-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sensoren zum Erfassen physikalischer
Parameter, wie z. B. des Drucks, der Wärmeleitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstante,
oder zum Erfassen von Meßgrößen, wie
z. B. den Füllstand
eines Flüssigkeitstanks,
die Ölqualität, die Strömungsgeschwindigkeit
einer Flüssigkeit,
die Neigung oder Beschleunigung des Sensors oder den Aggregatzustand
eines Stoffes. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf Sensoren, deren Meßprinzip
auf Aufladungs- oder Aufheizvorgängen,
Wärmebilanzen, Wärmemitnahmen
oder allgemein Energiebilanzen basiert.
-
Im
Stand der Technik seit langem bekannt und vielfach angewendet existieren
Meßverfahren, die
ein Gleichgewichtsverhältnis
zwischen einer zugeführten
und abgegebenen Energie in einem Sensorsystem verwenden. Ein Beispiel
hierfür
ist das Pirani-Prinzip zur Messung des Gasdrucks in einem Behälter. Eine
erste Möglichkeit,
das Pirani-Prinzip zur Messung des Gasdrucks in einem Sensor zu
realisieren, besteht darin, einen Meßfaden mit dem Meßgas in
dem Behälter
in Kontakt zu bringen, und denselben bei einer vorgegebenen, bekannten
zugeführten
Leistung so lange zu erhitzen, bis die durch das Meßgas abgeführte Leistung
der bekannten zugeführten
Leistung entspricht. Die sich bei diesem Gleichgewichtszustand einstellende
Temperatur des Meßfadens
ist ein Maß für den Gasdruck
in dem Behälter.
Der Nachteil dieser Umsetzung des Pirani-Prinzips zur Messung des
Gasdrucks besteht darin, daß der
thermische Prozeß eine
träge Reaktion der
Meßvorrichtung
bzw. des Sensors zur Folge hat, und daß folglich für eine Messung
eine lange Meßzeit und
viel Energie erforderlich ist.
-
Ein
schnelleres Ansprechen bzw. eine kürzere Meßzeit erreicht man in der Pirani-Anordnung
dadurch, daß man
eine Solltemperatur des Meßfadens einregelt.
Die Leistung, die hierfür
von einem das Pirani-Prinzip auf diese Weise realisierenden Sensor benötigt wird,
ist wiederum ein Maß für den Gasdruck in
dem Behälter.
Ein Nachteil dieser Realisierung besteht jedoch darin, daß die zur
Messung erforderliche Leistung kontinuierlich zugeführt werden
muß, was einen
erhöhten
Energieverbrauch zur Folge hat.
-
Die
DD249534A1 (ISSN
0433–6461)
mit dem Titel „Verfahren
und Anordnung zur Druckmessung von Gasen" offenbart einen Gasdrucksensor, der
einen von einem Meßgas
umgebenen Meßwiderstand
impulsmäßig speist
und nach jedem Impuls die Abkühlzeit
des Meßwiderstandes
als Funktion des Druckes durch schwellenwertabhängige Auswertung des Spannungsabfalls über dem
Meßwiderstand mißt. Folglich
wird hierbei die Abhängigkeit
der Abkühlzeit
von dem herrschenden Druck zur Druckmessung ausgenutzt. Obwohl durch
diesen Sensor die zur Messung des Druckes erforderliche Energie
reduziert wird, besteht dennoch ein Nachteil dieses Sensors darin,
daß die
impulsweise Speisung mit festen Impulsdauern des Meßwiderstandes
zunächst zu
einer unbekannten Aufheizung des Meßdrahtes führt. Ist die Wärmeabfuhr
des Meßwiderstandes
aufgrund eines sehr geringen Druckes beispielsweise sehr klein,
so nehmen die Meßdauern
zur Messung der Abkühlzeit
des Meßwiderstandes
unakzeptabel hohe Werte an. Ein Korrigieren der Impulsspeisungszeitdauern
ist regelungstechnisch aufwendig und zudem erst nachdem ersten Speisungsimpuls
und dem ersten Abkühlvorgang
möglich.
Nachteilig ist ferner, daß hier
zwei Größen, nämlich die
Impuls-Energie und der Gleichanteil, der zur Messung des Temperaturabfalls
notwendig ist, genau eingehalten werden müssen, um reproduzierbare Messungen
zu ermöglichen.
-
Ein ähnliches
Meßverfahren
wie dasjenige, das in dem letztgenannten Dokument beschrieben wird,
wird von der acammesselectronic GmbH in dem Datenblatt TDC-GP1,
Kapitel 2.7.1, für
eine Widerstandsbestimmung vorgeschlagen. Ein Kondensator wird über einen
unbekannten Widerstand entladen, wobei die Entladezeit gemessen
wird, die vergeht, bis die Spannung des Kondensators von Beginn
der Entladung eine Spannungsschwelle unterschreitet. Der gleiche
Meßvorgang
wird mit einem Referenzwiderstand mit einem bekannten Widerstandswert durchgeführt. Das
Verhältnis
der resultierenden Zeitdauern ist gleich dem Verhältnis der
beiden Widerstände,
so daß der
Widerstandswert des unbekannten Widerstandes berechnet werden kann.
Diese Verhältnismessung
ist jedoch ungeeignet, wenn sich der zu bestimmende Widerstand während der
Messung beispielsweise durch Aufheizen verändert. Ähnlich zu der letztgenannten
Druckmessung besteht ein Nachteil dieses Widerstandsbestimmungsverfahrens darin,
daß der
Meßkondensator
zunächst
vollständig aufgeladen
werden muß.
Der in diesem Kondensator gespeicherte begrenzte Energievorrat ist
zudem für Heizvorgänge wie
bei dem Pirani-Prinzip unzureichend, da sich wegen der Entladekurve
ein ungünstiger
Temperaturverlauf ergäbe.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor und
ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals, das einen vorbestimmten
physikalischen Parameter anzeigt, sowie eine Sensorvorrichtung und
ein Verfahren zum Erfassen einer durch den physikalischen Parameter
bestimmbaren Meßgröße zu schaffen,
so daß der
zur Erfassung erforderliche Leistungsbedarf geringer ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1, eine Sensorvorrichtung
gemäß Anspruch
12 oder ein Verfahren gemäß Anspruch
14 oder 17 gelöst.
-
Ein
erfindungsgemäßer Sensor
zum Erzeugen eines Signals, das einen vorbestimmten physikalischen
Parameter anzeigt, umfaßt
ein Sensorelement, an das ein Ansteuersignal anlegbar ist und das abhängig von
dem vorbestimmten physikalischen Parameter und dem Ansteuersignal
ein Ausgangssignal erzeugt. Es ist ferner eine Ansteuereinrichtung vorgesehen, die
das Ansteuersignal mit einem vorbestimmten Signalverlauf derart
an das Sensorelement anlegt, daß das
Ausgangssignal des Sensorelements einen vorbestimmten Schwellenwert
erreicht. Eine Zeitmeßschaltung
des Sensors erfaßt
die Zeitdauer, bis zu der das Ausgangssignal ausgehend von einem
vorbestimmten Startwert des Ausgangssignals den vorbestimmten Schwellenwert
erreicht, und erzeugt aus der Zeitdauer das den physikalischen Parameter
anzeigende Signal.
-
Eine
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum
Erfassen einer durch einen physikalischen Parameter bestimmbaren
Meßgröße umfaßt über den
erfindungsgemäßen Sensor
hinaus eine Auswerteeinrichtung, die basierend auf dem den physikalischen Parameter
anzeigenden Signal des Sensors auf die Meßgröße rückschließt und dieselbe ausgibt.
-
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Erzeugen eines Signals, das einen vorbestimmten physikalischen
Parameter anzeigt, umfaßt
das Anlegen eines Ansteuersignals mit einem vorbestimmten Signalverlauf
an ein Sensorelement, an das das Ansteuersignal anlegbar ist, und
das abhängig
von dem vorbestimmten physikalischen Parameter und dem Ansteuersignal
ein Ausgangssignal erzeugt, wobei das Ansteuersignal mit dem vorbestimmten
Signalverlauf derart angelegt wird, daß das Ausgangssignal des Sensorelements
einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Zusätzlich wird die Zeitdauer erfaßt, bis zu
der das Ausgangssignal ausgehend von einem vorbestimmten Startwert
des Ausgangssignals den vorbestimmten Schwellenwert erreicht, wobei
daraufhin aus der erfaßten
Zeitdauer das den physikalischen Parameter anzeigende Signal erzeugt
wird.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. dem erfindungsgemäßen Sensor
wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß nach dem Einschalten des
Sensors in der Anstiegsflanke des Ausgangssignals des Sensors bereits
die Informationen enthalten sind, die aus dem Ausgangssignal herkömmlicherweise
erst in dem eingeschwungenen Zustand erhalten werden. Dieser Umstand
wird erfindungsgemäß dadurch
ausgenutzt, daß die
Zeitdauer gemessen wird, bis zu der das Ausgangssignal noch vor
Erreichen eines eingeschwungenen wertes einen vorbestimmten Schwellenwert
erreicht, wobei hier erfindungsgemäß ferner die Tatsache ausgenutzt
wird, daß es
nun auch nicht mehr erforderlich ist, eine konstante Leistung in
den Sensor einzuprägen,
sondern vielmehr kann erfindungsgemäß ein bestimmter und vorab
festgelegter Verlauf des Ansteuersignals gewählt werden, so daß sich zum
einen eine Energieeinsparung beim Betreiben es Sensors ergibt, zum anderen
die Ansprechgeschwindigkeit desselben natürlich erhöht ist, da es nunmehr nicht
mehr erforderlich ist, den Sensor bis zu seinem eingeschwungenen Zustand
auszusteuern. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt
darin, daß basierend
auf dem Ansteuersignal und dessen vorbestimmten Verlauf gemäß dem Anspruch
1 eine Steuerung des Verlaufs der Leistungsaufnahme des Sensors
ist.
