DE10123303A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren - Google Patents

Abstract

Eine Schaltungsanordnung (1) zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren, insbesondere für parametrische Sensoren mit komplexen Impedanzen, mit mindestens einem Sensor (2) zur Erfassung mechanischer Größen, ist im Hinblick auf eine Minimierung bzw. weitestgehende Verhinderung von temperaturbedingten Störungen bei einer konstruktiv einfachen Ausführung derart ausgestaltet, dass das Messsignal, die absolute Temperatur und die Gradienttemperatur des Sensors (2), vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors oder Mikrorechners (3), gleichzeitig erfassbar sind. Des Weiteren ist ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Signalaus­ wertung von Sensoren, insbesondere für parametrische Sensoren mit komplexen Impedanzen, mit mindestens einem Sensor zur Erfassung mechanischer Größen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren, insbesondere für parametrische Sensoren mit komplexen Impedan­ zen, wobei mindestens ein Sensor mechanische Größen erfasst.

Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren sind in der Praxis seit langem bekannt. Bei den bisher bekannten Schaltungsanordnun­ gen zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren mit komplexen Impedan­ zen, beispielsweise differentiellen oder nichtdifferentiellen induktiven oder kapaziti­ ven Sensoren wie LVDT, Differentialdrosseln, Wirbelstromsensoren oder derglei­ chen, wird eine Brückenschaltung - im Allgemeinen eine Wechselstrombrücken­ schaltung - herangezogen, die von einem Sinusoszillator gespeist wird. Die Aus­ gangsspannung der Wechselstrombrückenschaltung wird nach Verstärkung durch einen Wechselspannungsverstärker mit einem phasenempfindlichen Demodulator gleichgerichtet und nach der erforderlichen Filterung wird die auf diese Weise ge­ wonnene Gleichspannung, die annähernd der gemessenen Größe proportional ist, mit einem A/D-Wandler in ein entsprechendes digitales Signal umgewandelt.

Solche Schaltungsanordnungen sind insbesondere dahingehend problematisch, da sie hohe Anforderungen an alle Bauelemente der Schaltungsanordnung stellen. Bei­ spielsweise muss der Sinusoszillator eine gute Amplituden-, Frequenz- und Phasen­ stabilität, der phasenempfindliche Demodulator eine gute Linearität und die Schal­ tungsanordnung allgemein eine besonders gute Temperatur- und Langzeitstabilität aufweisen. Ferner ist der sehr komplizierte Aufbau der Schaltungsanordnung pro­ blematisch. Diese beiden Aspekte begründen gemeinsam den oft sehr hohen Preis einer solchen Schaltungsanordnung, der selbst auch dann hoch bleibt, wenn die Schaltungsanordnung als integriertes Bauelement in großen Stückzahlen hergestellt wird.

Weiterhin sind die bekannten Schaltungsanordnungen dahingehend problematisch, da die technischen Eigenschaften oftmals durch das Auftreten von Phasenverschie­ bungen, Phasendrehungen und Klirrverzerrungen der Brückenausgangsspannung, die oftmals durch die komplexen Impedanzen des Sensors gegeben sind, und durch stets auftretenden Nichtlinearitäten der nicht ausgeglichenen Brückenschaltung er­ heblichen Einschränkungen unterliegen. So begrenzen beispielsweise durch nicht­ lineare Effekte im ferromagnetischen Kreis des Sensors erzeugte höhere Harmoni­ sche und die Quadraturkomponente die Auflösung der Gesamtanordnung.

