DE69928335T2

DE69928335T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Schalters

Info

Publication number: DE69928335T2
Application number: DE69928335T
Authority: DE
Inventors: Timothy John Farnham Common Smallwood; Roy Colin Maidenhead Turner; David Cippenham Gunby; Luis Filipe Cippenham Da Silva Ribeiro Coelho
Original assignee: Solartron Mobrey Ltd
Current assignee: Rosemount Measurement Ltd
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: EP0985987A2; DE69928335D1; EP0985987A3; GB9819911D0; EP0985987B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Schalters in einer Reihenschaltung, die auch eine Stromversorgung und eine Last hat, und eine Schaltersteuervorrichtung zum Ausführen eines solchen Verfahrens.
Es gibt viele Anwendungen, in denen ein Schalter bereitgestellt ist, der in Reaktion auf das Erfassen eines Zustands oder dergleichen betätigt wird, um sich entsprechend zu öffnen oder zu schließen. Schließen des Schalters bewirkt, dass Strom durch den Schalter in einem Stromkreis fließt, in dem sich der Schalter befindet, wobei der Stromfluss die Aktivierung einer Last verursacht, die eine Anzeige erbringt, dass der Schalter geschlossen wurde. Typische Lasten sind optische Vorrichtungen wie ein Wolfram-Glühwendel und Relais/Schaltschütze. Kommerziell ist der Schalter im Inneren einer Verarbeitungseinheit vorgesehen und mit zum Anschließen einer Last und einer Stromversorgung durch den Benutzer bereitgestellten Anschlusspunkten verbunden. Ein Problem entsteht insofern, als der Benutzer die Stromversorgung versehentlich über die Anschlusspunkte anschließen und die Last ganz auslassen kann oder als er eine Last mit der falschen Nennleistung verwenden kann. Auf jeden Fall kann es vorkommen, dass beim Schließen des Schalters die Last und/oder die Einheit beschädigt oder sogar zerstört wird.
EP 0 862 261 beschreibt eine Überstromschutzschaltung.
US 5 347 864 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen eines Flüssigkeitspegels, die ein Fehlerverbindungsmittel beinhaltet, das durch Aktivieren und Deaktivieren von Reedschaltern gesteuert wird. Die Schalter sind in Parallelschaltung miteinander verdrahtet und werden von einem Magnet gesteuert, der sich mit dem Wasserpegel hebt und senkt.
US 4 742 422 beschreibt eine Sicherheitsschaltung mit Selbstüberwachung. Ein Strom wird in eine zusätzliche Wicklung eines Gesamtstromwandlers gespeist und die erzeugte Impulsspannung wird an eine elektronische Grenzwertschaltung angelegt. Der Ausgang der elektronischen Grenzwertschaltung wird an eine Evaluierungsschaltung angelegt, die das Ausschalten der überwachten Schaltung veranlasst, wenn keine periodischen Impulse ankommen.
US 5 559 438 beschreibt einen zusammengesetzten Sicherheitsschalter. Die Beschreibung betrifft eine mathematische Besprechung, die auf der Anordnung von 2 bis 3 Schaltern in einer Parallel- oder Reihenschaltung basiert. Fehlererkennung eines Schalters findet statt, wenn ein Strom durch eine Schaltung fließt und ein Signal CS in einem Zustand ist, der erkennen lässt, dass der Schalter geschlossen werden sollte.
DE 196 53 727 betrifft das Ausschalten eines Antriebsmotors.
EP 0 111 028 betrifft einen Leistungstransistorschalter.
US 4, 771, 357 offenbart eine Schaltersteuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung nach der Definition in Anspruch 1 bzw. Anspruch 14 vor. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 und 15 bis 16 dargelegt.
In bevorzugten Ausgestaltungen dieser Erfindung sehen wir ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, bei der das Weglassen einer Last oder die Verwendung einer Last mit falscher Nennleistung automatisch erkannt und kompensiert werden kann. Wenn also Schritt (c) bemerkt, dass der überwachte Strom unakzeptabel von dem Schwellenwert abweicht, zeigt dies entweder das Weglassen der Last oder die Verwendung einer Last mit falscher Nennleistung an und der Schalter wird sofort geöffnet, sodass eine Beschädigung verhindert wird.