-
Der
physikalische Parameter kann der Druck, die Wärmeleitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante
der Umgebung sein. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann beispielsweise
ein Gas- oder Flüssigkeitsfüllstandssensor,
ein Dichte-Sensor oder ein Strömungs-,
Neigungs-, Beschleunigungs- oder Drehratenerfassungssensor sein.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bereits
nach dem Einschalten eines entsprechenden Sensors in der Anstiegsflanke des
Ausgangssignals des Sensors die Information enthalten ist, die aus
dem Ausgangssignal herkömmlicher
Weise erst in dem eingeschwungenen Zustand bzw. im Gleichgewichtszustand
erhalten wird, bzw. bereits dann enthalten ist, wenn man den Sensor
mit einem vordefinierten Signal beaufschlagt, daß zu einer Sensor-Zustandsänderung
im Messraum, wie z.B. einer Temperaturänderung führt. Erfindungsgemäß wird dieser
Umstand dadurch ausgenutzt, daß die
Zeitdauer gemessen wird, bis zu der das Ausgangssignal noch vor
Erreichen eines eingeschwungenen Werts einen vorbestimmten Schwellenwert
erreicht. Da die Anstiegsflanke des Ausgangssignals für vorbestimmte
physikalische Parameter unterschiedliche Steilheit aufweist, ist
die erfaßte
Zeitdauer ein Maß für diese
vorbestimmten physikalischen Parameter. Die pro Messung erforderliche
Leistung kann reduziert werden, da die Leistung nicht bis zu dem
eingeschwungenen Zustand zugeführt
werden muß,
und da keine ständige
Leistungszufuhr erforderlich ist, wie es bei dem Einregeln eines
bestimmten Sensorparameters erforderlich ist. Im Unterschied zu
dem Drucksensor des
DD249534A1 und dem
im vorhergehenden beschriebenen Widerstandsbestimmungsverfahren
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein übermäßiger Energieaufwand zur
Bestimmung des Druckes bzw. des Widerstandes oder anderer physikalischer
Parameter dadurch verhindert, daß die Zeitdauerbestimmung entlang
der Anstiegsflanke, d.h. während
eines physikalischen Vorgangs von einem Ruhezustand bis vor Erreichen eines
eingeschwungenen Zustands, also beispielsweise bei Auflade- und
Aufheiz-Vorgängen,
und nicht bei Entlade- bzw. Abkühl-Vorgängen durchgeführt wird.
Der Schwellenwert, an dem die Zeitdauerbestimmung beendet wird,
legt auf diese Weise unabhängig
von den Umgebungsbedingungen den erforderlichen Energieaufwand zur
Messung im wesentlichen fest. Folglich wird durch die vorliegende
Erfindung der zur Erfassung erforderliche Leistungsbedarf reduziert.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
liegen der vorbestimmte Startwert und der vorbestimmte Schwellenwert
außerhalb
eines zulässigen
Bereichs von möglichen,
sich bei einem Gleichgewichtszustand einstellenden Werten des Ausgangssignals,
wobei die Zeitdauer gemessen wird, die von dem Zeitpunkt an, da
das Signal den Startwert überquert,
bis zu dem Zeitpunkt, da das Ausgangssignal den Schwellenwert erreicht,
vergeht, womit ein Aufheizvorgang oder Aufladevorgang abgeschlossen
wird. Danach wird das Ansteuersignal von dem Sensorelement getrennt,
wobei der nächste Meßzyklus
beginnt, wenn das Ausgangssignal den Startwert erneut erreicht oder
definiert unterschritten hat.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel sind
neben dem Startwert mehrere Schwellenwerte vorgesehen, wobei zur
Erzeugung des den vorbestimmten physikalischen Parameter angebenden
Signals diejenige Zeitdauer herangezogen wird, die vergeht, bis
das Ausgangssignal ausgehend von dem Startwert einen ausgewählten Schwellenwert der
Mehrzahl von Schwellenwerten erreicht, wobei der ausgewählte Schwellenwert
derart ausgewählt wird,
daß die
Zeitdauer eine vorbestimmte Minimalzeitdauer überschreitet bzw. in einem
erwünschten Meßbereich
liegt. Bei jeder Durchquerung eines nächsten Schwellenwerts der Mehrzahl
von Schwellenwerten wird überprüft, ob die
bis dahin vergangene Zeitdauer die Minimalzeitdauer überschreitet. Falls
dies der Fall ist, wie die Zeitdauererfassung gestoppt. Auf diese
Weise kann unter Erhöhung
der Meßzykluszeitdauer
die Meßgenauigkeit
dynamisch erhöht
werden.
-
Die
Zeitdauererfassung wird vorzugsweise durch Vergleichseinrichtungen
gesteuert, wobei eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die
das Ausgangssignal von dem Sensorelement empfängt, das Ausgangssignal mit
dem Startwert vergleicht und ein Startsignal an die Zeitmeßschaltung
ausgibt, falls das Ausgangssignal gleich dem Startwert ist.
-
Umgekehrt
ist vorzugsweise eine weitere Vergleichseinrichtung vorgesehen,
die das Ausgangssignal von dem Sensorelement empfängt, das Ausgangssignal
mit einem der Vergleichseinrichtung zugeordneten Schwellenwert vergleicht
und ein der Vergleichseinrichtung zugeordnetes Stoppsignal an die
Zeitmeßschaltung
ausgibt, falls das Ausgangssignal gleich dem zugeordneten Schwellenwert
ist.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel wird
zu Beginn eines Meßzyklus,
d. h. bei Beginn des Aufheizvorganges, das Ausgangssignal von dem Sensorelement
empfangen, um den Schwellenwert derart einzustellen, daß der Schwellenwert
zu einem augenblicklichen Wert des Ausgangssignals einen vorbestimmten
und festen Abstand aufweist, wodurch bei aufeinanderfolgenden Meßzyklen
die Meßfrequenz
erhöht
wird.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel werden
ein Startschwellenwert als Startwert und der Schwellenwert derart
eingestellt, daß sich
dieselben in einem vorbestimmten und festen Abstand zu einem sich
bei Gleichgewicht und ohne Anliegen des Ansteuersignals einstellenden
Wert das Ausgangssignals befinden.
-
Bevorzugte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den beiliegenden
Ansprüchen definiert.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein schematisches Diagramm,
das die erfindungsgemäße Rückführung der
Erfassung eines vorbestimmten physikalischen Parameters auf die Erfassung
einer Zeitdauer veranschaulicht;
-
2 einen Graphen, der den
Temperaturanstieg eines Widerstandsdrahts bei verschiedenen Druckbedingungen
darstellt;
-
3 einen Graphen, bei dem
das Temperaturausgangssignal eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gegen die Zeit aufgetragen ist;
-
4 einen Graphen, bei dem
die Temperaturanstiegsflanken eines Widerstandsdrahts zusammen mit
verschiedenen Schwellenwerten aufgetragen sind, um zu veranschaulichen,
wie gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Zeitdauer in einen gewünschten
Meßbereich
verlagert werden kann;
-
5 ein Schaltungsdiagramm
für einen Meßschaltung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
-
6a eine perspektivische
Ansicht einer Meßdrahtanordnung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem zwei Widerstandsdrahtschleifen
in oder auf einer Folie laminiert sind, wobei sich die Meßdrahtanordnung
in einem gefalteten Zustand befindet;
-
6b eine Draufsicht der Meßdrahtanordnung
von 6a in einem entfalteten
Zustand;
-
7 ein vereinfachtes Blockschaltbild
eines kombinierten Sensors zur redundanten Sitzbelegungserkennung
und Erkennung der Kopfstützenposition
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
-
8 eine perspektivische Ansicht
eines Autositzes, in dem zwei Sensoren gemäß 7 eingebaut ist;
-
9 ein Schaltbild eines Sensors
zur redundanten Topferkennung mit einem Schaltungsteil zur Temperaturmessung;
-
10a schematische Zeichnungen,
die zwei Ausführungs- und 10b beispiele
der vorliegenden Erfindung zur Ölstandserfassung
mit gleichzeitiger Ölqualitätserfassung
und Öltemperaturerfassung veranschaulichen;
-
11 eine schematische Zeichnung,
die eine gemeinsame Nutzung eines aus einem Flachbandkabel gebildeten
Sensorelements zur kapazitiven und resistiven Füllstandsmessung veranschaulicht;
-
12 eine Sensoranordnung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
bei dem ein durch Stoßionisation
erzeugter Ionenstrom zur Druckerfassung verwendet wird;
-
13a eine Draufsicht eines
Sensoraufbaus gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei den durch eine Thermopile die abgestrahlte
Wärme einer
Heizwiderstandsbahn in ein Spannungssignal umgewandelt wird; und
-
13b eine Seitenschnittansicht
des Sensoraufbaus in 13a.
-
Zunächst wird
bezugnehmend auf 1 veranschaulicht,
wie erfindungsgemäß die Erfassung
eines physikalischen Parameters auf die Messung einer Zeitdauer
rückgeführt wird.
In 1 sind eine Ansteuereinrichtung 10,
ein Sensorelement 20 und eine Zeitmeßschaltung 30 gezeigt,
die zusammen einen erfindungsgemäßen Sensor
zum Erzeugen eines Signals 40 bilden, das einen vorbestimmten
physikalischen Parameter 50 anzeigt. Das Sensorelement 20 ist
vorzugsweise ein passives Element, wie z. B. ein kapazitives oder
resistives Element bzw. Widerstandselement, wie z. B. ein Kondensator,
ein Wi derstandsdraht, eine Widerstandsbahn oder dergleichen. Auch
eine Elektrodenanordnung zum Erzeugen eines Elektronen- oder Ionenstromes
kann als Sensorelement verwendet werden. Das Sensorelement 20 ist
durch die Ansteuereinrichtung 10 durch ein Ansteuersignal
ansteuerbar, das beispielsweise ein Spannungssignal oder ein Stromsignal
ist. Das Ansteuersignal wird mit einem bekannten zeitlichen Signalverlauf
an dem Sensorelement 20 angelegt, derart, daß das Sensorelement
ein Ausgangssignal abhängig
von bestimmten Umgebungsparametern, die den physikalischen Parameter 50 umfassen, ändert. Bei
bekannter Abhängigkeit 60 des
Ausgangssignals von dem physikalischen Parameter während des
Anlegens des Ansteuersignals durch entweder einen funktionellen
Zusammenhang oder experimentelle Ergebnisse kann aus der Zeitdauer,
wie schnell sich das Ausgangssignal bis zu einem bestimmten Schwellenwert ändert, der
physikalische Parameter bestimmt bzw. auf denselben rückgeschlossen
werden. Die Erfassung der Zeitdauer übernimmt die Zeitmeßschaltung 30,
die eine Zeitmessung beim Erreichen des Schwellenwerts durch das
Ausgangssignal stoppt und abhängig
von der Zeitdauer ein Signal 40 ausgibt, das den physikalischen
Parameter 50 anzeigt. Das Signal 40 kann in digitaler
oder analoger Form ausgegeben werden, und kann den physikalischen
Parameter entweder direkt in einer bestimmten Maßeinheit anzeigen oder lediglich
indirekt, indem das Signal 40 die erfaßte Zeitdauer angibt. Wird der
physikalische Parameter durch das Signal 40ß direkt angegeben, so können hierzu
geeignete Einrichtungen, wie z. B. zum Kalibrieren, Skalieren oder Durchführen komplexerer
Auswertungen, vorgesehen sein.