Aus der DE 39 10 597 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Sensor und ein Verfahren zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren bekannt, wobei der Sensor eine Spule umfasst und wobei eine Kompensation der temperaturabhängigen Induktivitätsschwankungen der Spule erfolgt. Dabei wird ein Temperaturerfassungs­ sensor durch den Ohm'schen Widerstand der Spule gebildet. Die Erfassung der zu messenden Größe, beispielsweise einem Weg, und der Temperatur erfolgt in zwei separaten Schaltkreisen, die von einem Mikrorechner gesteuert werden. Die aus der DE 39 10 597 A1 bekannte Schaltungsanordnung weist daher alle bereits zuvor er­ läuterten Nachteile auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung sowie ein Verfahren zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren der eingangs genannten Art anzugeben, wonach temperaturbedingte Störungen bei einer konstruktiv einfachen Ausführung minimiert bzw. weitestgehend verhindert werden.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren derart ausgestaltet und weiterge­ bildet, dass das Messsignal, die absolute Temperatur und die Gradienttemperatur des Sensors, vorzugsweise mittels des Mikroprozessors oder Mikrorechners, gleich­ zeitig erfassbar sind.

Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patenanspruchs 26 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Ansteuerung und Signal­ auswertung von Sensoren der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass das Messsignal, die absolute Temperatur und die Gradienttemperatur des Sensors, vor­ zugsweise mittels eines Mikroprozessors oder Mikrorechners, gleichzeitig erfasst werden.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass man in Abkehr zu der bisheri­ gen Praxis nicht allein die Abhängigkeit des Sensors von der absoluten Temperatur kompensieren muss, sondern zusätzlich und gleichzeitig die Gradienttemperatur, um eine zufriedenstellende Temperatur- und Langzeitstabilität des Messsignals zu errei­ chen. Additive und multiplikative Temperaturfehler des Messsignals können somit ausgeglichen werden. Dies wird in technischer Hinsicht in besonders einfacher und raffinierter Weise dadurch erreicht, dass, vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors oder eines Mikrorechners, diese Signale gleichzeitig erfassbar sind. Temperaturbe­ dingte Störungen können somit weitestgehend kompensiert werden. Zudem kann derart eine besonders einfache Struktur der Schaltungsanordnung realisiert werden, was die Schaltungsanordnung besonders leicht integrierbar und somit universell ein­ setzbar macht und wodurch der Preis der Schaltungsanordnung gering gehalten werden kann.

In besonders vorteilhafter Weise ist die Abhängigkeit des Messsignals von der ab­ soluten Temperatur und der Gradienttemperatur, vorzugsweise mittels des Mikropro­ zessors oder Mikrorechners, gleichzeitig kompensierbar. Somit wird die Schaltungs­ anordnung besonders einfach gehalten und wäre besonders gut für die Ansteuerung und Auswertung von komplexen Viertel-, Halb- und/oder Vollbrücken geeignet.

Der Sensor könnte mindestens eine impedanz aufweisen. Mittels des komplexen und/oder des Ohm'schen Eingangswiderstands des Sensors könnten dann die tem­ peraturabhängigen Änderungen der Impedanz oder Impedanzen erfassbar sein. Die Abhängigkeit des Sensors von der Temperatur ist hierbei durch die temperaturab­ hängige Schwankungen der Impedanz bzw. Impedanzen gegeben.

In weiter vorteilhafter Weise könnten mittels einer Spannungsquelle und/oder minde­ stens einem Schalter mindestens zwei Spannungen erzeugbar sein. Mittels der Spannungen könnte dann in vorteilhafter Weise der Sensor betrieben werden. Der oder die dazu notwendigen Schalter könnten hierbei steuerbare analoge Schalter sein, die mittels eines Signals direkt vom Mikroprozessor oder Mikrorechner ansteu­ erbar sein könnten. Das Signal könnte hierbei ein unipolares Rechtecksignal sein und eine sehr stabile Frequenz aufweisen.

Im Hinblick auf eine besonders funktionelle Ausgestaltung könnten die Spannungen zwei unipolare Wechselspannungen und eine Gleichspannung umfassen. Die Am­ plitude der Wechselspannung könnte dabei doppelt so groß wie Amplitude der Gleichspannung sein. Bei den unipolaren Wechselspannungen könnte es sich hier­ bei in besonders vorteilhafter Weise um Rechtecksignale handeln, die besonders einfach durch den oder die Schalter zu erzeugen sind. Aufwendige Stabilisierungen von Amplitude, Frequenz und Phase, die bei einer Sinusansteuerung notwendig sind, entfallen somit.