Der Strom könnte direkt überwacht werden, aber vorzugsweise umfasst Schritt b) das Erzeugen einer mit dem überwachten Strom äquivalenten Spannung, wobei Schritt c) das Erzeugen einer äquivalenten Referenzspannung umfasst. Es ist möglich, dass aufgrund von Rauscheffekten von schwankenden Stromversorgungen und dergleichen Schritt (c) zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, wenn die Referenz nur vorübergehend überschritten wird. Folglich umfasst das Verfahren vorzugsweise ferner e) das Wiederholen der Schritte a)–d) nach einem vorbestimmten Intervall.
Vorzugsweise ist das vorbestimmte Intervall relativ lang, wenn der überwachte Strom innerhalb eines ersten vorbestimmten Zeitabschnitts nach Schritt a) unakzeptabel von dem Referenzstrom abweicht. Dieser erste vorbestimmte Zeitabschnitt beträgt typisch 3 Millisekunden. Dies entspricht dem Fehlen einer Last. Das vorbestimmte Intervall ist im typischen Fall mehrere Größenordnungen größer als der vorbestimmte Zeitabschnitt, z.B. um das 1000-fache, wobei ein bevorzugtes Intervall 15 Sekunden beträgt.
Außerdem oder alternativ kann das vorbestimmte Intervall relativ kurz sein, wenn der überwachte Strom innerhalb eines zweiten vorbestimmten Zeitabschnitts nach Schritt a) unakzeptabel von dem Referenzstrom abweicht. Im typischen Fall beginnt der zweite vorbestimmte Zeitabschnitt bei Abschluss des ersten vorbestimmten Zeitabschnitts.
Das Verfahren wird typisch jedesmal durchgeführt, wenn der Schalter geschlossen wird.
Vorzugsweise wird das Verfahren für eine gewisse Prüfperiode durchgeführt und dann beendet. Die Prüfperiode kann beispielsweise 100 Millisekunden betragen. Der Schalter bleibt geschlossen, wobei davon ausgegangen wird, dass dies sein aktueller Zustand ist, wie er vom Steuergerät bestimmt wurde, an dem er angebracht ist, wenn die letzten Vergleiche zufriedenstellend waren oder wenigstens einer von ihnen zufriedenstellend war. Die Tatsache, dass es einen zufriedenstellenden Vergleich gibt, lässt darauf schließen, dass nicht zufriedenstellende Vergleiche möglicherweise auf Rauschen beruhen.
Die unakzeptable Variation zwischen dem überwachten Strom und der Referenz kann stattfinden, wenn der Strom die Referenz überschreitet. Andere Beziehungen sind aber ebenfalls möglich. Zum Beispiel, wenn der Strom sich in einem gewissen Referenzbereich der Referenz nähert.
Wie aus der Einführung zu erkennen ist, kann die Erfindung ermitteln, ob der Benutzer eine falsche Last angeschlossen hat oder die Stromversorgung ohne eine Last angeschlossen hat. Es ist auch möglich, dass der Rest der Schaltersteuervorrichtung fehlerhaft werden könnte, und die Erfindung ermöglicht das Unterscheiden zwischen vom Benutzer verursachten Fehlern und Fehlern innerhalb der Vorrichtung, die ein Benutzer nicht korrigieren kann. Daher kann dann, wenn im Anschluss an ein erfindungsgemäßes Verfahren ein Fehler ermittelt wird, ein geeigneter Anzeiger aktiviert werden, der anders ist als ein Anzeiger, der aktiviert wird, wenn ein anderer Fehlertyp auftritt.
Zweckdienlich wird aber der gleiche Anzeiger zum Anzeigen beider Fehlertypen verwendet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Aktivieren des Anzeigers auf eine erste Weise, wenn der Schalter in Schritt d) infolge von Schritt c) geöffnet wird, und das Aktivieren des Anzeigers auf eine zweite, andere Weise infolge der Entwicklung eines anderen Fehlertyps umfasst. Diese verschiedenen Aktivierungsweisen sind zweckdienlich das Ein- und Ausschalten der Anzeigevorrichtung bei jeweiligen verschiedenen Frequenzen. Die Anzeigevorrichtung könnte auch verwendet werden, um anzuzeigen, ob die Vorrichtung ein- oder ausgeschaltet ist.
