhung am Relais erzielen.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spannungserhöhungseinheit mindestens einen elektrischen Schwingkreis aufweist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Schwingkreis um einen LC-Schwingkreis handelt.

In einer Variante wird somit ein Schwingkreis als Speicher für die elektrische Spannung verwendet, welche entsprechend dem Einschwingverhalten des Schwingkreises an das Relais übermittelt wird. In einer Ausgestaltung ist dabei die Spannungsquelle mit dem Schwingkreis und dem Reiais verbunden. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Schwingkreis mit einer zusätzlichen Spannungsquelle kontaktiert.

Eine einer zweiten Variante ist die Spannungserhöhungseinheit wie folgt ausgestaltet:

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spannungserhöhungseinheit mindestens eine Spannungsspeichereinheit aufweist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Spannungsspeichereinheit derartig ausgestaltet und angeordnet ist, dass im Anzugsfall des Relais die

Spannungsquelle und die Spannungsspeichereinheit in Reihe geschaltet sind.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spannungsspeichereinheit mindestens einen Kondensator aufweist.

Für alle Ausgestaltungen lässt sich somit formulieren: Die Erfindung reduziert die Verlustleistung, indem eine geringere Spannung als Betriebsspannung, d.h. für den Haltezustand, benutzt und indem die Spannung für die Relais im Anzugsmoment auf die geforderte Nennspannung durch die jeweilige Spannungserhöhungseinheit erhöht wird.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein erstes Relais und mindestens eine erste Spannungserhöhungseinheit vorgesehen sind, dass mindestens ein zweites Relais und mindestens eine zweite Spannungserhöhungseinheit vorgesehen sind, und dass die erste Spannungserhöhungseinheit und die zweite Spannungserhöhungseinheit unterschiedlich ausgestaltet sind. In dieser Ausgestaltung verfügt das Messgerät über zwei Relais, die entweder unterschiedliche Zustände signalisieren oder den gleichen Zustand redundant. Für sicherheitsgerichtete Anwendungen kann es erforderlich sein, dass wesentliche Bestandteile eines Feldgerätes redundant und diversitär ausgestaltet sind. In dieser Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bestimmung und/oder überwachung einer Prozessgröße sind die beiden Relais jeweils mit einer Spannungserhöhungseinheit verbunden, welche unterschiedlich ausgestaltet, also diversitär sind. Insbesondere setzen die Spannungserhöhungseinheiten jeweils eine andere Methode zur Erhöhung der Spannung um. Beispielsweise weist eine Spannungserhöhungseinheit den oben diskutierten Schwingkreis nach mindestens einer Ausgestaltung auf und die zweite Spannungserhöhungseinheit verfügt über die oben genannte Spannungsspeichereinheit. In der einen Variante wird somit das Einschwingverhalten des Schwingkreises und in der anderen Variante die Addition der Kondensatorspannung verwendet, um eine Spannungserhöhung am Relais zu erzeugen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : ein Blockschaltbild einiger Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer ersten Variante der Spannungserhöhungseinheit,

Fig. 2: eine detaillierte Darstellung der Schaltung der ersten Variante,

Fig. 3: die zweite Variante zur Spannungserhöhung mit einem abgefallenen Relais,

Fig. 4: die Ausgestaltung der Fig. 3 mit einem angezogenen Relais, und

Fig. 5: ein Teil eines erfindungsgemäßen Messgerätes mit zwei Relais'.

In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der Schaltung dargestellt. Die weiteren Komponenten der Vorrichtung zur Bestimmung und/oder überwachung einer Prozessgröße, wie beispielsweise die eigentliche Sensoreinheit sind nicht dargestellt.

Die Spannungsquelle 2 ist über einen Schalter 4 mit dem Relais 1 verbunden. Ergibt sich beispielsweise aus der Messung der Prozessgröße, dass ein Grenzwert überschritten wurde, so wird das Relais 1 durch das Betätigen des Schalters 4 angezogen. Handelt es sich bei der Prozessgröße beispielsweise um den Füllstand eines Mediums - z.B. einer Flüssigkeit oder eines

Schüttgutes - in einem Behälter, und handelt es sich bei der Sensoreinheit um eine Schwinggabel, um einen Einstab oder um einen Membranschwinger, so kann beispielsweise das überschreiten eines Füllstandes durch die Auswertung der Kenngrößen der Schwingungen der Sensoreinheit erkannt werden.