In weiter vorteilhafter Weise könnten die zwei unipolaren Wechselspannungen sym­ metrisch und komplementär gegen die Gleichspannung sein, wobei eine unipolare Wechselspannung kleiner als die Gleichspannung und/oder die andere unipolare Wechselspannung größer als die Gleichspannung sein könnte.

Die Spannungen könnten hierbei an den Eingängen eines Sensortreibers bzw. an den Eingängen mehrerer Sensortreiber anliegen, wobei dieser oder diese hoch­ ohmige Widerstände aufweisen könnten. Wenn der Sensor nun zwei gleiche Impe­ danzen aufweist, ist das Potential am Ausgang des Sensors gleich der erzeugten Gleichspannung - Referenzspannung - und der Wechselspannungsanteil ist im We­ sentlichen gleich Null. Verändern sich aufgrund des Messeffekts die Impedanzen und gilt dann, dass die Impedanzen ungleich sind, so überlagert sich der Referenzspan­ nung am Ausgang des Sensors eine Wechselspannung.

Hinsichtlich einer besonders vorteilhaften Weiterverarbeitung des Messsignals könnte das Ausgangssignal des Sensors, vorzugsweise über einen Vorverstärker, einem Synchronumformer zuführbar sein. Am Ausgang des Synchronumformers könnte dann ein Signal anliegen dessen Amplitude proportional zu den Änderungen der komplexen Impedanzen des Sensors ist und dessen Form zudem sehr nahe ei­ ner Rechtecksform ist. Dieses Rechtecksignal wäre dann sehr einfach zu demodulie­ ren und/oder zu digitalisieren. Die Schaltungsanordnung würde somit ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausführungsform könnte der Synchronum­ former steuerbar sein. In besonders vorteilhafter Weise könnte der Synchronumfor­ mer hierbei direkt vom Mikroprozessor oder Mikrorechner ansteuerbar sein.

Hinsichtlich einer besonders guten Übertragung könnte das Ausgangssignal des Synchronumformers mittels eines Verstärkers, insbesondere eines programmierba­ ren Verstärkers, verstärkt werden.

Mittels einer Temperaturmessschaltung könnte der Wechsel- und/oder der Gleich­ spannungsabfall über den Widerständen des Sensortreibers messbar sein. Damit könnte mittels des Wechsel- und/oder Gleichspannungsabfalls ein Signal proportio­ nal zur Absoluttemperatur messbar sein.

Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung könnte das Ausgangssignal des Synchronumformers und/oder das Ausgangssignal der Temperaturmessschal­ tung mittels eines Multiplexers und/oder eines A/D-Wandlers, vorzugsweise durch Unterabtastung, digitalisierbar und/oder digital modulierbar sein. Der Multiplexer könnte hierbei mittels des Mikroprozessors oder Mikrorechners aktivierbar sein.

Im Rahmen der weiteren Verarbeitung des Messsignals sowie im Hinblick auf eine Temperaturkompensation könnte das Ausgangssignal des A/D-Wandlers dem Mi­ kroprozessor oder Mikrorechner zuführbar sein.

Mittels des demodulierten Wegsignals und/oder der Absoluttemperatur und/oder der Gradienttemperatur könnte vom Mikroprozessor oder Mikrorechner ein kompensier­ tes Wegsignal errechenbar sein. Das kompensierte Wegsignal könnte dann mittels eines D/A-Wandlers als analoges Signal, pulsweitenmoduliertes Signal - PWM - oder mittels einer digitalen Schnittstelle zur Weiterverarbeitung ausgebbar sein. Das Signal wäre somit universell weiterverarbeitbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren könnte insbesondere zum Betreiben einer Schal­ tungsanordnung gemäß den obigen Ausführungen dienen. Bei dem Verfahren ist vorteilhaft, dass das Messsignal, die absolute Temperatur und die Gradienttempera­ tur des Sensors, vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors oder Mikrorechners, gleichzeitig erfasst werden und somit die temperaturabhängigen Änderungen der Im­ pedanzen und die damit verbundenen Messfehler weitestgehend verhindert werden können. In besonders vorteilhafter Weise könnte die Abhängigkeit des Messsignals von der absoluten Temperatur und der Gradienttemperatur, vorzugsweise mittels des Mikroprozessors oder Mikrorechners, gleichzeitig kompensiert werden.