Im Folgenden wird nun ein Beispiel für die Schaltersteuervorrichtung und ein Verfahren gemäß der Erfindung mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen Schaltplan der Vorrichtung und
2 ein Diagramm, das im Verhältnis zur Zeit exponentiell abklingenden Strom illustriert.
Die in 1 gezeigte Schaltung ist im Gebrauch mit einem Flüssigkeitspegelsensor (nicht gezeigt) verbunden, der in einer Leitung 1 ein Ausgangssignal bereitstellt, das in diesem Beispiel an einen Mikroprozessor 2 angelegt wird. Der Flüssigkeitspegelsensor kann eine beliebige konventionelle Form haben und erzeugt ein Ausgangssignal, das je nachdem, ob der Sensor eine Flüssigkeit erfühlt hat oder nicht, variiert. Der Mikroprozessor 2 ist zum Reagieren auf diese Eingabe programmiert, um einen Schalter 3 in der Form eines FET zu betätigen, sodass der Benutzer eine Anzeige erhalten kann.
Der Schalter 3 wird über einen Port PB1 an dem Mikroprozessor 2 und Schnittstellenschaltungen 8 konventioneller Form betätigt.
Die mit durchgezogenen Linien gezeigte Schaltung in 1 wird dem Benutzer als eine Einheit bereitgestellt und endet in Paar Anschlusspunkten 4, 5, die dem Benutzer dargeboten werden und die der Benutzer mit einer Stromversorgung 6 und einer Last wie einer Wolfram-Glühwendel 7 verbinden soll. Die Stromversorgung könnte andere Formen haben, wie z.B. einen Transformator oder dergleichen, desgleichen die Last 7. Wie oben erläutert, kann ein Problem entstehen, wenn der Benutzer die Stromversorgung 6 direkt zwischen den Anschlusspunkten 4, 5 zwischenschaltet oder eine Last 7 mit der falschen Nennleistung verwendet.
Um ein Problem in den an den Anschlusspunkten 4, 5 angebrachten Bauteilen zu erkennen, wird der Strom, der durch die von den Anschlusspunkten 4, 5 und dem Schalter 3 definierte Reihenschaltung fließt, durch Überwachen des Spannungsabfalls an einem Widerstand 9 überwacht, wenn der Schalter 3 vom Mikroprozessor 2 in Reaktion auf ein entsprechendes Signal, z.B. das anzeigt, dass eine Flüssigkeit erfühlt wurde, von dem Flüssigkeitspegelsensor geschlossen wird. Dieser Spannungsabfall wird an den invertierenden Eingang einer Vergleichsschaltung 10 weitergeleitet, dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung gespeist wird, die von dem Port PA1 des Mikroprozessors 2 angelegt wird.
Das an den nicht invertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 10 angelegte Referenzsignal wird gesteuert, sodass es die Form des maximalen Signals einnimmt, das beim Überwachen des Spannungsabfalls an dem Widerstand 9 erwartet würde, wenn eine akzeptable Last 7 zwischen den Anschlusspunkten 4, 5 zwischengeschaltet ist. Im typischen Fall hat dieses überwachte Signal, falls eine Wolframlampe die Last bildet, die in 2 von einer durchgezogenen Linie angezeigte Form, d.h. ein rascher Anstieg auf eine Spitze gefolgt von einem ungefähr exponentiellen Ausklingen. Folglich hat die von dem Mikroprozessor 2 und einem Netzwerk 14 erzeugte Referenz auch eine ungefähr exponentielle Form, wie in 2 mit der gestrichelten Linie 12 gezeigt wird. Wenn der Laststrom die exponentiell ausklingende Referenzspannung 12 überschreitet, sendet der Ausgang der Vergleichsschaltung 10 ein Überlastsignal an den Port PB2 des Mikroprozessors 2.
Der Mikroprozessor 2 überwacht den Ausgang der Vergleichsschaltung 10 in regelmäßigen kurzen Zeitintervallen, um zu ermitteln, ob eine Überlastung vorliegt, und wenn eine solche Überlastung besteht, schaltet er den Schalter 3 aus.
