CH706309A1 - Elektronische Schaltung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Umwandlung eines Ladungssignals eines Sensors (3) in ein Spannungssignal, insbesondere eines in einer Fahrbahn eingebauten WIM-Sensors (Weigh-in-Motion) umfassend einen Ladungsverstärker mit einem IC1 mit einem ersten und einem zweiten Eingang als Eingänge von einem Sensor mit einem Signalausgang und einem Ground-Ausgang. Zudem umfasst sie einen integrierten Impedanzwandler (IEPE) am Ausgang zu einem zweiadrigen Kabel (5). Erfindungsgemäss ist am ersten Eingang des IC1 des Ladungsverstärkers ein Kondensator Cc in Serie mit dem Signalausgang des Sensors geschaltet für die Entkopplung der internen Gleichspannung der Schaltung über dem Sensor. Zudem ist eine Zenerdiode D zwischen dem Ground-Ausgang des Sensors und dem zweiten Eingang des IC1 angeordnet, welches durch einen Widerstand R1 zusammen mit einer ausgangsseitig angeordneten Stromversorgung gespeist werden kann, zum Anpassen des Potentials am zweiten Eingang des IC1.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Umwandlung von einem Ladungssignal eines Sensors in ein Spannungssignal, insbesondere eines in einer Fahrbahn eingebauten WIM-Sensors (Weigh-in-Motion), sowie einen Sensor umfassend eine solche Schaltung.

Stand der Technik

[0002] Kraftsensoren zum Ermitteln des Gewichts von Fahrzeugen auf der Strasse bei der Überfahrt, sogenannte WIM-Sensoren (Weigh-in-Motion) werden in eine Fahrbahn, beispielsweise in eine Strasse eingebaut und messen die dynamischen Bodenreaktionskräfte der Fahrzeuge, um daraus deren Gewicht zu bestimmen. Es werden in der Regel piezoelektrische Sensoren dafür verwendet. Als Signal entsteht dabei eine Ladung. Üblich ist eine Übertragung der Ladung mittels Kabel zu einem externen Ladungsverstärker, der das Ladungssignal in ein Spannungssignal umrechnet. Da die Ladungen sehr klein sind muss die Signalstrecke bis zum Ladungsverstärker hochisolierend ausgeführt sein, wie dies bei Leitungen von piezoelektrischen Sensoren stets vorgeschrieben ist. Daraus entstehen hohe Kosten, weil die hochisolierenden Kabel sehr teuer sind. Da sich in der Anwendung der Sensor in der Strasse und das Kabinett mit der Elektronik oft weit auseinander befinden, sind lange Kabel notwendig, was die Anlage entsprechend verteuert.

[0003] Die Übertragung eines Spannungssignals ist viel unproblematischer als diejenige eines Ladungssignals. Wenn das Sensorsignal schon im Sensor in ein Spannungssignal umgewandelt wird, ist die Handhabung nachher stark vereinfacht, da so beispielsweise ein einfacheres Kabel verwendet werden kann.

[0004] Für die Umwandlung von Ladung in ein Spannungssignal gibt es zwei bewährte Schaltungen. Eine sogenannte IEPE-Schaltung (Piezotron®), als erste Möglichkeit, hat den Vorteil, dass dafür wenige Bauteile verwendet werden müssen. Da die Elektronik für die genannte Anwendung der WIM-Sensoren mit dem Sensor zusammen in der Fahrbahn eingebaut ist, ist ein Ausfall unter allen Umständen zu vermeiden, da ein Austausch des Sensors nicht ohne weiteres möglich ist. Die Fahrbahn ist in diesem Fall für eine gewisse Zeit unpassierbar und muss gesperrt werden. Da durch die Einbaulage hohe Temperaturunterschiede sowie weitere Umwelteinflüsse zu erwarten sind, sind die Anforderungen an die Qualität nochmals erhöht. Eine geringe Anzahl Bauteile trägt dazu bei, die Elektronik einfach und somit langlebiger zu halten. Ein zweiter Vorteil einer IEPE-Schaltung ist, dass ein normales Koaxialkabel für Signalübertragung und Speisung genügt, wenn die Ladungssignale bereits im Sensor zu einem Spannungssignal umgewandelt werden. Dennoch kann eine IEPE-Schaltung in der angegebenen Anwendung nicht verwendet werden, da die hohe Kapazität und der Innenwiderstand des Sensors direkt Bestandteil der Schaltung sind. Die Kapazität variiert aber zwischen den Sensoren, was bedeutet, dass jeder Sensor andere Signaleigenschaften hat. Der Widerstand jedes Sensors verändert sich zudem über die Zeit, was dazu führt, dass sich auch die Empfindlichkeit des Signals über die Zeit ändert. Daher können mit einer IEPE-Schaltung keine Messresultate erzielt werden, welche die erforderliche Genauigkeit haben, insbesondere nicht über eine lange Zeitspanne.