-
Bezugnehmend
auf 2 wird nun die erfindungsgemäße Rückführung der
Bestimmung eines physikalischen Parameters auf die Messung einer Zeitdauer
anhand des Pirani-Prinzips erklärt,
das bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben worden ist. 2 zeigt einen Graphen, bei
dem die Temperatur eines Meßfadens
gegen die Zeit in willkürlichen
Einheiten aufgetragen ist, und in dem drei Temperaturverläufe 60a, 60b und 60c aufgetragen sind.
Die in 2 ge zeigten Temperaturverläufe 60a–60c stellen
die Temperaturänderung
eines Pirani-Meßfadens
nach dem Anlegen eines konstanten Stroms bei unterschiedlichen Drücken pa, pb bzw. pc dar. Wie es in 2 gezeigt ist, ist der Druck pc, der dem Temperaturverlauf 60c zugeordnet
ist, größer als der
Druck pb, der wiederum größer als
der Druck pa ist. Wie es ebenfalls ersichtlich
ist, stellen sich bei den verschiedenen Drücken pa – pc in einem eingeschwungenen Zustand und bei
Anliegen des konstanten Stroms eingeschwungene Temperaturwerte Ta, Tb bzw. Tc ein. Bei einem höheren Druck ergibt sich aufgrund
der höheren
Dichte eine höhere
Wärmeabfuhr
des Meßfadens,
so daß bei
dem Druck pa der höchste Temperaturwert Ta auftritt.
-
Aus
der Zeichnung ist ersichtlich, daß bereits kurz nach dem Einschalten
des konstanten Stroms die Kurven 60a–60c unterschiedliche
Steilheiten aufweisen. Insbesondere schneiden die Temperaturverläufe 60a–60c,
die den verschiedenen Drücken
pa – pc zugeordnet sind, einen Temperaturschwellenwert SW,
der unterhalb der Temperaturwerte Ta-Tc und
in einem vorbestimmten Abstand zu einem Temperaturstartwert TStart liegt, zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw.
innerhalb verschiedener Zeitdauern t1 – t3, wobei der Temperaturstartwert Tstart die Umgebungstemperatur bestimmt, die
sich bei Fehlen eines angelegten Stromes im Gleichgewichtszustand
ergibt. Folglich läßt sich
aus den Zeitdauern t1 – t3 ein
Maß für den Druck
p ableiten. Um aus den Zeitdauern t den Druck p abzuleiten, könnte entweder
ein theoretischer hergeleiteter funktioneller Zusammenhang verwendet werden
oder es könnten
experimentell bestimmte Wertepaare (Zeitdauer-Druck) verwendet werden, die
interpoliert oder in einer geeigneten analytischen Form, wie z.
B. durch einen Least-Square-Fit, genähert werden.
-
Der
Temperaturanstieg und somit das Anlegen eines definierten Stroms
und letztendlich das Zuführen
von Energie kann bereits an dem Schwellenwert SW gestoppt werden,
während
es herkömmlicherweise
erforderlich war, die Energiezufuhr bis zu dem eingeschwungenen
Zustand fortzuführen,
bis sich die eingeschwungenen Temperaturen Ta – Tc einstellen, die üblicherweise als ein Maß für den Druck
verwendet wurden. Es ist offensichtlich, daß das Integral der zugeführten Leistung
bzw. Energie hier nur ein Bruchteil dessen ist, was man zum Erreichen
des eingeschwungenen Zustands aufwenden muß. Folglich wird durch Anwenden
der vorliegenden Erfindung der Energieverbrauch reduziert. Zudem
ist es nicht erforderlich, das Erreichen des eingeschwungenen Zustands
abzuwarten, so daß durch die
erfindungsgemäße Rückführung auf
eine Zeitmessung eine Erhöhung
der Meßfrequenzen
ermöglicht
wird, was zudem meist einen Vorteil in der weiteren Meßwertverarbeitung
darstellt.
-
Bezugnehmend
auf 2 wird darauf hingewiesen,
daß, obwohl
im vorhergehenden beschrieben wurde, daß als Ansteuersignal ein konstanter Strom
verwendet wird, ferner das Anlegen eines bestimmten festen und bekannten
Stromverlaufs möglich
ist, wie z.B. mit einem sägezahnartig
ansteigenden oder abfallenden Verlauf, in Form eines Rechteckimpulses
oder allgemein mit einem Anstieg/Abfall nach einer mathematischen
Funktion, wie z.B. einer Parabel-, Sinus- oder Exponentialfunktion.
In diesem Fall ergeben sich andere Temperaturverläufe 60a–60c,
die jedoch ebenfalls für
jeden Druck einen festen vorbestimmten Verlauf aufweisen und deshalb den
Schwellenwert SW nach Ablauf bestimmter Zeitdauern t1 – t3 von dem Temperaturstartwert TStart aus erreichen,
wobei die Zeitdauern auf eine vorbestimmte Weise von dem zu erfassenden
physikalischen Parameter, d. h. dem Druck, abhängen.
-
Es
wird ferner darauf hingewiesen, daß es für die erfindungsgemäße Rückführung auf
eine Zeitmessung nicht erforderlich ist, daß sich eingeschwungene Meßwerte ergeben,
die sich in Abhängigkeit
von dem zu erfassenden physikalischen Parameter unterscheiden. Bei
anderen Meßaufgaben kann
es sein, daß sich
in einem breiten Meßbereich des
physikalischen Parameters der selbe eingeschwungene Meßwert bzw.
-
Ausgangssignalwert
ergibt. Der Schwellenwert SW wird jedoch vorteilhafterweise derart
oberhalb des Startwerts eingestellt, daß sich für den Meßbereich des zu erfassenden
physikalischen Parameters eine größtmögliche Verteilung der zum Erreichen des
Schwellenwerts benötigten
Zeitdauern ti ergibt.
-
Obwohl
in 2 Ausgangssignalverläufe mit positiver
Steigung gezeigt sind, ist es ferner möglich, daß die vorliegende Erfindung
bei Meßaufgaben
eingesetzt wird, bei denen sich das Ausgangssignal abhängig von
dem physikalischen Parameter mit einer negativen Steigung ändert. In
diesem Fall liegt der Schwellenwert SW in einem eingestellten Abstand unterhalb
des Startwerts und oberhalb der sich einstellenden eingeschwungenen
Ausgangssignalwerte.
-
Nachdem
bezugnehmend auf 2 das Prinzip
der vorliegenden Erfindung anhand des Pirani-Prinzips veranschaulicht
worden ist, werden bezugnehmend auf 2–4 verschiedene Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben, die verschiedene Möglichkeiten
darstellen, wie die Erfassung des physikalischen Parameters vorteilhafter
Weise in aufeinanderfolgenden Meßzyklen erzielt werden kann,
wobei wiederum auf das Pirani-Prinzip Bezug genommen wird, um die
Darstellung zu vereinfachen.
-
Bezugnehmend
auf 2 wurde im vorhergehenden
die Erfassung des Drucks von einem Zeitpunkt an beschrieben, bei
dem sich der Meßfaden bei
einer bestimmten und bekannten Anfangstemperatur TStart befand,
d. h. der sich bei nicht anliegenden Strom ergebenden Temperatur
bzw. der sich in einem Gleichgewichtszustand einstellenden Temperatur oder
kurz der Umgebungstemperatur. Von dieser Anfangstemperatur Tstart
ab wurde der Meßfaden
bis auf einen sich in einem bestimmten Abstand von der Anfangstemperatur
befindenden Schwellenwert aufgeheizt, wobei die hierfür benötigte Zeitdauer
erfaßt wurde.
Um nun in einem zweiten Meßzyklus
eine weitere Druckerfassung vorzunehmen, kann es, wenn keine schnellen Änderungen
der Meßgröße, d. h.
des Drucks, zu erwarten sind, ausreichend sein, den Meßvorgang
in einem Rhythmus zu wiederholen, der genügend Zeit zum Abkühlen des
Meßfadens
auf Umgebungsniveau, d. h. auf die Starttemperatur TStart,
oder darunter läßt. Der
nächste
Meßzyklus würde daraufhin
erst bei Erreichen oder Unterschreiten von TStart beginnen.
-
Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einschalten des Meßfadens
dessen Starttemperatur Tstart erfaßt, wobei
der Schwellenwert SW in einem festen Abstand zu dieser Starttemperatur
verschoben wird. Auf diese Weise kann der Beginn des nächsten Meßzyklus nach
vorne verlegt werden, da es nicht erforderlich ist, das Abkühlen des
Meßfadens
auf Umgebungsniveau bzw. Umgebungstemperatur abzuwarten. Folglich
kann hierdurch die Meßfrequenz
bei einer Meßreihe
erhöht
werden. Die sich bei diesem Ausführungsbeispiel
ergebende Zeitdauer ist in einem genügend großen Temperaturbereich unabhängig von
der Starttemperatur, da die Temperaturanstiegsflanken in dem Fall
der Pirani-Messung in einem genügend
großen
Temperaturbereich gleichbleibend linear sind, d. h. mit gleichbleibender
Steigung.
-
Anhand
von 3 wird ein weiteres
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht, bei dem schnelle Änderungen des physikalischen
Parameters bzw. der Meßgröße mit höherer Meßfrequenz
erfaßt
werden können. 3 zeigt einen Graphen, bei
dem die Temperatur über
die Zeit in willkürlichen
Einheiten aufgetragen ist, wobei der Graph von 3 insbesondere einen Temperaturverlauf
eines Meßfadens zeigt,
der sich bei einem Ausführungsbeispiel
ergibt, bei dem zur Zeitdauererfassung zwei Schwellenwerte verwendet
werden. Die zwei Schwellenwerte SW1 und SW2 werden derart eingestellt,
daß dieselben beide
in einem vorbestimmten Abstand über
der Starttemperatur bzw. über
der sich bei Nicht-Anliegen eines Stromes und bei Gleichgewicht
einstellenden Umgebungstemperatur liegen. Zudem liegen die Schwellenwerte
SW1 und SW2 über
einer maximal zulässigen
Umgebungstemperatur Tmax, wie z. B. der oberen
Regelungstemperatur in einer temperaturgeregelten Druckkammer.
-
Wie
es in 3 gezeigt ist,
steigt die Temperatur des Meßfadens
nach Einschalten des konstanten Stroms bei 100 zunächst an
und überschreitet
dabei bei 105 die Temperatur Tmax und
danach bei 110 den Schwellenwert SW1. Beim Überschreiten
des Schwellenwerts SW1 wird eine Zeitmessung begonnen, die erst
dann endet, wenn die Temperatur des Meßfadens bei 115 den
Schwellenwert SW2 erreicht, wobei die hierzu benötigte Zeitdauer t1 beträgt. Die Zeitdauer
t1 ist wiederum ein Maß für den Druck, wie es bezugnehmend
auf 2 erörtert wurde,
da die Steilheit der Temperaturanstiegsflanken von dem Druck abhängt, so
daß aus
der Zeitdauer t1 auf den Druck rückgeschlossen
werden kann.