Das Relais 1 wird dadurch angezogen, dass an es eine Spannung angelegt wird, welche gleich oder größer seiner Nennspannung bzw. seiner Anzugsspannung ist. Um den Verlust am Relais 1 im Haltezustand zu verringern, ist die Spannungsquelle 2 derartig auf das Relais 1 abgestimmt, dass die Spannung, mit weicher die Quelle 2 das Relais 1 versorgt, unterhalb dessen Anzugsspannung liegt.

Damit das Relais 1 im Anzugsmoment dennoch anzieht, ist hier der Schwingkreis 3 a!s Spannungserhöhungseinheit 5 vorgesehen, bei welchem es sich hier um einen LC-Schwingkreis mit einer Spule, einem Kondensator und einem Widerstand handelt. Die Spule und der Kondensator sind dabei in Reihe geschaltet. Der Widerstand ist parallel zum Kondensator angeordnet. Dieser Schwingkreis 3 ist ebenfalls mit der Spannungsquelle 2 verbunden und liegt in Reihe zwischen der Quelle 2 und dem Reiais 1. Dadurch liegt die Spannung der Spannungsquelle 2 sowohl am Relais 1 , als auch an der Spannungserhöhungseinheät 5, d.h. im idealfail kommt es zu einer Spannungsverdopplung am Relais 1. Hinter dem Schwingkreis 3 ist noch ein Gleichrichter 6, bestehend aus einer Sperrdiode und einem Glättungskondensator vorgesehen, welcher aus dem oszillierenden Signal des Schwingkreises 2 ein glatte Kurve erzeugt, weicher entsprechend der Dämpfung des Schwingkreises 3 in der Amplitude abfällt.

in dieser Ausgestaltung der Fig. 1 wird somit das Einschwingverhalten eines LC-Schwingkreises ausgenutzt. Durch richtige Wahl der Bauteile wird beim Einschalten der Spannung der Schwingkreis angeregt und beginnt zu oszillieren. Durch die nachgeschaitete Gleichrichtung wird der Gleichanteil über eine Kapazität gesiebt und dem Relais als Anzugsspannung zugeführt. Durch entsprechende Dimensionierung kann die Amplitude und Einschwingdauer entsprechend den Anforderungen für das Schaltverhalten des Relais optimiert werden. Die Schwingfrequenz des Schwingkreises 3 ist insbesondere auf die Trägheit des Relais 1 abgestimmt. Für das Anziehen des Relais 1 wird insbesondere nur ein Impuls verwendet.

In der Fig. 2 sind die einzelnen Bauteile der Schaltung der Fig. 1 detailliert dargestellt. Die Spannungsquelle 2 und der Schwingkreis 3 sind hier mit dem gleichen Bezugspotential Masse verbunden. In dem Schwingkreis ist zwischen dem Schalter 4 und der Spule noch eine Diode angeordnet, welche als

Freilaufdiode geschaltet und für das Abschaltmoment von Bedeutung ist. Der Gleichrichter 6 erzeugt aus dem Schwingungssignal des Schwingkreises über zwei Dioden, einen Kondensator und einen Widerstand ein geglättetes Signal. Die maximale Amplitude ergibt sich dabei in dem Moment, in welchem der Schalter 4 geschlossen ist, d.h. in dem Augenblick, in welchem das Relais 1 anziehen soll. Durch die Dämpfung wird die Spannung dann kleiner. Die Dämpfung und die Resonanzfrequenz sind dabei so zu wählen, dass das Relais 1 gut und zuverlässig schalten kann. Ein Vorteil dieser Variante liegt darin, dass im Wesentlichen nur ein Schalter für die Erzeugung der Spannungserhöhung erforderlich ist, wobei es sich insbesondere um den

Schalter handelt, welcher bereits für das Schalten des Relais erforderlich ist.

In den Figuren Fig. 3 und Fig. 4 ist eine zweite Variante der Spannungserhöhungseinheit 5 dargestellt.

