Stand der Technik:
In der Piezomesstechnik werden Sensoren auf Quarzbasis verwendet, die eine der zu messenden mechanischen Grösse proportionale Ladung abgeben. Die Umwandlung dieser Ladung in eine für die weitere Signalverarbeitung erforderliche Spannung oder in einen Strom geschieht mittels eines sog. Ladungsverstärkers. Solche Ladungsverstärker sind seit über zwanzig Jahren erfolgreich in Anwendung. Für Laboranwendungen sind dies elektronische Geräte, die eine Reihe von Zusatzfunktionen in einem universellen Gerät vereinigen. So können verschiedene Ladungs-Bereiche von 10 pC ... 1 mu C eingestellt werden, um standardisierten Spannungsausgang von z.B. 0 ... 10V oder Current Loop 0 ... 20 mA etc. zu erhalten. Ferner können verschiedene Eingangs- und Ausgangsfilter eingestellt werden etc. Handelsübliche Geräte dieser Art weisen ein Volumen von 1-2 dm<3> auf und Gewichte von über 1 kg.
Für industrielle Anwendungen sind vereinfachte und voll wasserdichte Geräte im Handel, die wohl wesentlich kleiner und leichter, jedoch immer noch zu gross sind, um in industriellen Sensoren direkt eingebaut zu werden.
Ebenfalls seit über zwanzig Jahren sind Impedanzwandler in Hybridtechnik auf dem Markt, die vor allem in piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern Anwendung gefunden haben und nur dynamische Signale übertragen können. Unter der Handelsmarke "Piezotron" sind solche Geräte in der Fachliteratur beschrieben worden.
Für die piezoelektrische Kraftmessung, wo zwecks statischer Kalibriermöglichkeit quasistatischer Messbetrieb sowie die Möglichkeit zur Nullung des Messwertes Voraussetzung sind, können derartige Impedanzwandler nicht verwendet werden.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, Ladungsverstärker in Hybridform soweit zu verkleinern, dass sie vor allem in piezoelektrische Kraftsensoren eingebaut werden können. Damit sind hochisolierende Kabelverbindungen zwischen Sensor und Ladungsverstärker nach aussen nicht mehr nötig; es können normale, billige Kabel und Stecker verwendet werden. Vor allem in industriellen Anwendungen haben sich die hochisolierenden Kabelverbindungen und deren Stecker als störanfällige und teure Komponenten erwiesen.
Die Lösung der Aufgabe, die komplexe Schaltungsanordnung der handelsüblichen Ladungsverstärker zu verkleinern besteht nun erfindungsgemäss in der Auflösung der Gesamtschaltung in einzelne Module in Hybridtechnik, die auf einfache Weise für die verschiedensten industriellen Anforderungen zusammengestellt und geschaltet werden können und immer noch eine sehr kompakte Bauform bieten, welche den Einbau in Kraftmessanordnungen möglich macht.
Erfindungsgemäss wird die Ladungsverstärkungsschaltung aufgeteilt in:
Speisespannungsmodul S
Ladungsverstärkermodul L
Bereichsumschaltermodul B
Filtermodul F
Fernsteuermodul etc. R
Alle diese Module können z.B. in Hybridtechnik auf Keramik-Substraten aufgebaut werden, z.B. in der Standardgrösse 0.5 inch/1.5 inch bei einer Bauhöhe von ca. 3 mm. Es sind aber auch andere Techniken möglich.
Auf Details der Schaltungstechnik soll nicht näher eingegangen werden, da solche Schaltungen in der Fachliteratur bekannt gemacht wurden.
Erfindungsgemäss von Bedeutung ist die Schaltungsunterteilung auf verschiedene Module, deren Verbindungs-Anordnungen und deren Kombinationsmöglichkeiten unter Wahrung der kompaktesten Einbauform. Das modulare Prinzip mit den erfindungsgemässen Verbindungselementen, die so angeordnet sind, dass sie stapelbar im Huckepacksystem auf geringsten Komponentenabstand ausgerichtet sind, ergibt ein Minimalpaket, das z.T. direkt mit den Elektroden der piezoelektrischen Sensoren verbunden mit in das Sensorgehäuse integriert werden kann. Das Modular-System kann aber auch auf Standard-Printkarte flächenweise angeordnet werden.
Der Gedanke der Erfindung soll an den folgenden Figuren erläutert werden:
Fig. 1 zeigt ein Ladungsverstärkermodul als Beispiel
Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Verbindungstechnik zweier Module
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel der Verbindungstechnik dreier Module
Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel der Verbindungstechnik dreier Module
Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Speisespannungsmoduls S
Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Ladungsverstärkermoduls L
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Bereichsumschaltermoduls B
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Filtermoduls F
Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Fernsteuermoduls R
Fig. 10 zeigt eine Huckepack-Gruppe für eine Einkanal-Anordnung
Fig. 11 zeigt eine Huckepack-Anordnung für eine 3-Kanal-Anordnung
Fig. 12 zeigt eine Huckepack-Anordnung für eine komplexe ferngesteuerte 1-Kanal-Anordnung
Fig.
13 zeigt eine Steckkarte mit montierten Modulen
Fig. 14 zeigt eine dichte industrielle Version von auf Printkarte angeordneten Modulen.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Ladungsverstärkermodul mit den Anschlusskontakten. Es besteht aus dem Keramiksubstrat 1, auf dem die Halbleiter, Widerstände und Kapazitäten nach bekannter Bauart angeordnet, aber nicht gezeigt sind. Lediglich die Auflötkomponenten 2 sind skizziert.