[0005] Der Ladungsverstärker als zweite Möglichkeit weist diese Nachteile nicht auf. Dafür ist für Signal und Speisung ein zweiadriges geschirmtes Kabel notwendig, das sehr lange und daher sehr teuer ist, wie oben beschrieben. Dies entspricht daher nicht der gewünschten Lösung. Sollte der Ladungsverstärker direkt im Sensor eingebaut sein, ist dafür ein zusätzliches Kabel für die Speisung notwendig, was die Anlage erneut verteuert.

Darstellung der Erfindung

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Schaltung anzugeben, welche eine Signalumwandlung eines Ladungssignals in ein Spannungssignal schon innerhalb des Sensors durchzuführen kann, die Sicherheit und Einfachheit aufweist, um direkt in einer Fahrbahn eingebaut werden zu können. Zudem soll die Schaltung an zwei einfachen Leitungen angeschlossen werden können, welche nicht hochisolierend sein müssen und welche die für die Elektronik erforderliche Speisung aufbringen können. Zudem soll die Schaltung auf die Sensoreigenschaften wie Kapazität und Widerstand keinen Einfluss haben.

[0007] Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die erfindungsgemässe Schaltung umfasst einen Ladungsverstärker mit einem IC1, welcher einen ersten und einen zweiten Eingang aufweist. Diese dienen als Eingänge von einem Sensorelement, welches seinerseits zwei Ausgänge aufweist, namentlich einem Signalausgang und einem Ground-Ausgang.

[0008] Die Schaltung umfasst weiter einen integrierten Impedanzwandler (IEPE) am Ausgang zu einem zweiadrigen Kabel. Erfindungsgemäss ist am ersten Eingang des IC1 des Ladungsverstärkers ein Kondensator Cc in Serie mit dem Signalausgang des Sensors geschaltet, für die Entkopplung der internen Gleichspannung der Schaltung über dem Sensor. Zudem ist eine Zenerdiode D zwischen dem Ground-Ausgang des Sensors und dem zweiten Eingang des IC1 angeordnet, welches durch einen Widerstand R1 zusammen mit einer ausgangsseitig angeordneten Stromversorgung gespeist werden kann, zum Anpassen des Potentials am zweiten Eingang des IC1.

[0009] Diese erfindungsgemässe Schaltung kann an einem normalen, zweiadrigen Kabel angeschlossen sein. Mit diesem lassen sich die Signaldaten übertragen, während eine Kopplung für die Speisung sorgt. Zudem kann das Potential angepasst werden, ohne dass Bauteile dafür ausgetaucht werden müssen, sodass dafür eine Fahrbahn gesperrt werden muss.

[0010] Die Übertragung des Spannungssignals ist viel unproblematischer als diejenige des Ladungssignals. So kann dafür ein einfacheres, kostengünstigeres Kabel verwendet werden. Zudem ist das Kabel weniger anfällig auf Verletzungen während Einbau und Betrieb und kann im Gegensatz zu einem Kabel für Ladungssignale gespeist werden. Es ist im Kabinett statt eines komplexen Ladungsverstärkers nur noch eine einfache Signalaufbereitung notwendig.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>ein Beispiel eines eingebauten WIM (Weigh-in-Motion) Sensors in eingebautem Zustand in einer Fahrbahn mit Leitung zum Kabinett; <tb>Fig. 2<sep>ein Schema eines Ladungsverstärkers; <tb>Fig. 3<sep>ein Schema einer IEPE Schaltung (Piezotron®) an einem Sensor; <tb>Fig. 4<sep>eine erfindungsgemässe Schaltung sowie einen Sensor und ein zweiadriges Kabel mit einer integrierten Speisung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0012] Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrbahn 6, hierin Form einer Strasse, mit zwei Reihen von WIM-Sensoren 3 (Weigh-in-Motion), die in der Strasse integriert sind. Analoge Anordnungen von Schienenfahrzeugen sind auch möglich, wobei die Sensoren 3 dann beispielsweise in den Schienen angeordnet sind. Die WIM-Sensoren 3 enthalten in der Regel piezoelektrische Sensorelemente 3 ́, welche Ladungssignale abgeben. Diese müssen durch hochisolierende Leitungen 5 weiter geleitet werden, bis sie in einer entsprechenden Elektronik in Spannungssignale umgewandelt werden.

