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.
State of the art:
Piezome technology uses quartz-based sensors that emit a charge proportional to the mechanical size to be measured. This charge is converted into a voltage required for further signal processing or into a current by means of a so-called charge amplifier. Such charge amplifiers have been used successfully for over twenty years. For laboratory applications, these are electronic devices that combine a number of additional functions in one universal device. In this way, different charge ranges from 10 pC ... 1 mu C can be set to ensure standardized voltage output of e.g. 0 ... 10V or current loop 0 ... 20 mA etc. Furthermore, various input and output filters can be set etc. Commercial devices of this type have a volume of 1-2 dm <3> and weights of over 1 kg.
For industrial applications, simplified and fully waterproof devices are on the market, which are probably much smaller and lighter, but are still too large to be installed directly in industrial sensors.
Impedance converters in hybrid technology have also been on the market for over twenty years, which have been used primarily in piezoelectric accelerometers and can only transmit dynamic signals. Such devices have been described in the specialist literature under the trademark "Piezotron".
Impedance converters of this type cannot be used for piezoelectric force measurement, where quasi-static measuring operation and the possibility of zeroing the measured value are required for the purpose of static calibration.
The aim of the invention is therefore to reduce charge amplifiers in hybrid form to such an extent that they can be installed above all in piezoelectric force sensors. Highly insulating cable connections between the sensor and charge amplifier to the outside are no longer necessary; normal, cheap cables and plugs can be used. Especially in industrial applications, the highly insulating cable connections and their plugs have proven to be fault-prone and expensive components.
The solution to the problem of reducing the complex circuit arrangement of the commercially available charge amplifiers now consists, according to the invention, in the resolution of the overall circuit into individual modules using hybrid technology, which can be put together and switched in a simple manner for a wide variety of industrial requirements and still offer a very compact design, which makes the installation in force measuring arrangements possible.
According to the invention, the charge amplification circuit is divided into:
Supply voltage module S
Charge amplifier module L
Range switch module B
Filter module F
Remote control module etc. R
All of these modules can e.g. can be built on ceramic substrates using hybrid technology, e.g. in the standard size 0.5 inch / 1.5 inch with a height of approx. 3 mm. However, other techniques are also possible.
Details of the circuit technology should not be discussed in detail, since such circuits have been made known in the specialist literature.
According to the invention, the circuit subdivision into different modules, their connection arrangements and their combination possibilities while maintaining the most compact installation form is of importance. The modular principle with the connecting elements according to the invention, which are arranged in such a way that they can be stacked in the piggyback system with the smallest possible component spacing, results in a minimal package which in some cases directly connected to the electrodes of the piezoelectric sensors can be integrated into the sensor housing. However, the modular system can also be arranged in areas on a standard printed card.
The idea of the invention is illustrated by the following figures:
1 shows a charge amplifier module as an example
Fig. 2 shows an example of the connection technology of two modules
3 shows a further example of the connection technology of three modules
4 shows a further example of the connection technology of three modules
5 shows an example of a supply voltage module S.
6 shows an example of a charge amplifier module L.
7 shows an example of a range switch module B.
8 shows an example of a filter module F.
9 shows an example of a remote control module R
10 shows a piggyback group for a single-channel arrangement
11 shows a piggyback arrangement for a 3-channel arrangement
Fig. 12 shows a piggyback arrangement for a complex remote controlled 1-channel arrangement
Fig.
13 shows a plug-in card with modules installed
14 shows a dense industrial version of modules arranged on a printed card.
1 shows a charge amplifier module according to the invention with the connection contacts. It consists of the ceramic substrate 1, on which the semiconductors, resistors and capacitors are arranged in a known manner, but are not shown. Only the soldering components 2 are outlined.
The arrangements of the solder contacts 3 are of importance, which not only enables the modules to be mounted on a normal electronic print card, but also allow piggyback arrangements.
Fig. 2 shows a detail of the connection technology of two modules in a piggyback arrangement. The connection points on the ceramic substrate 1 are soldered to contact clips 4, which are connected to contact rods 5 of different lengths depending on the application. Depending on whether a multiple piggyback arrangement is provided, the contact rods 5 can be adapted by shortening them.
3 shows a piggyback variant with commercially available contact elements 7. These are provided with contact slots 6 which are soldered to the contact elements 7.
Fig. 4 shows a further piggyback variant, the contact clip 4 are connected to contact eyelets 10 which are provided with contact pins 11.
5 ... 9 show a module collection of elements, which are all arranged around the main module, the charge amplifier Fig. 1 and Fig. 6 and are all of the same size. 5 shows the supply module S, which is capable of supplying a number of charge amplifier modules L and accessory modules B, F, R with the required stabilized bipolar supply voltage from a unipolar, unstabilized input voltage. The solder connections 12, 13, which are arranged according to a coded system such that piggyback systems according to selected arrangements are possible, are preferably attached to two end faces.
6 shows the charge amplifier module L, which represents the core of the modules. The solder connections 12, 13 are in turn coded so that simple piggyback arrangements are possible.
Fig. 7 shows a range switching module B with a suitable arrangement of the solder connections.
Fig. 8 shows a filter module F again with a suitable arrangement of the solder connections.
Fig. 9 shows a remote control regulating module R again with a suitable coded arrangement of the solder connections.
10 shows a piggyback arrangement consisting of a feed module S and a charge amplifier module L completely electrically connected for a single-channel arrangement.
11 shows a piggyback arrangement consisting of a supply voltage module S and three charge amplifier modules L for a three-channel arrangement.
12 shows a piggyback arrangement consisting of supply voltage module S, charge amplifier module L, filter module F and remote control module R.
Various other combinations can be considered. However, they must be coordinated with the coding key of the solder connections 12, 13.
13 shows the surface variant of how the LLS modules are soldered onto normal print card 15. The front plate 14 is provided with the necessary control buttons and the other end of the print card with the standard plug 16.
14 shows an industrial variant consisting of housing 17, cover 18, oil- and watertight connections 19 and a printed card 15, on which the modules L, S are soldered as examples. In such boxes, the modules can also be used in a piggyback arrangement and cast.
The module concept, which was developed around the charge amplifier module, results in new installation options due to the coded solder connections 12, 13
those in the piggyback system
as in the area arrangement system.
Five module units are shown as an example, but can be expanded.
The piggyback system requires an intelligent cross-connection system that can be adapted to the different combinations. With suitable coding of the solder connections on the individual modules, the important combinations can be realized with straight contact pins 11. In rare cases, these need to be angled.
Through the use of acceleration-resistant components up to at least +/- 100 g, the invention allows for the first time the installation of charge amplifier arrangements directly in the most varied types of force measuring arrangements, where they can be cast in directly.
Pioneering new sensor-amplifier combinations of piezoelectric force measurement have become possible. Such combinations according to the invention are less expensive and more reliable than previous arrangements.
Additional measures such as the use of components that can withstand temperatures up to 100 ° C., as well as glass covers of all highly insulating conductor paths and the arrangement thereof that no stray voltages arise through induction, are further steps for accommodating the charge amplifier arrangement according to the invention directly in the sensor.