-
Bei
dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
wird nun der nächste
Meßzyklus
bereits dann wieder begonnen, wenn nach dem Abschalten des konstanten,
an dem Meßfaden
anliegenden Stroms bei Erreichen des Schwellenwerts SW2 (115)
die Temperatur des Meßfadens
bei 117 wieder den Schwellenwert SW1 erreicht hat, wonach
der konstante Ansteuer- bzw. Heizstrom wieder eingeschaltet wird
und der neue Meßzyklus
beginnt. Während des
neuen Meßzyklus
steigt die Temperatur des Meßfadens
bei 120 durch den konstanten Strom wieder an, bis sie bei 130 den
Schwellenwert SW2 erreicht, zu welchem Zeitpunkt die zweite Zeitdauererfassung
t2 abgeschlossen wird, und wonach die Temperatur
des Meßfadens
wieder abfällt,
bis sie bei 140 den Schwellenwert SW1 erreicht, zu welchem
Zeitpunkt wiederum der nächste
Meßzyklus
beginnt. In dem Fall, daß sich
der Druck zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßzyklen nicht geändert hat,
sind die beiden Zeitdauern t1 und t2 identisch, während, wenn sich der Druck
erhöht
hat, die zweite gemessene Zeitdauer t2 größer ist,
da mit zunehmendem Druck die Steilheit der Temperaturanstiegsflanke
abnimmt, wie es aus 2 ersichtlich
ist. Insgesamt ergibt sich bei dem Ausführungsbeispiel von 3 somit ein Betrieb mit
impulsmäßiger Ansteuerung
und Messung.
-
Das
in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist
insbesondere deshalb vorteilhaft, da zum Anfangen eines neuen Meßzyklus
nicht das Erreichen eines bestimmten Umgebungstemperaturniveaus
abgewartet werden muß.
Steht bei dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
zudem ein Signal für
die Umgebungstemperatur zur Verfügung,
so können ähnlich zu
dem im vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
bei dem der Schwellenwert SW in einem festen Abstand zur Starttemperatur
des Meßfadens
vor jeder Messung verschoben worden ist, die beiden Schwellenwerte
SW1 und SW2 in einem festen Abstand zur Umgebungstemperatur verschoben
werden. Die sich ergebenden Zeitdauern zwischen den Schwellenwerten
SW1 und SW2 sind dann bei konstanter Verschiebung derselben mit
der Umgebungstemperatur in dem Fall der Pirani-Messung in einem großen Temperaturbereich
unabhängig
von der Umgebungstemperatur, da sich die in 2 gezeigten Temperaturanstiegsflanken
bei Änderung
der Umgebungstemperatur lediglich linear entlang der Temperaturachse
verschieben und durch das Nachführen der
Schwellenwerte SW1 und SW2 gewährleistet wird,
daß die
Steilheit, die durch Erfassen der Zeitdauern zwischen SW1 und SW2
bestimmt wird, immer den selben Temperaturabschnitten der Temperaturverläufe von 2 entspricht. Anders ausgedrückt, wird
durch Verschieben der Schwellenwerte SW1 und SW2 ein Offset bzw.
Versatz der Temperaturverläufe,
der sich durch Änderung
der Umgebungstemperatur (Tstart in 2)
ergibt, ausgeglichen. Folglich ist durch Nachführung der Schwellenwerte SW1
und SW2 das in 3 gezeigte
Ausführungsbeispiel
bei konstant niedrigem Leistungsbedarf auch über einen großen Temperaturbereich
anwendbar. Ein weiterer Vorteil des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin,
daß der
Temperaturbereich, der sich zwischen den beiden Schwellenwerten
SW1 und SW2 erstreckt, relativ zu der Umgebungstemperatur versetzt
ist, so daß die
Abfall- bzw. Abkühlzeiten
des Meßfadens,
um den nächsten Meßzyklus
beginnen zu können,
kürzer
sind.
-
Wenn
eine hohe Meßfrequenz
erforderlich ist, kann nach einer oder beispielsweise nach drei
gemittelten Messungen der Energie-Impuls bis zur nächsten Messung
nach einem festen Zeitraster ausgesetzt werden, wodurch sich eine
weitere Gesamt-Leistungs-Verminderung ergibt.
-
Bezugnehmend
auf 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem durch Vorsehen mehrerer Schwellenwerte
die Einstellbarkeit des Zeitdauermeßbereichs erzielt wird. 4 zeigt einen Graphen, bei
dem die Temperatur über
die Zeit in willkürlichen Einheiten
aufgetragen ist. Neben der Starttemperatur TStart,
die wiederum der Umgebungstemperatur entsprechen soll, und einem
Schwellenwert SW0, der dem Schwellenwert SW1 von 2 und 3 entspricht, sind
in 4 entlang der Temperaturachse
vier weitere Schwellenwerte SWI, SWII, SWIII bzw. SWIV angezeigt,
von denen in dem vorliegenden Fall alle äquidistant voneinander beabstandet
sind.
-
In 4 sind mehrere Temperaturanstiegsflanken 200a-200j gezeigt,
die verschiedenen Drücken
entsprechen und sich beim Anlegen eines bestimmten konstanten Stroms
ergeben. Wie bei dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird durch Anlegen eines konstanten Stroms zunächst begonnen, den Meßfaden aufzuheizen,
wobei eine Zeitmessung eingeschaltet wird, wenn der Temperaturverlauf 200a–200j den
Schwellenwert SW0 überschreitet.
Anders als bei dem in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird die Zeitmessung jedoch nicht bei Erreichen eines bestimmten
Schwellenwerts gestoppt, sondern vielmehr wird unter den Schwellenwerten
SWI – SWIV
ein Schwellenwert zum Beenden der Zeitmessung derart ausgesucht,
daß eine
sich ergebende Zeitdifferenz bzw. Zeitdauer ausreichend groß ist.
-
In 4 sind beispielsweise exemplarisch die
Zeitdauern t1 und t2 für die Temperaturverläufe 200i und 200j,
die den höchsten
Drücken
entsprechen, gezeigt, die sich beim Beenden der Zeitmessung bei
Erreichen des Schwellenwerts SWI ergeben. Wie es ersichtlich ist,
reduziert sich die Zeitdauer mit abnehmendem Druck (t2 < t1),
wobei die sich ergebenden Zeitdauern derart kurz werden können, daß dieselben
eine bestimmte erfaßbare
Minimalzeitdauer, die beispielsweise von einer bestimmten Abtastfrequenz
zur Abtastung der Temperaturverläufe abhängt, unterschritten
wird. In dem Fall, daß beispielsweise
die Zeitdauer t2 kleiner als eine Minimalzeitdauer
ist, wird der Meßfaden über den
Schwellenwert SWI hinaus weiter aufgeheizt, bis die Temperatur des
Meßfadens
den Schwellenwert SWII erreicht hat, wobei sich hieraus eine Zeitdauer
t2' ergibt.
An dieser Stelle kann die Aufheizung des Meßfadens sowie die Zeitmessung
gestoppt werden, da die gemessene Zeitdauer nun groß genug
ist. Bei dem bezüglich 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist es ferner möglich,
daß die
Aufheizung des Meßfadens fortgesetzt
wird, um beispielsweise die Meßgenauigkeit
bei gleichzeitiger Reduzierung der Meßfrequenz zu erhöhen. Folglich
ermöglicht
das Ausführungsbeispiel
von 4 durch das Vorsehen
mehrerer Schwellenwerte die Einstellbarkeit verschiedener Meßbereiche,
wie z. B. die Erfassung höherer
Drücke,
unter Berücksichtigung
der Erfaßbarkeit
von Zeitdauern größer einer
bestimmten Mindestzeitdauer. Natürlich
ist auch das bezugnehmend auf 4 erörterte Ausführungsbeispiel
mit der Verschiebung der Schwellenwerte SW0-SWIV in einem festen Abstand zur Umgebungstemperatur,
wie es im vorhergehenden beschrieben wurde, verknüpfbar.
-
Nachdem
bezugnehmend auf 2 – 4 das Meßprinzip der vorliegenden Erfindung
sowie verschiedene Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, die verschiedene
Möglichkeiten
zur Zeiterfassung betrafen, wird im folgenden kurz beschrieben,
wie basierend auf der erfaßten
Zeitdauer auf den physikalischen Parameter oder auch auf andere
Meßgrößen, wie
z. B. einen Gasfüllstand,
rückgeschlossen
werden kann. Wie es bereits bezugnehmend auf 2 beschrieben worden ist, kann zur Bestimmung
des physikalischen Parameters entweder ein theoretisch hergeleiteter
Zusammenhang oder eine experimentelle Meßreihe verwendet werden. Vorzugsweise
werden experimentelle Messungen verwendet, um eine Nachschlagtabelle
zu erzeugen. Die experimentellen Messungen ergeben beispielsweise
für eine
spezielle Startumgebungstemperatur TStart in
den Ausführungsbeispielen,
die bezugnehmend auf 2 und 3 beschrieben worden sind,
zu jedem physikalischen Parameter eine Zeitdauer, und in dem Fall
des Ausführungsbeispiels,
das bezugnehmend auf 4 beschrieben
worden ist, mehrere Zeitdauern.
-
Bei
Anwendung der vorliegenden Erfindung auf das Pirani-Prinzip, wie es im
vorhergehenden beschrieben wurde, wird in dem erstgenannten Fall
beispielsweise eine Nachschlagtabelle erzeugt, in der bestimmten
Drücken
bestimmte Zeitdauern zugeordnet sind. Zur Bestimmung des physikalischen
Parameters aus der erfaßten
Zeitdauer wird folglich unter Verwendung derselben auf die Nachschlagtabelle zugegriffen,
um einen Druckausgangswert zu erhalten. Dadurch, daß die Schwellenwerte
SW 1 und SW 2 (3) in
einem festen Abstand zur Umgebungstemperatur verschoben werden,
bzw. der Schwellenwert SW (2)
in einem festen Abstand zur Starttemperatur des Meßfadens
zu Beginn eines Aufheizvorganges eingestellt wird, wird gewährleistet,
daß der
Zugriff auf die Nachschlagtabelle anhand der erfaßten Zeitdauer
eine korrekte Bestimmung des zu erfassenden physikalischen Parameters
ergibt. In dem Fall des Ausführungsbeispiels
von 4 wird auf die Nachschlagtabelle
unter Verwendung der erfaßten
Zeitdauer sowie unter Angabe des Schwellenwerts, bei dessen Erreichen
die Zeitdauermessung gestoppt wurde, zugegriffen.