[0013] In der dargestellten Anordnung werden mittels der WIM-Sensoren 3 die Gewichte der Radlasten bei der Überfahrt der Fahrzeuge ermittelt. Die gemessenen Resultate werden mittels Kabel 5 an eine Auswerteeinheit in einem Kabinett 4 geleitet, das in der Regel sehr weit von der Strasse entfernt angeordnet ist.

[0014] In Fig. 2 ist ein Ladungsverstärker 1 angegeben, wie er üblicherweise in solchen Anwendungen verwendet wird, in den dargestellten Kabinetten 4.

[0015] Das Sensorsignal wird über ein hochisolierende Koaxial-Kabel 5 über eine Distanz von mehreren Metern dem Ladungsverstärker 1 an den zwei Eingängen «In» und «GND» (ground) zugeführt und in eine Spannung umgewandelt, welche dann relativ einfach weiter verarbeitet werden kann (niederohmige Signalverarbeitung). Die Ladungsverstärker 1 sind oftmals in entfernten Elektronikschränken am Strassenrand untergebracht.

[0016] Das hochisolierende Verbindungskabel 5 vom Sensor 3 zum Ladungsverstärker 1 ist sehr teuer und es muss beim Verlegen sehr sauber gearbeitet werde, damit das Kabel 5 nicht verschmutz wird und damit die nötige hohe Isolation nicht mehr gewährlistet wäre.

[0017] An den zwei Ausgängen «Out» und «GND» werden die Leitungen 5 zum Weiterleiten der Signale angeschlossen. Zusätzlich muss der Ladungsverstärker 1 oder mit einem zweiadrigen Kabeln 5 gespeist werden, sodass insgesamt vier Leitungen 5 vom Ladungsverstärker 1 wegführen. Je nachdem, ob der Ladungsverstärker 1 im Sensor 3 oder im Kabinett 4 untergebracht wird, muss entweder ein teures hochisoliertes Kabel 5 oder ein teures vieradriges Kabel 5 zwischen Sensor 3 und Kabinett 4 verlegt werden.

[0018] In Fig. 3 ist eine IEPE-Schaltung 2 angegeben, auch Piezotron®-Schaltung genannt, die in der Regel bei einem Sensor 3, insbesondere einem piezoelektrischen Sensor 3, wie angegeben, integriert angeordnet sein kann. Abgesehen vom Messelement ist im Sensor 3 die Sensorkapazität Cs sowie der Isolationswiderstand des Sensors Rp angegeben. Die Kabelkapazität ist mit Ck angegeben.

[0019] Das Herzstück des IEPE 2 ist der Impedanzwandler T2, der ausgangsseitig angeordnet ist. Er ist mit einem zweiadrigen Kabel 5 verbunden, in welchem ein Koppler integriert ist zur Speisung.

[0020] Bei beiden Applikation sind keine (quasi) statischen Messungen nötig, daher wird bei beiden Systemen mit Zeitkonstanten gearbeitet, die sich aus den Werten von Cg und RT ergeben. So wird eine Begrenzung des Frequenzgangs nach unten erreicht.

[0021] Bei der IEPE-Schaltung 2 liegt der Isolationswiderstand des Sensors Rp parallel zu RT und beeinflusst dadurch auch die Zeitkonstante.

[0022] Die Empfindlichkeit der Messkette wird bei der IEPE-Schaltung 2 durch die Kapazität Cg am Eingang, der Sensorkapazität Cs und der Eingangskabelkapazität Ck bestimmt.

[0023] Beim WIM ist die Sensorkapazität Cs gross und insbesondere über die Betriebsdauer nicht stabil, wegen Temperatureinflüssen, Exemplar-Streuung uns anderen Umwelteinflüssen. Dies beeinträchtigt die Empfindlichkeit der Messkette massiv und verunmöglicht somit eine genaue Messung geradezu.