Hinsichtlich einer besonders guten Temperaturkompensation könnte der Mikropro­ zessor oder Mikrorechner aus den mittels eines A/D-Wandlers digitalisierten Signa­ len die Differenz und die Änderung des Mittels errechnen. Die Änderung des Mittels wäre dabei proportional zur Gradienttemperatur. Zusätzlich könnten mit den digitali­ sierten Signalen zur Verbesserung der Genauigkeit des Ausgangssignals Mittelwert­ bildungen durchgeführt werden.

In besonders vorteilhafter Weise könnte mittels des Ausgangssignals einer Tempe­ raturmessschaltung, das proportional zur Absoluttemperatur ist, ein Korrekturfaktor k₂ berechnet werden. Die Berechnung des Korrekturfaktors k₂ könnte vorzugsweise mittels des Mikroprozessors oder Mikrorechners durchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ könnte ein weiterer Korrekturfaktor k₁ im Mikroprozessor oder Mikro­ rechner hinterlegt werden. Der Korrekturfaktor k₁ könnte hierbei den Sensortyp re­ präsentieren.

Der Mikroprozessor oder Mikrorechner könnte mittels eines Algorithmus ein Aus­ gangssignal errechnen, wobei das Ausgangssignal mittels der Gleichung

u_aus = [(A - B) - (u_ref - (A + B)/₂)k₁]k₂(T)

berechnet wird.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 und dem nebengeordneten Patentanspruch 26 nachgeord­ neten Patentansprüche und anderseits auf die nachfolgende Erläuterung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläute­ rung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung, ein Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Signal­ auswertung von Sensoren,

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung, mehrere Signale an verschiedenen Punkten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung, ein Ausführungsbeispiel eines Teils der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Fig. 1.

Die Schaltungsanordnung 1 zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren umfasst einen Sensor 2 zur Erfassung mechanischer Größen. Bei dem Sensor 2 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen Wirbelstromsensor.

Erfindungsgemäß sind das Messsignal, die absolute Temperatur und die Gradient­ temperatur des Sensors 2, vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors 3, gleichzei­ tig erfassbar. Zudem ist die Abhängigkeit des Messsignals von der absoluten Tempe­ ratur und der Gradienttemperatur mittels des Mikroprozessors 3 gleichzeitig kompen­ sierbar.

Der Sensor 2 weist zwei Impedanzen Z₁ und Z₂ auf, wobei die temperaturabhängigen Änderung der Impedanzen Z₁, Z₂ mittels des komplexen und des Ohm'schen Ein­ gangswiderstands des Sensors 2 erfassbar sind. Das Messsignal liegt hierbei am Ausgang des Sensors 2 auf Leitung 4 an.

Mittels einer Spannungsquelle 5 und einem Schalter 6 sind drei Spannungen u₇, u₈ und u₉ erzeugbar. Der Schalter 6 ist hierbei ein steuerbarer analoger Schalter, der mittels eines Signals 10 direkt vom Mikroprozessor 3 angesteuert wird.

Das Signal 10, mittels dessen der analoge Schalter 6 vom Mikroprozessor 3 ange­ steuert wird, ist ein unipolares Rechtecksignal mit sehr stabiler Frequenz. In der er­ sten Halbperiode des Rechtecksignals 10 wird die Spannungsquelle 5 über den analogen Schalter 6 sowie die Leitungen 7, 11 und gleichzeitig über die Leitungen 9, 12 mit den Eingängen eines Sensortreibers 13 verbunden. In der zweiten Halbperi­ ode des Rechtecksignals 10 wird die Spannungsquelle 5 über die Leitungen 8, 11 und 8, 12 mit denselben Eingängen des Sensortreibers 13 verbunden. Dabei handelt es sich bei den Spannungen u₇ und u₉ um unipolare Wechselspannungen und bei der Spannung u₈ um eine Gleichspannung. Die Amplitude der Spannungen u₇ und u₉ ist dabei doppelt so groß wie die Amplitude der Spannung u₈, wobei die zwei unipola­ ren Spannungen u₇ und u₉ symmetrisch und komplementär gegenüber der Spannung u₈ sind und wobei die Spannung u₇ größer die Spannung u₈ und die Spannung u₉ kleiner als die Spannung u₈ ist. Es gilt dabei der Zusammenhang |u₈ - u₇| = |u₈ - u₉|.