-
In
dem Fall, daß,
anders als im vorhergehenden beschrieben, eine Veränderung
der Umgebungstemperatur nicht nur eine lineare Verschiebung der Ausgangssignalverläufe entlang
der Temperaturachse ergibt, kann diese Abhängigkeit der Ausgangssignalflanke
von der Umgebungstemperatur als einem auf das Ausgangssignal des
Meßfadens
Einfluß nehmenden
Parameter entweder durch Berücksichtigung
eines von der Umge bungstemperatur abhängigen Korrekturwerts oder
durch experimentelles Messen und Erstellen von mehreren Nachschlagtabellen für mehrere
Umgebungstemperaturen ausgeglichen werden. Auf ähnliche Weise kann in dem Fall,
daß, anders
als im vorhergehenden beschrieben, die Änderung der Ausgangssignalverläufe nicht
linear und somit die Zeitdauer nicht unabhängig von der Starttemperatur
des Meßfadens
ist, diese Abhängigkeit von
der Starttemperatur entweder durch einen Korrekturwert oder durch
experimentelles Messen und Erstellen von mehreren Nachschlagtabellen
für mehrere
Starttemperaturen ausgeglichen werden.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung empfängt
eine Auswerteeinrichtung, die entweder eine entsprechende Nachschlagtabelle
oder einen programmierten funktionellen Zusammenhang in gespeicherter
Form aufweist, das Signal 40 (1) von der Zeitmeßschaltung und bestimmt unter
Verwendung des Signals 40, das zusätzlich zu der erfaßten Zeitdauer
die Angabe des verwendeten Endschwellenwerts (SWI – SWIV),
die Starttemperatur des Meßfadens
oder die Umgebungstemperatur aufweisen kann, und damit den physikalischen
Parameter indirekt anzeigt, oder das den physikalischen Parameter
direkt anzeigt, eine aus dem physikalischen Parameter bestimmbare Meßgröße, wobei
sich aus einer solchen Kombination des Sensors und der Auswerteeinrichtung
ein Sensor zur Erfassung der Meßgröße ergibt,
wie z. B. des Gasfüllstands
eines Behälters.
Folglich werden hierzu entweder eine Abhängigkeit zwischen dem direkt
angegebenen physikalischen Parameter und der Meßgröße oder zwischen der von dem
Sensor empfangenen Zeitdauer und der Meßgröße verwendet.
-
Bevor
im folgenden technische Realisierungen gemäß verschiedener Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird darauf hingewiesen,
daß, obwohl
im vorhergehenden bezugnehmend auf 2–4 das Ausgangsignal die Temperatur
des Meßfadens
war, das Ausgangssignal ferner eine über den Meßfaden bzw. die Meßstrecke,
wie z.B.
-
eine
Elektrodenanordnung, abfallende Spannung, ein durch denselben fließender Strom
oder der temperaturabhängige
Widerstand desselben sein kann. Die vorhergehende Beschreibung trifft
auch in diesen Fällen
zu, wenn entlang der y-Achse
anstatt der Temperatur des Meßfadens
die Spannung, der Strom bzw. der Widerstand aufgetragen werden,
indem die Meßfadentemperaturabhängigkeit
dieser Ausgangssignalgrößen verwendet
wird. Die Umgebungstemperatur nimmt als ein zusätzlicher physikalischer Parameter
neben dem Druck auch auf diese Ausgangssignalgrößen Einfluß. Zudem trifft die vorhergehende
Beschreibung gleichermaßen
auf die Wärmeleitfähigkeit
der Umgebung des Meßdrahts zu,
da diese ebenfalls auf die Wärmeabfuhr
von dem Meßdraht
Einfluß hat,
und in dem Fall von Gas direkt mit dem Druck zusammenhängt.
-
Im
folgenden wird nun bezugnehmend auf 5 ein
spezielles Ausführungsbeispiel
für eine Meßschaltung
beschrieben, die geeignet ist, um einen Meßfaden mit definiertem Stromimpuls
anzusteuern und anhand der Widerstandsänderung des Meßfadens
in Abhängigkeit
von der Temperatur die Zeitdauererfassung durchzuführen. Insbesondere verwendet
die Meßschaltung
von 5 einen zusätzlichen
Referenzmeßfaden,
der zu dem eigentlichen Meßfaden
baugleich ist, und dessen Temperatur immer gleich der Umgebungstemperatur
ist, um die zur Zeitdauererfassung gemäß dem bezugnehmend auf 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
verwendeten Schwellenwerte in einem festen Abstand zur Umgebungstemperatur
zu verschieben.
-
Die
Schaltung von 5 umfaßt einen
Mikroprozessor 300, zwei Verstärker 310 und 320,
zwei Komparatoren 330 und 340 sowie drei Widerstände 350, 360 und 370.
Der Mikroprozessor wird von einer Versorgungsspannung UB versorgt
und gibt an die zwei Verstärker 310 und 320 Spannungssignale
aus, um an den Ausgängen
der Verstärker
einen Strom Ikonst bzw. IImpuls zu
erzeugen. Zwischen den Ausgang des Verstärkers 320 und Masse
sind die drei Widerstände 350–370 und
der temperaturabhängige
Widerstand 380 des Referenzmeßfadens in Reihe geschaltet.
Zwischen den Ausgang des Verstärkers 310 und
Masse ist lediglich der temperaturabhängige Widerstand 390 des
Meßfadens
geschaltet. Ein erster Eingang des Komparators 330 ist
mit einem Knoten zwischen den Widerständen 350 und 360 verbunden, während ein
erster Eingang des Komparators 340 mit einem Knoten zwischen
den Widerständen 360 und 370 verbunden
ist. Die zweiten Eingänge
der Komparatoren 330 und 340 sind mit dem Ausgang
des Verstärkers 310 verbunden.
Die Ausgänge
der Komparatoren 330 und 340 sind mit zwei Eingängen des
Mikroprozessors 300 verbunden, wobei der Mikroprozessor 300 an
einem Ausgang 395 ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal
ausgibt, dessen Impulsweite von der erfaßten Zeitdauer abhängt und
den Druck oder eine andere durch den Druck bestimmbare Meßgröße, wie
z. B. einen Füllstand
eines Flüssigkeitstanks,
angibt.
-
Nachdem
im vorhergehenden der Schaltungsaufbau beschrieben worden ist, wird
im folgenden die Funktionsweise der Schaltung von 5 beschrieben. Durch die drei Widerstände 350 –370 werden
zusammen mit dem konstanten Strom Ikonst,
der von dem Verstärker 320 erzeugt
wird, Spannungen festgelegt, die einen festen Abstand zu einer Spannung
aufweisen, die über
den Referenzwiderstand 380 abfällt und der Umgebungstemperatur
entspricht. Seien R1, R2 und
R3 die Widerstandswerte der Widerstände 370, 360 bzw. 350,
und sei Rref der Widerstandswert des Referenzfadens
bei Umgebungstemperatur, so liegt insbesondere an dem ersten Eingang
des Komparators 340 eine Spannung Ikonst·(R1 + Rref) an, während an
dem ersten Eingang des Komparators 330 eine Spannung Ikonst·(Rref + R1 + R2) anliegt. Hingegen fällt über den Meßwiderstand 390 mit
dem temperaturabhängigen
Widerstandswert Rmeß die Spannung IImpuls·Rmeß ab,
wobei während des
Aufheizvorgangs IImpuls = Ikonst und
andernfalls IImpuls = 0 gilt. Folglich liegt
während
eines Aufheizvorganges an dem ersten Eingang der Komparatoren 330 und 340 die
Spannung Ikonst·Rmeß an.
Mit zunehmender Aufheizung des Meßfadens nimmt Rmeß zu, bis
beispielsweise an den beiden Eingängen des Komparators 340 gleiche
Spannungen anliegen (Rmeß = Rref +
R1), woraufhin der Komparator 340 ein Startsignal
an den Mikroprozessor 300 ausgibt. Der Strom IImpuls wird
jedoch weiterhin aufrecht erhalten, bis der Widerstand Rmeß des
Meßfadens
den Wert R2 + R1 +
Rref erreicht hat, so daß an dem Komparator 330 zwei
gleiche Eingangssignale anliegen und derselbe ein Stoppsignal an
den Mikroprozessor 300 ausgibt. Der Temperaturverlauf des
Meßfadens
entspricht hierbei dem in 3 gezeigten,
wobei der Temperaturschwellenwert SW1 dem Widerstandswert Rref + R1 und der
Temperaturschwellenwert SW2 dem Widerstandswert Rref +
R1 + R2 entspricht.
-
Der
Mikroprozessor 300 verwendet das Startsignal und das Stoppsignal,
um einen pulsweiten-modulierten Impuls zu erzeugen, dessen Impulsweite
von der Zeitdauer abhängt,
die zwischen dem Empfang des Startsignals und dem Empfang des Stoppsignals
vergeht. Nach Empfang des Stoppsignals unterbricht der Mikroprozessor 300 das
Spannungssignal an den Verstärker 310 so
lange, bis von dem letzten Aufheizvorgang eine vorbestimmte Meßzykluszeitdauer
vergangen ist, die der Mikroprozessor 300 aus einem internen
Takt bestimmt. Die Meßzykluszeitdauer
ist lang genug, um es zu ermöglichen,
daß sich
der Meßfaden
genügend
abkühlen kann,
und der Widerstand des Meßfadens
auf unter Rref + R1 abfällt. Nach
Ablauf der Meßzykluszeitdauer steigt
die Temperatur des Meßfadens
wieder an, bis sie der Widerstandswert des Meßfadens Rref +
R1 erreicht, und der Komparator 340 wieder
das Startsignal an den Mikroprozessor 300 ausgibt, woraufhin der
nächste
Aufheizvorgang beginnt und der Mikroprozessor 300 den Verstärker 310 ansteuert,
um den Strom IImpuls zu erzeugen. Bei jedem
Meßzyklus
gibt der Mikroprozessor 300 einen Impuls des pulsweiten-modulierten
Signals 395 aus, wobei der Mikroprozessor 300 die
Impulsbreite abhängig
von der erfaßten
Zeitdauer bestimmt. Die Impulsbreite kann beispielsweise direkt
der Zeitdauer entsprechen, wobei das Signal 395 von einer
geeigneten Auswerteeinrichtung verwendet werden könnte, um
aus den pulsweiten-modulierten Impulsen für jeden Abtastzyklus auf bestimmte
Meßgrößen rückzuschließen, die sich
aus der erfaßten
Zeitdauer herleiten lassen. In dem Fall, daß die Meßschaltung beispielsweise bei einem
Drucksensor verwendet wird, kann der Mikroprozessor die Impulsbreite
mittels einer geeigneten Auswertung derart bestimmen, daß die Impulsbreite ein
Maß für den Druck
ist. In dem Fall, daß die
Meßschaltung
beispielsweise bei einem Flüssigkeitsfüllstandssensor
verwendet wird, kann die Impulsbreite ein Maß für der Füllstand sein, so daß beispielsweise das
Verhältnis
der Impulsbreite zu einer vollen Impulsbreite den Füllstand
eines Flüssigkeitstanks
anzeigt, wie z. B. eine halbe Impulsbreite für einen halbvollen Tank. Der
Vorteil bei diesem Füllstandssensor besteht
darin, daß der
Füllstand
proportional zur erfaßten
Zeitdauer ist, und daß der
Mikroprozessor 300 folglich nur lineare Berechnungen zur
Bestimmung der Impulsbreiten durchführen muß.