[0024] Der Vorteil der IEPE-Schaltung 2 besteht in der einfachen Signalübertragung auf einem Leitungspaar 5 inkl. Speisung des Systems. Das System wird von einer Stromquelle mit einigen mA betrieben und das Signal als Spannungswert einem Ruhewert (Bias Spannung) von ≈10VDC überlagert.

[0025] In Fig. 4 ist nun die erfindungsgemässe Elektronik-Schaltung angegeben, welche unempfindlich ist bezüglich der sich ändernden Empfindlichkeit wegen der Kapazitätsänderung der Sensoren 3.

[0026] Die Komponenten IC1 (integrierter Schaltkreis) und T1 (Impedanzwandler) bilden die aktive Verstärkerstufe. Die Zenerdiode D zusammen mit den Widerständen R2 und R3 bestimmen den Ausgangsruhewert, die Bias Spannung. Mit der Kapazität Cg kann die Empfindlichkeit der Messkette eingestellt werden. Zudem bilden der Widerstand RT zusammen mit den Widerständen R2, R3 und der Kapazität Cg die Zeitkonstante des Messsignals. Der Kondensator Cc dient der Entkopplung der Spannung über der Zenerdiode D gegenüber dem Sensor 3.

[0027] Das ganze System wird von einer Stromquelle gespeist, welche in einen sogenannten Koppler (Coupler) untergebracht ist.

[0028] Die erfindungsgemässe Schaltung gemäss Fig. 4vereint die Vorteile der beiden Systeme: Die Empfindlichkeit ist wie die des Ladungsverstärkers 1 nahezu von der Eingangskapazität unabhängig. Wie bei der IEPE-Schaltung 2 können Signalübertragung sowie die Speisung des Systems auf einem Leitungspaar 5 durchgeführt werden. Auch hier wird das System von einer Stromquelle mit einigen mA betrieben und das Signal als Spannungswert einem Ruhewert (Bias Spannung) von –10VDC überlagert.

[0029] Beim Wim-Sensor 3 sind konstruktiv bedingt die Sensormasse und die Ausgangssignalmasse GND auf dem gleichen Potential.

[0030] Im Unterschied zum Ladungsverstärker 1 kommt der Sensor 3 nicht zwischen «In» und «GND-A» zu liegen, sondern muss auf «GND» geschaltet werden.

[0031] Ohne die Koppel-Kapazität (Cc ist überbrückt) liegt die Spannung der Zenerdiode D parallel zum Sensor 3.

[0032] Diese ergibt zusammen mit der Sensorisolation Rp einen Eingangsstrom in den Anschluss «In», der sich am Ausgang als Ruhespannungsverschiebung bemerkbar macht, der bis in die Begrenzung gehen kann, wodurch eine Messung verunmöglicht würde.

[0033] Um dieses Problem nun zu lösen ist die Koppel-Kapazität Cc in den Eingang geschaltete, um somit eine Entkopplung der Eingangsspannung, also eine Spannung über der Diode D, zu erreichen.

[0034] Dabei ist zu beachten, dass der nun entstandene Ladungsteiler Cc und (Ck+Cs) entsprechend dimensioniert ist, um die Änderungen von Cs vernachlässigen zu können.

[0035] Die erfindungsgemässe elektronische Schaltung zur Umwandlung eines Ladungssignals eines Sensors 3 in ein Spannungssignal, insbesondere eines in einer Fahrbahn 6 eingebauten WIM-Sensors 3 (Weigh-in-Motion) umfasst einen Ladungsverstärker mit einem IC1 mit einem ersten und einem zweiten Eingang als Eingänge von einem Sensor 3 mit einem Signalausgang und einem Ground-Ausgang. Zudem umfasst sie einen integrierten Impedanzwandler (IEPE) am Ausgang zu einem zweiadrigen Kabel 5. Erfindungsgemäss ist am ersten Eingang des IC1 des Ladungsverstärkers ein Kondensator Cc in Serie mit dem Signalausgang des Sensors 3 geschaltet für die Entkopplung der internen Gleichspannung der Schaltung über dem Sensor 3. Zudem ist eine Zenerdiode D zwischen dem Ground-Ausgang des Sensors 3 und dem zweiten Eingang des IC1 angeordnet, welches durch einen Widerstand R1 zusammen mit einer ausgangsseitig angeordneten Stromversorgung gespeist werden kann, zum Anpassen des Potentials am zweiten Eingang des IC1.