Der Sensortreiber 13 weist hochohmige Eingangswiderstände auf, um die Tempera­ turdrift des analogen Schalters 6 zu eliminieren.

Der Sensortreiber 13 steuert zudem über die Leitungen 14, 15, 16 und 17 den Sen­ sor 2 an, dessen Ausgangssignal das Messsignal ist. Das Messsignal ist mittels der Leitung 4 über einen Vorverstärker 19 einem Synchronumformer 18 zuführbar.

Der Synchronumformer 18 ist steuerbar und wird über eine Leitung 20 direkt vom Mi­ kroprozessor 3 angesteuert. Am Ausgang des Synchronumformers 18 liegt dann ein Signal u₂₁ an, dessen Amplitude proportional zu den Änderungen der komplexen Im­ pedanzen Z₁, Z₂ des Sensors 2 ist und im Wesentlichen einer Rechteckspannung entspricht. Die Weiterverarbeitung des Ausgangssignals u₂₁ des Synchronumformers 18 erfolgt mittels eines Verstärkers 23, der in diesem Fall ein programmierbarer Ver­ stärker - PGA - ist.

Mittels einer Temperaturmessschaltung 22 ist der Wechsel- und/oder der Gleich­ spannungsabfall über den Widerständen des Sensortreibers 13 messbar, wobei der Wechsel- bzw. der Gleichspannungsabfall proportional zu der Absoluttemperatur ist.

Das Ausgangssignal u₂₁ des Synchronumformers 18 bzw. das Ausgangssignal u₂₄ des programmierbaren Verstärkers 23 und das Ausgangssignal u₂₅ der Temperatur­ messschaltung 22 wird mittels eines Multiplexers 26 und eines A/D-Wandlers 27 weiterarbeitet. Der Multiplexer 26 wird hierbei über eine Leitung 28 vom Mikropro­ zessor 3 angesteuert.

Das digitalisierte und demodulierte Messsignal wird dem Mikroprozessor 3 über Lei­ tung 30 zur Berechnung eines Ausgangssignals u_aus zugeführt. Hierbei ist zu beach­ ten, dass, dadurch dass der Synchronumformer 18 das Messsignal derart aufbereitet hat, im Wesentlichen ein sauberes Rechtecksignal vorliegt. Somit ist eine verbes­ serte Auflösung erreicht und der Abtastzeitpunkt sowie die Abtastbreite können damit weitestgehend frei gewählt werden. Die Nachteile eines Sinusoszillators, nämlich die erhöhten Anforderungen an eine Amplituden-, Frequenz- und Phasenstabilität, wer­ den durch den Synchronumformer 18 wirkungsvoll vermieden.

Mittels des demodulierten Wegsignals, der Absoluttemperatur und der Gradienttem­ peratur wird vom Mikroprozessor 3 ein kompensiertes Wegsignal u_aus errechnet. Das kompensierte Wegsignal u_aus wird mittels eines D/A-Wandlers 31 als analoges Signal ausgegebenen.

Der Mikroprozessor 3 berechnet aus den im A/D-Wandler 27 digitalisierten Signalen A, B die Differenz (A - B) und die Drift des Mittels (A + B)/2. Dabei ist die Drift des Mittels (A + B)/2 proportional zur Gradienttemperatur.