-
Bezugnehmend
auf 5 wird darauf hingewiesen,
daß eine ähnliche
Schaltung auch für
das bezugnehmend auf 4 beschriebene
Ausführungsbeispiel
hergestellt werden kann, indem mehrere Komparatoren in Kombination
mit geeigneten weiteren Widerständen
vorgesehen werden. Der Mikroprozessor wird in diesem Fall die Auswahl
eines Schwellenwerts vornehmen, bei dem die Zeitmessung gestoppt
wird, und würde
beispielsweise zusätzlich
zu dem pulsweiten-modulierten Signal 395 ein Signal ausgeben,
das den zum Stoppen der Zeitmessung ausgewählten Schwellenwert anzeigt.
Falls in dem Mikroprozessor 300 eine komplexere Auswertung,
wie sie im vorhergehenden beschrieben wurde, durchgeführt wird,
so kann derselbe die Schwellenwertauswahl direkt zur Bestimmung
der Impulsbreiten verwenden.
-
In 6a und 6b ist ein Meßfadenaufbau gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem ein Referenzfaden bzw.
-draht 400 und ein Meßfaden
bzw. -draht 410, wie sie bei der Meßschaltung von 5 verwendet werden, in Form einer Schleife
in oder auf eine Folie 420, wie z. B. eine PP-Folie, ein-
bzw. auflaminiert sind, wobei derselbe zusammen mit der in 5 gezeigten Meß schaltung
zur Füllstandsmessung oder Ölqualitätsmessung
vorgesehen ist. Wie es in 6b ersichtlich
ist, sind in der Folie 420 zwei Knickstellen 430a und 430b vorgesehen,
so daß die Folie 420 derart
geknickt werden kann, daß die
Widerstandsdrahtschleifen 400 und 410 parallel
nebeneinander verlaufen, wie es in 6a gezeigt
ist. Der Aufbau kann beispielsweise auch aus aufgedruckten oder
Dünnfilm-Bahnen bestehen,
wobei als Träger auch
Hohlkörper,
Rohre, Profile usw. dienen können.
-
Zur
Füllstandsmessung
wird der Sensoraufbau in der zusammengeklappten Form, wie sie in 6a gezeigt ist, in vertikaler
Richtung in einen Tank gehalten. Je nach Füllstand des Tanks ist der Meßdraht 410 verschieden
tief in die Füllflüssigkeit, wie
z. B. Öl,
eingetaucht. Je nach Eintauchtiefe des Meßdrahts 400 ändert sich
die Wärmeleitfähigkeit der
Umgebung des Meßdrahts 400 und
somit die Wärmeabfuhr
bei Anlegen eines konstanten Stroms, so daß, ähnlich wie bei dem Pirani-Prinzip
in Bezug auf den Druck, der Ausgangssignalverlauf und insbesondere
die Steilheit desselben von dem Füllstand des Tanks abhängt. Bei
einem vollen Tank und somit einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Umgebung des Meßdrahts 400 nimmt
die Temperatur des Meßdrahts weniger
schnell zu als bei einem leeren Tank. Dementsprechend ist die Steilheit
der Aufwärmflanke bzw.
die erfindungsgemäß erfaßte Zeitdauer
ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit
der Umgebung und somit des Füllstands
eines Tanks. Wird der Sensoraufbau von 6a und 6b folglich
beispielsweise zusammen mit der Schaltung von 5 verwendet, wird ein Sensor erhalten,
der in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, das den Füllstand
eines Tanks anzeigt. Da die Wärmeleitfähigkeit
einer Flüssigkeit,
wie z. B. Öl, ferner
von dem Verschmutzungsgrad bzw. der Qualität, wie z. B. der Menge an Oxidationsstoffen,
abhängt,
kann man mit einer vollständig
eingetauchten Meßdrahtanordnung,
wie z.B. einem Meßdraht
oder einer Widerstandsdrahtanordnung, und einer Meßschaltung
wie in 5 einen Sensor
erhalten, der in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, das die Qualität einer
Flüssigkeit,
wie z. B. die Ölqualität, anzeigt
Bezugnehmend auf die 7 bis 11 werden im folgenden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei denen ein Sensor gemäß der vorliegenden
Erfindung zusammen mit einem kapazitiven Sensor verwendet wird,
wie er beispielsweise in den Dokumenten DE-19645970, EP0824671 und DE-19516809
beschrieben ist, welche hiermit unter Bezugnahme aufgenommen werden.
Der grundsätzliche
Aufbau eines solchen kombinierten Sensors ist in 7 gezeigt. 7 zeigt
für den
erfindungsgemäßen Teil
des Sensors eine Meßdrahtschleife 450 als
resistives Sensorelement, die zwischen Masse und den Ausgang eines
Verstärkers 460 geschaltet ist,
der während
des Aufheizens einen konstanten Strom I erzeugt, wie es im vorhergehenden
beschrieben worden ist. Über
einen Eingang 470 wird der Verstärker 460 gesteuert,
während
an dem Ausgang des Verstärkers 460 an
einer Leitung 480 die Spannung abgegriffen werden kann,
welche über
den Meßdraht 450 abfällt. Der
Verstärker 460 und
die Meßdrahtschleife 450 entsprechen
hierbei dem Verstärker 310 und
dem Widerstand 390 von 5,
wobei der restliche Teil der Schaltung von 5 in 7 zum
einfacheren Verständnis
weggelassen wurde.
-
Der
kapazitive Sensorteil umfaßt
zwei Paare von Meßdrähten 490a und 490b bzw. 500a und 500b,
welche ein offenes Ende aufweisen und mit dem anderen Ende jeweils
mit einer Switched-Capacitor-Meßschaltung 510 und 520 verbunden
sind. Mit den SC-Meßschaltungen 510 und 520 sind
zwei Referenzkondensatoren 530 bzw. 540 verbunden.
Bezüglich
eines Beispiels für
eine SC-Meßschaltung wird
auf die internationale Patentanmeldung WO92/18856 verwiesen, deren
Offenbarungsgehalt durch diesen Querverweis aufgenommen wird. Die Aufgabe
der SC-Meßschaltungen 510 und 520 besteht
darin, die sich veränderte
Kapazität
zwischen den Meßdrahtpaaren 490a, 490b, 500a und 500b zu erfassen,
um daraus auf Größen rück schließen zu können, die
auf die Dielektrizitätskonstante
zwischen den Drähten
Einfluß nehmen.
-
Der
kombinierte Sensor von 7 kann
beispielsweise in einem Autositz eingebaut sein, wie es in 8 gezeigt ist. 8 zeigt einen Autositz,
in dessen vordere Seite der Kopfstütze 510 und in dessen
Sitzfläche 520 zwei
Sensoren der in 7 gezeigten
Art 530 und 540 angeordnet sind. Durch diese beiden
eingebauten Sensoren 530 und 540 ist es aufgrund
einer Änderung
der Wärmeleitfähigkeit
der Umgebung des Meßfadens
und einer Änderung
der Dielektrizitätskonstante
zwischen den Meßdrähten eines
Meßdrahtpaares,
wie sie in 7 gezeigt
sind, möglich,
auf Einflüsse
rückzuschließen, die
diese Änderungen
hervorrufen, wie z. B. auf die Sitzplatzbelegung oder die Kopfstützenposition,
so daß gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ein Sensor zur redundanten Sitzbelegungserkennung und Erkennung
der Kopfstützenposition
durch einen Sensor wie in 7 erhalten
werden kann.
-
Der
Meßfaden
und die Meßdrahtpaare
könnten ähnlich wie
bei dem Ausführungsbeispiel
von 6a und 6b in bzw. auf einer Folie
ein- bzw. auflaminiert sein, so daß dieselben bei Herstellung
des Autositzes 500 einfach dadurch eingebaut werden könnten, daß die Folien
unterhalb des Stoffbezugs eingenäht
werden. Für
die Drähte
könnte
beispielsweise ein dünner
Kupferlackdraht verwendet werden.
-
In 9 ist ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßer Sensor
zusammen mit einem kapazitiven Sensor, wie er bereits bezugnehmend
auf 7 erläutert worden
ist, zur redundanten Topferkennung für Glasherdplatten, wie z. B.
Ceran- (eingetragenes Warenzeichen) Kochfelder, verwendet wird.
Bezugnehmend auf 9 wird
darauf hingewiesen, daß funktionsgleiche
Elemente wie diejenigen bei 7 mit
den selben Bezugszeichen versehen sind und folglich nicht nochmals
erörtert
werden.
-
Wie
in 7 sind auch in 9 die Meßdrahtpaare 490a und 490b bzw. 500a und 500b,
die SC-Meßschaltungen 510, 520 und
die Referenzkondensatoren 530 und 540 gezeigt,
die den kapazitiven Sensorteil bilden. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel
von 7 sind der Meßfaden 450 und
die Meßdrahtpaare 490a, 490b und 500a, 500b entsprechend
der Form einer Kochplatte kreisförmig
gebildet. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel von 7 umfaßt der Sensor von 9 einen Schalter 550,
durch welchen der Meßfaden 450 entweder
vollständig
auf Masse gelegt, mit einem Temperaturerfassungsschaltungsteil 560 oder
mit einem Temperatur- bzw. Spannungsanstiegsschaltungsteil (nicht
gezeigt), wie z. B. demjenigen von 5,
verbunden werden kann.
-
In
der Stellung des Schalters 550, die in 9 gezeigt ist, sind beide Enden des Meßfadens 450 auf
Masse geschaltet. In einer zweiten Stellung ist der Meßfaden 450 mit
dem Temperaturmeßschaltungsteil 560 verbunden,
der aus drei Widerständen 570, 580 und 590 sowie
einem Differenzverstärker 600 besteht.
Die Widerstände 570 und 580 weisen den
selben Widerstandswert auf und sind mit einem Ende mit einer Versorgungsspannung
U+ verbunden. Das andere Ende des Widerstands 570 ist
mit dem Schalterkontakt der zweiten Stellung des Schalters 550 und
einem ersten Eingang des Differenzverstärkers 600 verbunden.