[0036] Insbesondere können zwischen dem Ladungsverstärker und dem Impedanzwandler zwei Widerstände R2, R3 geschälten sein, welche zusammen mit der Zenerdiode D den Ausgangsruhewert bestimmen. Vorzugsweise ist über dem IC1 des Ladungsverstärkers als Gegenkopplung eine Kapazität Cg angeordnet, zum Einstellen der Empfindlichkeit der Messkette. Im Ladungsverstärker ist zudem bevorzugt parallel zur Kapazität Cg ein Widerstand RT angeordnet, der zusammen mit den Widerständen R2 und R3 die Zeitkonstante des Messsignals bildet.

[0037] Am Ausgang ist in der Anwendung ein zweiadriges Kabel 5 mit einem externen Kuppler als Stromquelle für die Speisung vorgesehen. Dabei kann das zweiadriges Kabel 5 ein Koaxialkabel sein.

[0038] Erfindungsgemäss umfasst die erfindungsgemässe Schaltung einen Sensor 3 eingangsseitig, insbesondere einen piezoelektrischen Sensor 3. Oder anders formuliert, es ist ein Sensor 3 beansprucht mit einer erfindungsgemässen elektronischen Schaltung gemäss obiger Beschreibung.

[0039] Vorzugsweise ist die Schaltung im Sensor 3 integriert. Erfindungsgemäss ist der Sensor 3 ein Weigh-in-Motion (WIM)-Sensor 3 zum Durchführen von dynamischen Achslastmessungen von Fahrzeugen während der Fahrt in einer Fahrbahn 6.

Bezugszeichenliste

[0040] <tb>1<sep>Ladungsverstärker <tb>2<sep>IEPE Schaltung, Piezotron® <tb>3<sep>Sensor, WIM-Sensoren; 3 ́ Sensorelement <tb>4<sep>Kabinett <tb>5<sep>Leitungen, Kabel <tb>6<sep>Fahrbahn

Claims (9)

1. Elektronische Schaltung zur Umwandlung eines Ladungssignals eines Sensors (3) in ein Spannungssignal, insbesondere eines in einer Fahrbahn (6) eingebauten WIM-Sensors (3) (Weigh-in-Motion), umfassend einen Ladungsverstärker mit einem IC1 mit einem ersten und einem zweiten Eingang als Eingänge von einem Sensor (3) mit einem Signalausgang und einem Ground-Ausgang, sowie umfassend einen integrierten Impedanzwandler (IEPE) am Ausgang zu einem zweiadrigen Kabel (5), dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Eingang des IC1 des Ladungsverstärkers ein Kondensator Cc in Serie mit dem Signalausgang des Sensors (3) geschaltet ist für die Entkopplung der internen Gleichspannung der Schaltung über dem Sensor (3), und dass eine Zenerdiode D zwischen dem Ground-Ausgang des Sensors (3) und dem zweiten Eingang des IC1 angeordnet ist, welches durch einen Widerstand R1 zusammen mit einer ausgangsseitig angeordneten Stromversorgung gespeist werden kann, zum Anpassen des Potentials am zweiten Eingang des IC1.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ladungsverstärker und dem Impedanzwandler zwei Widerstände R2, R3 geschälten sind, welche zusammen mit der Zenerdiode D den Ausgangsruhewert bestimmen.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über dem IC1 des Ladungsverstärkers als Gegenkopplung eine Kapazität Cg angeordnet ist, zum Einstellen der Empfindlichkeit der Messkette.

4. Schaltung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Ladungsverstärker parallel zur Kapazität Cg ein Widerstand RT angeordnet ist, der zusammen mit den Widerständen R2 und R3 die Zeitkonstante des Messsignals bildet.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang ein zweiadriges Kabel (5) mit einem externen Kuppler als Stromquelle für die Speisung vorgesehen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweiadriges Kabel (5) ein Koaxialkabel ist.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Sensor (3) eingangsseitig, insbesondere einen piezoelektrischen Sensor (3).

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung im Sensor (3) integriert ist.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein Weigh-in-Motion (WIM)-Sensor (3) ist zum Durchführen von dynamischen Achslastmessungen von Fahrzeugen während der Fahrt in einer Fahrbahn (6).