Die vom Mikroprozessor 2 ergriffene Maßnahme hängt von dem Zeitpunkt ab, an dem eine Überlastung erfasst wird. Wenn zum Beispiel eine Überlastung in einem ersten vorbestimmten Zeitabschnitt erfasst wird, der relativ bald, zum Beispiel etwa 3 Millisekunden, nach der Einleitung ist (d.h. dem Zeitpunkt, an dem der Schalter eingeschaltet wird), dann zeigt dies wahrscheinlich an, dass keine Last 7 zwischen den Anschlusspunkten 4, 5 zwischengeschaltet wurde und die Stromquelle 6 direkt zwischen den Anschlusspunkten zwischengeschaltet wurde. In diesem Fall schaltet der Mikroprozessor 2 den Schalter 3 für ein relativ langes vorbestimmtes Intervall (z.B. 15 Sekunden) aus und wiederholt dann den Überwachungsprozess.
Wird in den ersten 100 Millisekunden nach dem Start keine Überlastung erfasst, funktioniert die Überlastprüffunktion nicht mehr, bis der Schalter 3 das nächste Mal gemäß dem Status des Flüssigkeitspegelsensors geschlossen wird.
Wenn die Stromversorgung eine Gleichstromversorgung ist, dann wird bei Erfassen der Überlastbedingung keine weitere Prüfung durchgeführt, bis der 15-sekündige Zeitabschnitt überschritten wurde. Wenn eine Wechselstromversorgung verwendet wird (wie abgebildet), dann kann der Mikroprozessor 2 aber einen komplizierteren Prozess durchführen, der berücksichtigen kann, dass sich die Wolframlast 7 stabilisieren muss. Wenn in dem ersten Zeitabschnitt von 3 Millisekunden keine Überlastung erfasst wird, dann setzt der Mikroprozessor 2 im typischen Fall die Überwachung des Spannungsabfalls an dem Widerstand 9 über die restlichen 97 Millisekunden fort (während der Schalter 3 eingeschaltet bleibt) und schaltet den Schalter 3 aus, wenn es eine Überlastung feststellt, schaltet ihn aber während der nächsten Halbperiode der Stromversorgung 6 wieder ein. Dieser Prozess aufeinanderfolgender Prüfungen wird dann bis zum Abschluss des Zeitabschnitts von 100 Millisekunden ab dem Start fortgesetzt, wobei der Schalter selektiv ausgeschaltet wird, wenn eine Überlastung erfasst wird. Die letzten paar Prüfungen werden dann bewertet (die Prüfungen werden meist in jeder Halbperiode durchgeführt). Wenn zum Beispiel in den letzten vier Prüfungen wenigstens eine zufriedenstellend war, dann wird der Schalter 3 auf der Basis eingeschaltet (wobei angenommen wird, dass das noch die geeignete Einstellung gemäß dem Pegelstandsensor ist) gehalten, dass alle nicht zufriedenstellenden Prüfungen auf vorübergehenden Effekten beruhten.
2 zeigt zwar eine ungefähr exponentiell ausklingende Wellenform 12, die Referenzwellenform kann aber je nach der zwischen den Anschlusspunkten 4, 5 erwarteten Last und der Schaltkapzität des Schalters 3 gewählt werden. Außerdem könnte der Mikroprozessor 2 durch eine andere Schaltungsanordnung nach Wunsch ersetzt werden.
Eine konventionelle Schaltereinheit weist eine LED zum Anzeigen dessen auf, ob die Einheit EIN oder AUS ist. In dieser in 1 gezeigten neuen Einheit ist aber eine LED 13 bereitgestellt, die nicht nur die Standardanzeige erbringt, sondern auch andere Informationen liefert. Wie zu sehen ist, wird die LED 13 unter der Kontrolle des Mikroprozessors über Port PB4 betrieben und wie folgt aktiviert:

(i) Wenn die Einheit normal funktioniert und die Last eingeschaltet ist, leuchtet die LED kontinuierlich.
(ii) Wenn die Einheit normal funktioniert und die Last ausgeschaltet ist, blinkt die LED einmal pro Sekunde.
(iii) Wenn die Last kurzgeschlossen wird oder die Einheit zu viel Strom aufnimmt (Kundenverkabelungs/Standortproblem), blinkt die LED alle vier Sekunden einmal.