Das Ausgangssignal u₂₅ der Temperaturmessschaltung 22, das dem Mikroprozessor 3 zugeführt worden ist und der Absoluttemperatur proportional ist, wird in einen Kor­ rekturkoeffizienten k₂(T) umgerechnet. Ein weiterer Korrekturfaktor k₁, der den Sen­ sortyp repräsentiert und somit die Schaltung universell und unabhängig vom Sen­ sortyp einsetzbar macht, ist im Mikroprozessor 3 hinterlegt. Das kompensierte Wegsignal u_aus wird dann nach der Formel berechnet:

u_aus = [(A - B) - (u₈ - (A + B)/2)k₁]k₂(T)

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung mehrerer Signale an verschiedenen Punkte der Schaltungsanordnung. Dabei zeigt Fig. 2a die zwei komplementären unipolaren Rechteckspannungen u₁₁ und u₁₂, die gegen die Gleichspannung u₈ symmetrisch sind und an den Eingängen des Sensortreibers 13, sowie an den Eingängen des Sensors 2 anliegen.

Fig. 2b zeigt ein typisches Signal u₃₂ am Ausgang des Vorverstärkers 19 bzw. am Eingang des Synchronumformers 18.

Fig. 2c zeigt schließlich das Messsignal u₂₁ am Ausgang des Synchronumformers 18. Es ist dabei sehr deutlich, dass das Messsignal nunmehr ein im Wesentlichen recht­ eckförmiges Signal ist.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Teils der Schaltungsanordnung 1 darge­ stellt. Der Sensortreiber 13 weist zwei Operationsverstärker 50 und 51 auf, deren in­ vertierende Eingänge über die Leitungen 14 und 15 mit den Anschlüssen des Sen­ sors 2 verschaltet sind. Die Spannungsabfälle an den Widerständen 52 und 53 sind dabei vom Eingangswiderstand des Sensors 2 abhängig.

Die Ausgänge der Operationsverstärker 50 und 51 sind über die Leitungen 33 und 34 mit der Temperaturmessschaltung 22 verbunden. Diese umfasst einen Operations­ verstärker 54, die Widerstände 55, 56, 57 sowie die Kapazitäten 58 und 59. Der Ausgang des Operationsverstärkers 51 ist über die Leitung 33 und den Widerstand 55 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 54 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 50 ist mit dem invertierenden Eingang des Ope­ rationsverstärkers 54 über einen Hochpass, nämlich der Kapazität 58 und dem Wi­ derstand 56, verbunden. Dies führt zu einer Addition der Signale am Ausgang der Operationsverstärker 50 und 51. In besonders vorteilhafter Weise ist demnach am Ausgang des Operationsverstärkers 54 nur noch ein Gleichspannungsanteil vorhan­ den, der proportional zur Temperaturänderung ist. Diese Art der Temperaturmessung erfolgt sehr schnell und ohne zusätzliche Tiefpassfilterung.

Für die Temperaturmessung existieren zwei Varianten, zum einen kann der Gleich­ spannungsabfall an den Widerständen 52 und 53 zur Temperaturmessung benutzt werden. Zum anderen kann auch der Wechselspannungsabfall an den Widerständen 52 und 53 verwendet werden, wenn die Eingangsimpedanz des Sensors unabhängig von der Position des Messobjekts ist. Dabei wird das Temperatursignal wie das Messsignal ausgewertet, beispielsweise in der Art A - B.

Das Signal am Mittelabgriff des Sensors 2 wird über den Vorverstärker 19 aufgebaut und über einen Operationsverstärker 60 sowie den Widerständen 61 und 62 dem steuerbaren Synchronumformer 18 zugeführt. Die Werte dieser Bauelemente sind von der Trägerfrequenz - dem Takt des Mikroprozessors 3 - und der Form des Aus­ gangssignals des Sensors 2 abhängig. Mit unterschiedlichen Kombinationen dieser Bauelemente können verschiedene Eckfrequenzen des Synchronumformers 18 ein­ gestellt werden. Der Ausgang des Synchronumformers 18 - Leitung 21 - führt zum programmierbaren Vorverstärker 23.