Das andere Ende des Widerstands 580 ist mit dem anderen
Eingang des Differenzverstärkers 600 verbunden
und über
den Widerstand 590 auf Masse geschaltet. Befindet sich
der Schalter 550 in der zweiten Stellung, so gibt der Differenzverstärker 600 ein
Signal aus, das der Differenz der beiden Eingangsspannungen an den
beiden Eingängen
entspricht, wobei sich die Differenz aus dem sich verändernden
Widerstandswertunterschied zwischen dem Widerstandswert des Widerstands 590 und
dem Widerstandswert des Meßfadens 450 bzw.
aus den sich ändernden
abfallenden Spannungen ergibt. Da der Widerstandswert des Meßfadens wiederum
von der Temperatur abhängt,
ist das Dif ferenzsignal, das an dem Ausgang 610 des Differenzverstärkers 600 anliegt,
wiederum ein Maß für die Temperatur.
-
In
einer dritten Stellung ist der Meßfaden 450, wie bei
dem Aufbau von 7, mit
dem Ausgang eines Verstärkers 460 verbunden,
der durch einen Eingang 470 gesteuert wird, und an dessen
Ausgang das Spannungsanstiegssignal an einer Leitung 480 erfaßt werden
kann.
-
Wenn
der Sensor von 9 zur
Topferkennung verwendet wird, wobei derselbe beispielsweise in das
Ceran- (eingetragenes Warenzeichen) Kochfeld integriert ist, kann
durch den erfindungsgemäßen Sensorteil
die Änderung
der Wärmeleitfähigkeit der
Umgebung des Meßfadens
erfaßt
werden, die sich durch Abstellen eines Topfes auf bzw. Wegnehmen
eines Topfes von einer Herdplatte ergibt. Redundant würden die
SC-Meßschaltungen 510 und 520 eine
sich durch eine Änderung
des Belegungszustands der Herdplatte ergebende Änderung der Dielektrizitätskonstante
zwischen den Meßdrahtpaaren erfassen.
-
Bezugnehmend
auf 10a und 10b werden im folgenden Ausführungsbeispiele
beschrieben, bei denen ein erfindungsgemäßer Sensor und ein kapazitiver
Sensor, wie er bereits bezugnehmend auf 7 beschrieben worden ist, zu einem Sensor
zur Erfassung eines Ölstands
in einem Tank oder Behälter,
wie z.B. einem Motorgehäuse,
und der Ölqualitätserfassung
verwendet werden.
-
10a zeigt sehr vereinfacht
einen ersten Sensor 700 und einen zweiten Sensor 710,
die beide einen kapazitiven Sensorteil und einen erfindungsgemäßen Sensorteil
aufweisen. Die Sensordrahtpaare und der Meßfaden des Sensors 700 erstrecken
sich vertikal in einem Tank 720, in dem sich Öl 730 befindet,
dessen Füllstand
mit 740 angezeigt ist. Folglich erstrecken sich die Meßdraht-
bzw. Widerstandsbahnpaare und der Meßfaden des Sensors 700 je nach
Füllstand 740 teilweise
in das Öl 730,
wobei der Füllstand 740 zwischen einem
maximalen Füllstand und
einem minimalen Füllstand
schwanken kann. Je nach Füllstand ändert sich
einerseits die Gesamtwärmeleitfähigkeit
der Umgebung des Meßfadens
und andererseits die Gesamtdielektrizitätskonstante zwischen den Drähten eines
Meßdrahtpaares,
so daß erfindungsgemäß die Füllstandserfassung
auf eine Zeitdauererfassung rückgeführt werden
kann, und daß zusätzlich die
Füllstandserfassung
auf eine Änderung
der Dielektrizitätskonstante
zwischen den Drähten
eines Meßdrahtpaares
rückgeführt werden kann.
An dem Ausgang des Sensors 700 wird folglich ein den Füllstand 740 des
Tanks 720 angebendes Signal ausgegeben.
-
Der
zweite Sensor 710 erstreckt sich waagrecht derart innerhalb
des Tanks 720, daß sich
die Meßdraht-
oder Widerstandsdrahtpaare und der Meßfaden auch bei minimaler Befüllung bzw.
minimalem Füllstand
vollständig
in dem Öl 730 befinden. Der
Sensor 710 erfaßt
neben der Temperatur, wie z. B. durch eine Temperaturmeßschaltung,
wie sie in 9 gezeigt
ist (560), die Ölqualität. Hierbei
wird ausgenutzt, daß sich
in dem Öl
mit zunehmendem Alter Stoffe, wie z. B. Oxidationsprodukte, bilden,
die Einfluß auf
die Dielektrizitätskonstante
sowie die Wärmeleitfähigkeit
nehmen. Die Änderung
der Wärmeleitfähigkeit
sowie der Dielektrizitätskonstante können, wie
im vorhergehenden beschrieben, erfaßt werden, so daß die Sensoren 700 und 710 zusammen
Signale ausgeben, die den Füllstand,
die Ölqualität und die
Temperatur anzeigen.
-
10b zeigt ein zu 10a alternatives Ausführungsbeispiel,
bei dem ein Sensor zur Ölstandserfassung
und ein Sensor zur Ölqualitätserfassung
zu einem Kombinationssensor 800 zusammengefaßt ist.
Der die Ölstandserfassung
betreffende Teil des Kombinationssensors 800 umfaßt, wie
der Sensor 700 von 10a,
Sensordrahtpaare und einen Meßfaden,
die sich vertikal in einem Tank 810 erstrecken, während ein
die Ölqualitätserfassung
betreffender Teil des Kombinationssensors 800 ein Trageteil 820 aufweist,
der sich von dem Kombinationssensor 800 in vertikaler Richtung
so weit nach unten in den Tank 810 erstreckt, daß die an
dem distalen Ende des Trageteils 820 angebrachten Meßdrahtpaare
und der Meßfaden,
die zur Ölqualitätserfassung
verwendet werden, auch bei minimaler Befüllung bzw. minimalem Füllstand
vollständig
mit Öl
benetzt sind. Der Kombinationssensor gibt die selben Signale aus
wie die beiden getrennten Sensoren von 10a.
-
In 11 ist ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt, bei dem vier Drähte 900a, 900b, 900c und 900d entweder
zur kapazitiven Sensormessung oder zur Wärmeleitfähigkeitsmessung, wie sie im
vorhergehenden beschrieben worden ist, verwendet werden. Zum Umschalten
der Drähte
in einen Zustand, bei denen dieselben zur kapazitiven Messung verwendet
werden, oder in einen Zustand, bei denen dieselben zur Wärmeleitfähigkeitsmessung
verwendet werden, sind zwei einfache Schalter 910a und 910b sowie zwei
Doppelschalter 920a und 920b vorgesehen. Die einfachen
Schalter 910b sind mit jeweils einem Ende der Meßdrähte 900a und 900b bzw. 900c und 900d verbunden,
um aus denselben in einem geschlossenen Zustand zwei Meßdrahtschleifen
zu bilden. Das andere Ende der Drähte 900a und 900b ist
mit dem Doppelschalter 920a verbunden, der die beiden Enden
entweder zur Wärmeleitfähigkeitserfassung
mit einer Schaltung, wie sie in 5 oder 9 gezeigt ist, verbindet,
oder dieselben zur kapazitiven Messung mit einer SC-Meßschaltung 930 verbindet.
Dementsprechend ist der Doppelschalter 920b mit dem anderen
Ende der Drähte 900c und 900d verbunden, um
dieselben entweder mit einer Schaltung, wie sie in 5 oder 9 gezeigt
ist, oder mit einer SC-Meßschaltung 930b zu
verbinden.
-
In 11 ist der Zustand dargestellt,
bei dem sich die Schalter 910a, 910b, 920a und 920b in
einer Stellung B befinden, die der Kapazitätsmessung entspricht und bei
der die Schalter 910a und 910b offen sind, so
daß ein
Ende der Drähte 900a–900d offen ist.
Die Stellung A entspricht der Wärmeleitfähigkeitsmessung,
wobei in der Stellung A die Schalter 910a und 910b geschlossen
sind, so daß sich
aus den Drähten 900a und 900b bzw. 900c und 900d zwei Schleifen
bilden. Wie es mit 940 angezeigt ist, kann ein zusätzlicher
auf Masse geschalteter Draht vorgesehen sein, um die beiden Meßdrahtpaare 900a und 900b bzw. 900c und 900d voneinander
zu entkoppeln. Wie in der Druckschrift DE-19516809 beschrieben,
können
die Meßdrähte in einem
Flachbandkabel gebildet sein, das die fünf Drähte 900a–900d und 940 umfaßt. Unter
einer geeigneten Biegung des Flachbandkabels kann dasselbe in einem
Tank angeordnet werden, um, wie bezugnehmend auf 10a und 10b beschrieben,
als Füllstandssensor
zu dienen.
-
Nachdem
im vorhergehenden die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben
worden ist, wird auf folgendes hingewiesen. Obwohl die vorliegende Erfindung
im vorhergehenden lediglich in Verbindung mit Aufheizvorgängen bzw.
in Verbindung mit Widerstandsdrähten
zur Messung der Wärmeleitfähigkeit der
Umgebung oder anderer mit der Wärmeleitfähigkeit
in Zusammenhang stehenden Meßgrößen, wie
z. B. dem Füllstand
eines Tanks, beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung
auch bei anderen Vorgängen,
wie z. B. Aufladevorgängen,
anwendbar. Das Sensorelement könnte
beispielsweise ein kapazitives Element sein, wie z. B. ein Meßdrahtpaar,
zwischen dessen Drähten
sich beispielsweise aufgrund eines sich ändernden Flüssigkeitsfüllstands die Dielektrizitätskonstante ändert. Beim
Anlegen einer bestimmten Spannung stellt sich abhängig von
der Dielektrizitätskonstante
in einem eingeschwungenen Zustand eine unterschiedliche Kondensatorladung
ein. Ein solcher Aufladevorgang könnte beispielsweise den Aufheizvorgängen von 2 entsprechen, so daß die erfindungsgemäß erfaßte Zeitdauer
ein Maß für die Steilheit
der Aufladungsflanke, und damit der Dielektrizitätskonstante zwischen den Meßdrähten und
somit letztendlich des Füllstands
wäre. Als
Ansteuereinrichtung könnte
in diesem Fall eine Konstantstromquelle verwendet werden, die eine
Aufladung über
zumindest zwei Schwellen hinweg und damit ein Zeitsignal als Maß für die Kapazität bewirkt. Nach
einem Ladevorgang kann in einem weiteren Zyklus durch Umschalten
eines Schalters auf Massepotential die Anordnung wieder entladen
werden.