Für die Spannungserhöhungseinheit 5 ist hier eine Spannungsspeichereinheit 10 vorgesehen, bei welcher es sich hier konkret um einen Kondensator handelt. Der Kondensator 10 ist hier zum einen mit der Spannungsqueile 2 und zum anderen mit einem Bezugspotential verbunden. Der Schalter 4 zum Relais 1 ist in der Fig. 3 geöffnet. Die Spannungsquelle 2, der Kondensator 10 und das Relais 1 sind in Reihe geschaltet. Hinter dem Relais 1 ist noch eine LED 15 vorgesehen, welche dem Betrachter optisch anzeigt, ob das Relais geschaltet ist. In der Fig. 4 ist der Schalter 4 zum Relais 1 geschlossen, d.h. es ist beispielsweise ein Füllstand durch ein Medium erreicht worden oder ein anderer Zustand ist aufgetreten, welcher über das Schalten des Relais 1 zu signalisieren ist. Verbunden mit dem Schalter 4 ist der Umladeschalter 11 , weicher den Kondensator 10 mit der Spannungsquelle 2 verbindet. D.h. die

Spannungsquelle 2 und der Kondensator 10 werden in Reihe geschaltet und entsprechend die Summe beider Spannungen liegt am Relais an, welches anzieht und hier die LED 15 beispielsweise zum Leuchten bringt. In einer alternaiven Ausgestaltung wird der Kondensator 10 mit einer zusätzlichen Spannungsquelle verbunden, so dass sich in Summe auch eine andere Spannung für das Reiais 1 ergibt.

Diese zweite Variante der Spannungserhöhung lässt sich auch wie folgt beschreiben: Der Kondensator 10 liegt über eine Entkoppeldiode 12 an der Betriebsspannung der Spannungsqueüe 2 und wird auf diese Spannung aufgeladen. Das Relais 1 ist abgefallen (Fig. 3). Durch ein entsprechendes Sensorsignal wird zum einen die Relaisansteuerung aktiviert. Gleichzeitig wird der Umschalter 11 geschaltet, so dass der Fußpunkt des Kondensators 11 an der Spannungsquelle anliegt. Dadurch addieren sich die Spannung des Kondensators 10 und die Spannung der Spannungsquelle 2. Ist das Relais 1 eingeschaltet, wird der Kondensator 10 bis auf die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der Spannung, die an der Diode 12 abfällt, entladen. Diese Haltespannung reicht aus, um das Relais 1 sicher im angezogenen Zustand zu halten. Bringt das Eingangssägnal das Relais 1 zum Abfallen, wird der Umschalter 11 wieder in die Position gebracht, in welcher der Kondensator 10 mit dem Bezugspotential Masse verbunden ist, wodurch sich der Kondensator 10 auch wieder aufladen kann. Der Spannungsimpuls am Relais 1 ist abhängig von der Ladekapazität 10 sowie dem Entladestrom durch das Relais 1. Insgesamt sollte ein Spannungsimpuls zwischen ca. 20 ms und 50 ms einstellen. Diese Zeit reicht aus, um das Relais 1 sicher zu schalten. Durch die Schaltung der Figuren 3 und 4 kann eine geringe Betriebsspannung gewählt werden, im günstigsten Fall die halbe Nennspannung des Relais 1. In dieser zweiten Variante sind zwei Schalter erforderlich.

In der Fig. 5 ist ein Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Als Sensoreinheit 30 ist hier beispielsweise eine Schwinggabel vorgesehen,

welcher der Bestimmung bzw. überwachung von solchen Prozessgrößen wie beispielsweise Füllstand, Dichte oder Viskosität dient. Die Spannungsquelle 2 ist hier mit zwei Relais' 21 , 22 verbunden. Diese zeigen beispielsweise zwei unterschiedliche Schaltzustände oder jeweils den gleichen Schaltzustand an. Die Relais' können auch einer Anzeige eines Betriebszustandes des Messgerätes dienen.

Jedes Relais 21 , 22 ist mit einer eigenen Spannungserhöhungseinheit 25, 26 verbunden. Dabei ist beispielsweise die erste Spannungserhöhungseinheit 25 nach der oben genannten ersten Variante ausgeführt, d.h. ein Schwingkreis dient der Spannungserhöhung, und die zweite Spannungserhöhungseinheit 26 weist den entsprechend geschalteten Kondensator als Spannungsspeichereinheit auf.

Bezugszeichenliste

Relais

Spannungsquelie

Schwingkreis

Schalter

Spannungserhöhungseinheit

Gleichrichter

Spannungsspeichereinheit

Umladeschalter

Diode

LED

Erstes Relais

Zweites Relais

Erste Spannungserhöhungseinheit

Zweite Spannungserhöhungseinheit

Sensoreinheit