Wenn der Mikroprozessor 3 die Schaltungsanordnung 1 über die Leitungen 10, 20 und 28 aktiviert, werden dem Sensor 2 komplementäre unipolare Spannungen, wie die in Fig. 2a gezeigten, zugeleitet. Dies bedeutet, dass der Sensor 2 gleichzeitig mit einer Rechteckwechselspannung und einem überlagerten Gleichspannungsanteil gespeist wird, wobei die Gleichspannungsamplitude halb so groß ist wie die der Wechselspannung.

Wenn die beiden Impedanzen Z₁ und Z₂ des Sensors 2 gleich groß sind, ist das Po­ tential der Leitung 4 gleich der Gleichspannung u₈ und der Wechselspannungsanteil ist im Wesentlichen gleich 0. Verändern sich aufgrund des Messeffekts die Impedan­ zen Z₁ und Z₂ und gilt Z₁ ≠ Z₂, so überlagert sich der Gleichspannung u₈ auf der Lei­ tung 4 eine Wechselspannung, die wegen der komplexen Impedanzen Z₁, Z₂ eine Klirrverzerrung - wenn die Phasen von Z₁ und Z₂ nicht gleich sind - und eine Qua­ draturkomponente aufweist. Dies begrenzt die Dynamik und die Auflösung der Schaltungsanordnung 1. Eine deutliche Verbesserung dieser Parameter, beispiels­ weise bei der Auflösung Faktor 10 bis Faktor 100, wird durch den Einsatz des steu­ erbaren Synchronumformers 18 erreicht. Dessen Ausgangssignal hat eine Amplitu­ de, die den Änderungen der komplexen Impedanzen Z₁ und Z₂ proportional ist, und weist annähernd eine Rechtecksform auf, wie in Fig. 2c gezeigt. Dies hat große messtechnische Vorteile. So ist die Wahl des Abtastpunkts unkritisch, hochfrequente Störungen werden gefiltert und der Nullpunkt ist einfach über die Rechteckamplitude einstellbar. Die Schaltungsanordnung 1 ist somit sehr universell verwendbar, da sie für alle Sensoren mit komplexen Impedanzen als Auswerteelektronik dienen kann.

Hinsichtlich weiterer Details wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die allge­ meine Beschreibung verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschrie­ bene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einträgt.

Claims (35)

1. Schaltungsanordnung (1) zur Ansteuerung und Signalauswertung von Senso­ ren, insbesondere für parametrische Sensoren mit komplexen Impedanzen, mit min­ destens einem Sensor (2) zur Erfassung mechanischer Größen, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal, die absolute Tempera­ tur und die Gradienttemperatur des Sensors (2), vorzugsweise mittels eines Mikro­ prozessors oder Mikrorechners (3), gleichzeitig erfassbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit des Messsignals von der absoluten Temperatur und der Gradient­ temperatur, vorzugsweise mittels des Mikroprozessors oder Mikrorechners (3), gleichzeitig kompensierbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) mindestens eine Impedanz (Z₁, Z₂) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des komplexen und/oder des Ohm'schen Eingangswiderstands des Sensors (2) die temperaturabhängigen Änderungen der Impedanz (Z₁, Z₂) erfassbar sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mittels einer Spannungsquelle (5) und/oder mindestens einem Schalter (6) mindestens zwei Spannungen (u₇, u₈, u₉) erzeugbar sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) ein steuerbarer analoger Schalter ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) mittels eines Signals (10) direkt vom Mikroprozessor oder Mikrorechner (3) ansteuerbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (10) ein unipolares Rechtecksignal ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Spannungen (u₇, u₈, u₉) zwei unipolare Wechselspannungen (u₇, u₉) und eine Gleichspannung (u₈) umfassen.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Wechselspannungen (u₇, u₉) doppelt so groß wie die Amplitude der Gleichspannung (u₈) ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei unipolaren Wechselspannungen (u₇, u₉) symmetrisch und/oder kom­ plementär gegen die Gleichspannung (u₈) sind.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine unipolare Wechselspannung (u₇) kleiner als die Gleichspannung (u₈) und/oder die andere unipolare Wechselspannung (u₉) größer als die Gleichspan­ nung (u₈) ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Spannungen (u₇, u₈, u₉) an einem Sensortreiber (13) anliegen.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensortreiber (13) hochohmige Eingangswiderstände aufweist.