-
Die
letztgenannte Messung der Kapazität durch Erfassen der Zeitdauer
bei Aufladevorgängen kann
auch alternativ zu der SC-Schaltung zur Auswertung der Kapazitätsänderungen
bei den diversen Ausführungsbeispielen
in 7-11 verwendet werden. Ein kleiner Konstantstrom
lädt den
zu messenden Kondensator von einer ersten bis zu einer zweiten (oder
weiteren) Schwelle auf, wobei der zeitliche Abstand zwischen dem
Durchlaufen der beiden Schwellen ein Maß für die Kapazität ist. In
einem weiteren Takt wird der Kondensator, der beispielsweise aus
den Meßdrähten besteht,
gegen Masse entladen. Ein weiteres Alternatives Ausführungsbeispiel zur
Auswertung der Kapazitätsänderung
sieht als Auswerteeinrichtung einen TDC-Wandler (TDC = Time to Digital
Converter = Zeit/Digital-Wandler) vor, der die Entladezeitdauern
mißt,
bis die Spannungen des Meßkondensators
sowie eines Referenzkondensators mit bekannter Kapazität einen
Schwellenwert unterschreitet, und aus dem Verhältnis der Zeitdauern die Kapazität des Meßkondensators
bestimmt.
-
Neben
den im vorhergehenden genannten Auflade- und Aufheizvorgängen ist
die vorliegende Erfindung ferner auf andere oder kompliziertere
physikalische Vorgänge
anwendbar. 12 zeigt
beispielsweise einen Sensoraufbau zur Bestimmung des Gasdruckes
bzw. des Vakuums, bei dem ähnlich zu
einem Ionisations-Vakuummeter ein durch Stoßionisation mit einem Elektronenstrahl
erzeugter Ionenstrom zur Bestimmung des Gasdruckes verwendet wird,
und der einen triodenförmigen
Aufbau aufweist. Der Sensoraufbau von 12 umfaßt eine
Röhre 1000 mit
einem Meßgasanschluß 1010,
durch den die Röhre 1000 mit
einem Meßgas
befüllt
oder dieselbe entleert werden kann, wie es durch einen Doppelpfeil 1015 gezeigt
ist, eine sich an einem Ende der Röhre 1000 befindliche
Heizkathode 1020, eine sich an dem anderen Ende der Röhre 1000 befindliche Meßelektrode 1030,
die über
einen Strom messer 1040 gegen Masse geschaltet ist, sowie
ein Anodengitter 1050, das mit einer positiven Spannung
U+ vorgespannt ist.
-
Die
Punkte in 12 stellen
den sich durch die Potentialdifferenz zwischen der Heizkathode 1020 und
dem Anodengitter 1050 einstellenden Elektronenstrom dar,
während
die Kreuzchen in 12 den
Ionenstrom darstellen, der sich durch Stoßionisation zwischen dem Elektronenstrom
und den Gasmolekülen
des sich in der Röhre 1000 befindlichen Meßgases und
durch die anschließende
Beschleunigung der durch die Stoßionisation erzeugten negativen
Ionen ergibt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Heizkathode 1020 beispielsweise lediglich so
lange aufgeheizt, bis der Elektronen- oder der Ionenstrom, der die
Meßelektrode 1030 erreicht
und über
den Strommesser 1040 zur Masse abfließt, einen ersten Stromschwellenwert
passiert und einen zweiten Stromschwellenwert erreicht hat. Auf
diese Weise kann aufgrund des Beitrags des Ionenstroms und dessen
Abhängigkeit
von dem Meßgasdruck
auf den Gasdruck in der Röhre 1000 rückgeschlossen werden.
Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, bei geheizter Heizkathode 1020 den Elektronenstrom beispielsweise
sägezahnartig
hochzuregeln, bis der Ionenstrom, der zur Meßelektrode 1030 gelangt,
einen ersten Schwellenwert passiert und einen zweiten Schwellenwert
erreicht. Die Zeitdifferenz ist schließlich ein Maß für den Druck
in dem Behälter 1000.
-
Es
wird ferner darauf hingewiesen, daß, obwohl im vorhergehenden
als Sensorelement lediglich Drähte,
Leiterbahnen, Widerstandsbahnen und dergleichen beschrieben worden
sind, ebenfalls andere Meßstrecken
als „Sensorelemente" möglich sind. Meßstrecken
aus Metall umfassen beispielsweise ferner Leiterbahnen, wie z.B.
in integrierten Schaltungen, gedruckte Leiterbahnen, Dünnschichtbahnen usw.
Eine weitere mögliche
Meßstrecke
wird beispielsweise durch die bezugnehmend auf 12 beschriebene Meßanordnung bzw. durch den dort
beschriebenen Elektronen- bzw. Ionenstrom gebildet.
-
In
Bezug auf die im vorhergehenden beschriebenen Ausgangssignale und
hinsichtlich des Vergleichs der Ausgangssignale mit vorbestimmten Schwellenwerten,
um ein Über-
bzw. Unterschreiten derselben durch die Ausgangssignale zu erfassen, wird
darauf hingewiesen, daß ebenfalls
andere Einrichtungen als Komparatoren oder Strommeßgeräte verwendbar
sind, und daß ferner
andere Ausgangssignale gegen Schwellenwerte verglichen werden können als
Strom- oder Spannungsausgangssignale, wie z.B. die Temperatur, der
Widerstandswert, die Kapazität
usw. In 13a und 13b ist beispielsweise ein
Sensoraufbau gezeigt, der ebenfalls eine Heizwiderstandsbahn 1100 aufweist,
um hierdurch auf die im vorhergehenden beschriebene Art und Weise durch
Erfassen der Heizanstiegsflanke aus der Wärmeleitfähigkeit herleitbare Meßgrößen zu bestimmen,
wobei der Sensoraufbau von 13a und 13b jedoch anders als der
Aufbau von 5 einen Vergleich
zwischen der Temperatur des Heizwiderstandsdrahtes und einem Schwellenwert
zuläßt und über den
Heizwiderstandsdraht hinaus eine Thermopile 1105 aufweist,
die durch eine Isolationsschicht 1110 (in 13a zur besseren Verdeutlichung nicht gezeigt)
von der Heizwiderstandsbahn 1100 getrennt beabstandet von
der Heizwiderstandsbahn 1100 angeordnet ist und aus einer
Reihenschaltung von Thermoelementen 1120a, 1120b, 1120c, 1120d und 1120e besteht,
die wiederum, wie es in 13b ersichtlich
ist, aus einem ersten Material 1130 (weiß dargestellt)
und einem zweiten Material 1140 (schwarz dargestellt) bestehen.
Bei diesem Sensoraufbau ist die Spannung UTHERMOP.,
die zwischen den beiden Enden der Thermopile erzeugt wird, ein Maß für die Temperatur.
Folglich kann bei diesem Sensoraufbau das Temperaturausgangssignal,
d.h. die abgestrahlte Wärme
der Heizwiderstandsbahn 1100, durch eine Kombination aus
der Thermopile 1120 und einem Komparator mit einer geeigneten
Schwellenwerttemperatur verglichen werden.
-
Es
wird ferner darauf hingewiesen, daß, obwohl im vorhergehenden
als Sensorelement lediglich passive Sensorelemente verwendet worden
sind, d. h. solche Sensorelemente, die lediglich passiv auf das
Ansteuersignal und den physikalischen Parameter reagieren, wie z.
B. Meßdrähte und
Kondensatoren, ferner aktive Sensorelemente verwendet werden können, die
beispielsweise in Verbindung und Zusammenarbeit mit einer elektronischen
Schaltung ein Ausgangssignal ausgeben, welches beispielsweise verstärkt, kalibriert,
digitalisiert oder auf andere Weise verarbeitet worden ist.
-
Zusätzlich zu
den Sensoren zur Druckerfassung bzw. Gasfüllstandserfassung und zur Wärmeleitfähigkeitserfassung
und den Sensorvorrichtungen zur Flüssigkeitsfüllstandserfassung, zur Sitzplatzbelegung,
zur Kopfstützenpositionserfassung,
zur Herdplattenbelegungserfassung oder Ölfüllstands- und Ölqualitätserfassung, wie sie bezugnehmend
auf 2-3, 6, 8, 9 und 10a und 10b beschrieben worden sind,
sind gemäß der vorliegenden
Erfindung auch Sensoren zur Dielektrizitätskonstantenerfassung und Sensorvorrichtungen
möglich,
die durch die erfindungsgemäße Zeitdauererfassung
von Aufheizvorgängen
zur Messung einer Strömung
eines Fluids, zur Erfassung einer Neigung oder einer Beschleunigung
des Sensors selbst, zur Erfassung einer Drehrate oder zur Erfassung
eines Aggregatzustands geeignet sind. Bei einem Sensor zur Erfassung
einer Neigung, einer Beschleunigung oder einer Drehrate könnte beispielsweise
der Einfluß eines Konvektionsfeldes
auf die Geschwindigkeit eines Aufheizvorgangs verwendet werden,
um die Relativgeschwindigkeit zwischen einem als Sensorelement fungierenden
Meßfaden
und einem denselben umgebenden Fluid zu bestimmen. Das selbe Prinzip
könnte
bei einem Strömungssensor
zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluids genutzt werden, welches an einem Meßfaden vorbei strömt. Bei schnellerer
Strömung
des Fluids nimmt die Zeitdauer zu, mit der sich der Meßfaden beim
Aufheizvorgang aufheizt, so daß die
Zeitdauer ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
ist. Bei einem Aggregatszustandssensor kann ausgenutzt werden, daß der Aggregatzustand
eines einen als Sensorelement fungierenden Meßfaden umgebenden Stoffs auch
die Wärmeleitfähigkeit
des Stoffs verändert,
so daß dies erfindungsgemäß durch
die Erfassung einer Aufheizzeitdauer erfaßt werden kann.
-
Die
im vorhergehenden erwähnten
Ausführungsbeispiele
setzen voraus, daß eine
genügend schnelle
Erfassung des Ausgangssignals, welches beispielsweise ein Temperatursignal,
eine Spannung, ein Strom usw. sein kann, gewährleistet ist. Mit modernen
Elektronikkomponenten ist diese Aufgabe jedoch sowohl analog als
auch digital problemlos lösbar.
Setzt man beispielsweise Signalprozessoren mit hoher Taktfrequenz
und schnelle Komparatoren (330, 340 usw.) ein,
lassen sich auch kleine Schwellenwertabstände und somit kurze Meßzeiten
hinreichend genau erfassen. Insbesondere bei thermischen Vorgängen können auch
Prozessoren mit integriertem oder externem A/D-Wandler Verwendung finden.
Für sehr
kleine Zeitabstände
gibt es TDC-Bausteine mit Auflösungen
im Picosekundenbereich. Ist eine gewünschte Anzeigefrequenz des Resultats
vorgegeben, führt
ein geringerer Schwellenwertabstand, wie z. B. zwischen SW1 und
SW2 in 2, direkt zu
entsprechend weiter verringertem Leistungsbedarf.