(iv) Wenn ein interner Elektronikausfall vorliegt, der anzeigt, dass die Einheit an den Hersteller zurückgesendet werden sollte, blinkt die LED dreimal pro Sekunde.
(v) Wenn die Vorrichtung nicht kalibriert wurde, blinkt die LED alle zwei Sekunden einmal.

Man wird verstehen, dass die Blinkhäufigkeit nach Wunsch gewählt werden kann.
Diese Betriebsart nutzt die Tatsache, dass vom Mikroprozessor 2 zwischen einem Kundenverdrahtungs/Standortproblem (Zustand iii) und einem internen Problem, das vom Hersteller repariert werden muss (Zustand iv), unterschieden werden kann.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Schalters (3) in einer Reihenschaltung, die auch eine Stromversorgung (6) und eine Last (7) hat, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: a) Schließen des Schalters (3); b) Überwachen des in der Schaltung fließenden Stroms; c) Vergleichen des überwachten Stroms mit einer Referenz, die entsprechend der Variation, die erwartet wird, wenn eine akzeptable Last angeschlossen ist, im Verhältnis zur Zeit variiert, und d) Öffnen des Schalters, wenn der überwachte Strom unakzeptabel von der Referenz abweicht, wobei die Referenz vom Öffnen des Schalters unabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt b) das Erzeugen einer mit dem überwachten Strom äquivalenten Spannung umfasst, wobei Schritt c) das Erzeugen einer äquivalenten Referenzspannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das ferner Folgendes umfasst: e) Wiederholen der Schritte a) bis d) nach einem vorbestimmten Intervall.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das vorbestimmte Intervall relativ lang ist, wenn der überwachte Strom innerhalb eines ersten vorbestimmten Zeitabschnitts nach Schritt a) unakzeptabel von dem Referenzstrom abweicht.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der erste vorbestimmte Zeitabschnitt im Wesentlichen drei Millisekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem das vorbestimmte Intervall relativ kurz ist, wenn der überwachte Strom innerhalb eines zweiten vorbestimmten Zeitabschnitts nach Schritt a) unakzeptabel von dem Referenzstrom abweicht.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zweite vorbestimmte Zeitabschnitt nach Abschluss des ersten vorbestimmten Zeitabschnitts beginnt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner das Beenden des Verfahrens nach Abschluss einer Prüfperiode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Prüfperiode im Wesentlichen 100 Millisekunden beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die unakzeptable Abweichung stattfindet, wenn der überwachte Strom die Referenz überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner das Aktivieren eines Anzeigers auf eine erste Weise, wenn der Schalter in Schritt d) als Folge von Schritt c) geöffnet wird, und das Aktivieren des Anzeigers auf eine zweite, andere Weise infolge dessen, dass sich ein anderer Fehlertyp entwickelt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Anzeiger eine optische Vorrichtung ist, wobei die erste und die zweite Weise das EIN- und AUS-Schalten der Anzeigevorrichtung bei jeweiligen verschiedenen Frequenzen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Referenz die Form eines raschen Anstiegs auf eine Spitze gefolgt von einem ungefähr exponentiellen Ausschwingen hat.
Schaltersteuervorrichtung zum Verbinden mit einem Schalter (3), der mit einer Stromversorgung (6) und einer Last (7) in Reihe geschaltet ist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: Mittel (2, 9, 10) zum Überwachen von in der Schaltung fließendem Strom; einen Referenzerzeuger (2) zum Erzeugen einer Referenz, die entsprechend der Variation, die erwartet wird, wenn eine Last angeschlossen ist, im Verhältnis zur Zeit variiert; eine Vergleichsschaltung (10) zum Vergleichen des überwachten Stroms mit der Referenz und ein auf die Vergleichsschaltung (10) reagierendes Steuersystem (2) zum Öffnen des Schalters (3), wenn der überwachte Strom unakzeptabel von der Referenz abweicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzerzeuger von dem Steuersystem unabhängig ist.
Schaltersteuervorrichtung nach Anspruch 14, die zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgeführt ist.
Schaltersteuervorrichtung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15 zur Verwendung mit einem Pegelsensor, wobei der Schalter normalerweise in Reaktion auf von dem Pegelsensor erfasste Bedingungen betätigt wird.