Von Bedeutung sind die Anordnungen der Lötkontakte 3, die sowohl Montage der Module auf normaler Elektronik-Printkarte ermöglicht, wie auch Anordnungen in Huckepack gestatten.
Fig. 2 zeigt ein Detail der Verbindungstechnik von zwei Modulen in Huckepack-Anordnung. Die Anschlussstellen auf dem Keramiksubstrat 1 sind mit Kontaktklammern 4 verlötet, die je nach Anwendung mit verschieden langen Kontaktstäbchen 5 verbunden sind. Je nachdem ob Mehrfach-Huckepack-Anordnung vorgesehen ist, können die Kontaktstäbchen 5 durch Kürzen angepasst werden.
Fig. 3 zeigt eine Huckepackvariante mit handelsüblichen Kontaktelementen 7. Diese sind mit Kontaktschlitzen 6 versehen, die mit den Kontaktelementen 7 verlötet werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Huckepackvariante, deren Kontaktklammer 4 mit Kontaktösen 10 verbunden sind, die mit Kontaktstiften 11 versehen sind.
Die Fig. 5 ... 9 zeigen eine Modulsammlung von Elementen, die alle um den Hauptbaustein, den Ladungsverstärker Fig. 1 und Fig. 6 angeordnet und alle von gleicher Grösse sind. Fig. 5 zeigt den Speisemodul S, der in der Lage ist, von einer unipolaren, unstabilisierten Eingangs-Spannung eine Reihe von Ladungsverstärkermodulen L und Zubehörmodulen B, F, R mit der erforderlichen stabilisierten bipolaren Speisespannung zu versorgen. Vorzugsweise an zwei Endflächen sind die Lötanschlüsse 12, 13 angebracht, die nach einem codierten System so angeordnet sind, dass Huckepacksysteme nach ausgewählten Anordnungen möglich wird.
Fig. 6 zeigt das Ladungsverstärkermodul L, welches den Kern der Module darstellt. Die Lötanschlüsse 12, 13 sind wiederum so codiert, dass einfache Huckepackanordnungen möglich werden.
Fig. 7 zeigt ein Bereichs-Umschaltemodul B mit passender Anordnung der Lötanschlüsse.
Fig. 8 zeigt ein Filtermodul F wiederum mit passender Anordnung der Lötanschlüsse.
Fig. 9 zeigt ein Fernsteuer-Reguliermodul R wiederum mit passender codierter Anordnung der Lötanschlüsse.
Fig. 10 zeigt eine Huckepack-Anordnung bestehend aus einem Speisemodul S und einem Ladungsverstärkermodul L komplett elektrisch verbunden für eine Einkanal-Anordnung.
Fig. 11 zeigt eine Huckepack-Anordnung bestehend aus einem Speisespannungsmodul S und drei Ladungsverstärkermodulen L für eine Dreikanal-Anordnung.
Fig. 12 zeigt eine Huckepack-Anordnung bestehend aus Speisespannungsmodul S, Ladungsverstärkermodul L, Filtermodul F und Fernsteuermodul R.
Verschiedene andere Kombinationen können in Betracht gezogen werden. Sie müssen jedoch abgestimmt werden mit dem Codierschlüssel der Lötanschlüsse 12, 13.
Fig. 13 zeigt die Flächenvariante, wie die Module LLS auf normale Printkarte 15 aufgelötet sind. Die Frontplatte 14 ist dazu mit den notwendigen Steuertasten versehen und das andere Printkartenende mit dem Normstecker 16.
Fig. 14 zeigt eine industrielle Variante bestehend aus Gehäuse 17, Deckel 18, öl- und wasserdichten Anschlüssen 19 und einer Printkarte 15, auf welcher als Beispiele die Module L,S aufgelötet sind. In solchen Kästchen können die Module auch in Huckepack-Anordnung eingesetzt und vergossen werden.
Das Modulkonzept, das um den Ladungsverstärkermodul herum entwickelt wurde, ergibt durch die codierten Lötanschlüsse 12, 13 neue Einbau-Möglichkeiten
solche im Huckepacksystem
wie auch im Flächenanordnungssystem.
Es sind als Beispiel fünf Moduleinheiten gezeigt, die sich aber erweitern lassen.
Das Huckepacksystem verlangt ein intelligentes Querverbindungssystem, das sich den verschiedenen Kombinationen entsprechend anpassen lässt. Bei geeigneter Codierung der Lötanschlüsse auf den einzelnen Modulen, lassen sich die wichtigen Kombinationen mit geraden Kontaktstiften 11 realisieren. In seltenen Fällen müssen diese abgewinkelt werden.
Durch die Verwendung von beschleunigungsfesten Komponenten bis mind. +/- 100 g gestattet die Erfindung erstmals Einbau von Ladungsverstärkeranordnungen direkt in die verschiedensten Typen von Kraftmessanordnungen, wo sie direkt eingegossen werden können.
Damit sind wegweisend neue Sensor-Verstärker-Kombinationen der piezoelektrischen Kraftmessung möglich geworden. Solche erfindungsgemässen Kombinationen sind preisgünstiger und betriebssicherer als frühere Anordnungen.
Zusätzliche Massnahmen wie Verwendung von Komponenten, die Temperaturen bis 100 DEG C ertragen, sowie Glasabdeckungen aller hochisolierenden Leiterpfade sowie Anordnung derselben, dass keine Streuspannungen durch Induktion entstehen, sind weitere Schritte zur Unterbringung der erfindungsgemässen Ladungsverstärker-Anordnung im Sensor direkt.