15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Ausgangssignal des Sensors (2), vorzugsweise über einen Vor­ verstärker (19), einem Synchronumformer (18) zuführbar ist.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronumformer (18) steuerbar ist.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronumformer (18) direkt vom Mikroprozessor oder Mikrorechner (3) ansteuerbar ist.

18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Ausgangssignal (u₂₁) des Synchronumformers (18) mittels eines Verstärkers (23), insbesondere eines programmierbaren Verstärkers, verstärkbar ist.

19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 oder 14 und ggf. einem der Ansprü­ che 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Temperaturmessschal­ tung (22) der Wechsel- und/oder der Gleichspannungsabfall über den Widerständen des Sensortreibers (13) messbar ist.

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit­ tels des Wechsel- und/oder Gleichspannungsabfalls ein Signal proportional zur Ab­ soluttemperatur messbar ist.

21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (u₂₁) des Synchronumformers (18) und/oder das Aus­ gangssignal (u₂₅) der Temperaturmessschaltung (22) mittels eines Multiplexers (26) und/oder eines A/D-Wandlers (27), vorzugsweise durch Unterabtastung, digitalisier­ bar und/oder digital demodulierbar sind.

22. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer (26) mittels des Mikroprozessors oder Mikrorechners (3) aktivierbar ist.

23. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (u₃₀) des A/D-Wandlers (27) dem Mikroprozessor oder Mi­ krorechner (3) zuführbar ist.

24. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mittels des demodulierten Ausgangssignals (u₂₁) des Synchronum­ formers (18) und/oder des demodulierten Ausgangssignals (u₂₅) der Temperatur­ messschaltung (22) und/oder der Absoluttemperatur und/oder der Gradienttempera­ tur vom Mikroprozessor oder Mikrorechner (3) ein kompensiertes Wegsignal (u_aus) er­ rechenbar ist.

25. Schaltungsanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das kompensierte Wegsignal (u_aus) mittels eines D/A-Wandlers (31) als analoges Signal, pulsweitenmoduliertes Signal oder mittels einer digitalen Schnittstelle zur Weiterver­ arbeitung ausgebbar ist.

26. Verfahren zur Ansteuerung und Signalauswertung von Sensoren, insbesonde­ re zum Betreiben einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, insbesondere für parametrische Sensoren mit komplexen Impedanzen, wobei min­ destens ein Sensor (2) mechanische Größen erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal, die absolute Tempera­ tur und die Gradienttemperatur des Sensors (2), vorzugsweise mittels eines Mikro­ prozessors oder Mikrorechners (3), gleichzeitig erfasst werden.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit des Messsignals von der absoluten Temperatur und der Gradienttemperatur, vor­ zugsweise mittels des Mikroprozessors oder Mikrorechners (3), gleichzeitig kompen­ siert werden.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Mi­ kroprozessor oder Mikrorechner (3) aus den mittels eines A/D-Wandlers (27) digitali­ sierten Signalen (A, B) die Differenz (A - B) und die Änderung des Mittels ((A + B)/2) er­ rechnet.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Mittels (A + B)/2 proportional zur Gradienttemperatur ist.

30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass mit den digitalisierten Signalen (A, B) zur Verbesserung der Genauigkeit des Ausgangs­ signals (u_aus) Mittelwertbildungen durchgeführt werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ausgangssignals (u₂₅) einer Temperaturmessschaltung (22), das proportional zur Absoluttemperatur ist, ein Korrekturfaktor k₂(T) berechnet wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrektur­ faktor k₁ im Mikroprozessor oder Mikrorechner (3) hinterlegt wird.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrektur­ faktor k₁ den Sensortyp repräsentiert.

34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Mi­ kroprozessor oder Mikrorechner (3) mittels eines Algorithmus ein Ausgangssignal (u_aus) berechnet.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus das Ausgangssignal (u_aus) mittels
u_aus = [(A - B) - (u₈ - (A + B)/2)k₁]k₂(T)
berechnet.