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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, und insbesondere einen Drucksensor,
mit einer Messbrücke,
deren Diagonalspannung zur Ermittlung der Messgröße ausgewertet wird.
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In
modernen Systemen werden Sensoren immer häufiger und in immer größerer Anzahl
eingesetzt, wobei insbesondere die Anzahl von sicherheitskritischen
Applikationen ständig
zunimmt. Derartige Sensoren müssen
hohe Anforderungen an Ausfallsicherheit und Eigenüberwachung
bzw. Selbstdiagnose erfüllen,
um in sicherheitskritischen Anwendungen Fehlfunktionen schnell erkennen
zu können.
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Insbesondere
im Automobilbereich sind eine Reihe sicherheitstechnischer Anwendungen
gegeben, wie z. B. bei der Fahrdynamik-Regelung, der elektrohydraulischen
Bremse, etc., bei denen ein schnelles Erkennen einer Sensor-Fehlfunktion
unerläßlich ist.
Bei den genannten Anwendungsbeispielen wird eine mechanische Größe – Druck
(bzw. Kraft) – in
eine elektrische Größe – Strom
oder Spannung – umgeformt. Üblicherweise
werden hierzu kapazitive oder resistive Sensoren verwendet.
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Bei
einem resistiven Drucksensor z. B. werden durch mechanische Verformung
auf einer Membran angeordnete Widerstände verändert. Als Messelemente dienen üblicherweise
Filmwiderstände (Dehnungs-Messstreifen),
zunehmend auch polykristalline Halbleiter, mit denen ein größerer Messeffekt erzielt
werden kann.
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Die
Messelemente sind in der Regel in einer Brückenschaltung (Wheatstone-Messbrücke) angeordnet,
deren Diagonalspannung als Maß für die eigentliche
Messgröße (Druck)
dient.
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Es
ist bekannt, die Eigensicherheit solcher Sensoren dadurch zu verbessern,
dass zum eigentlichen Signalpfad, der durch die Diagonalspannung der
Vollbrücke
gespeist wird, ein zweiter, paralleler Signalpfad errichtet wird,
der nur von einem Ast der Wheatstone-Brücke gespeist wird. Die Wheatstone-Brücke ist
dabei durch zwei Festwiderstände
zu einer Halbbrücke
ergänzt.
Die Diagonalspannung der Halbbrücke
weist jedoch nur die halbe Druckempfindlichkeit gegenüber der
Vollbrücke
auf.
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Die
Diagonalspannungen der Halb- und Vollbrücke gelangen auf zwei nahezu
identische Signalpfade, die sich nur durch den Verstärkungsfaktor
unterscheiden, da bei der Halbbrücke
auf Grund der halben Empfindlichkeit eine doppelte Verstärkung vorgesehen
werden muß.
Beide Signalpfade werden in einem Abgleichprozeß bezüglich Empfindlichkeit und Offset
sowohl gegenüber
dem Druck als auch gegenüber
der Temperatur abgeglichen, so dass im Idealfall am Ausgang des
Sensors zwei identische Ausgangssignale zur Verfügung stehen.
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Driftet
eine der beiden Anordnungen in Folge von Veränderungen der Brücke oder
der Elektronik (Alterung), so ergibt sich eine Differenz der beiden Ausgangssignale. Überschreitet
die Differenz einen zulässigen
Wert, wird durch eine Schaltung dafür gesorgt, dass das Ausgangssignal
des Drucksensors einen unplausiblen Wert annimmt. Dieser kann von einer
nachgeordneten Steuereinheit als Fehler erkannt werden.
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Der
wesentliche Nachteil eines Vergleiches von Signalen einer Vollbrücke mit
denen einer Halbbrücke
besteht hauptsächlich darin,
dass das Halbrückensignal
im Mittel eine doppelte Drift bei Alterung aufweist. Dadurch besteht
die Möglichkeit,
dass die Überwachung
ansprechen kann, obwohl durch die Vollbrücke Alterungsdriften gut kompensiert
werden. Weiterhin ist es schwierig den Temperaturgang der Halbbrücke zu kompensieren,
da sich durch die Einbeziehung von zwei Festwiderständen in
Verbindung mit zwei Polysilizium-Widerständen Nichtlinearitäten ergeben,
die den Überwachungsbereich
einschränken.
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Aus
EP 1 001 248 A2 ist
ein Verfahren zur Offset-Kalibrierung eines magnetoresistiven Winkelsensors
bekannt. Dabei wird eine magnetische Sensorvorrichtung mit einer
wheatstonischen Brücke,
die wenigstens vier magnetoresistive Widerstände aufweist, vorgeschlagen.
Weiterhin ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, die einen Kalibriermodus
zur Ermittlung eines Offset-Kalibriersignals aufweist, wobei vor
dem Start des Kalibriermodus ein Beaufschlagen der wheatstonischen
Brücke
mit einem äußeren Gleichmagnetfeld,
welches derart ausgerichtet ist, dass es weder im Wesentlichen parallel
zu dem magnetoresistiven Widerständen
des ersten Paares, noch im Wesentlichen parallel zu den magnetoresistiven
Widerständen
des zweiten Paares der wheatstonischen Brücke verläuft, sowie ein nachfolgendes Entfernen
dieses äußeren Magnetfeldes
vorgesehen ist, wobei das von der wheatstonischen Brücke ohne Gleichmagnetfeld
an die Auswerteschaltung gelieferte Winkelsignal ein Maß für den Offset
der wheatstonischen Brücke
ist. Aus
EP 0 541 573
B1 ist ein Messwertaufnehmer bekannt. Dabei ist auch ein Messbetrieb
und ein Kalibrierbetrieb vorgesehen und weiterhin ein Identifizierbetrieb.
Aus
DE 196 53 213 A1 ist
eine Selbstdiagnoseschaltung bzw. Eigendiagnoseschaltung bekannt.
Diese Eigendiagnoseschaltung erfasst eine beliebige Abnormalität, indem
die Spannung an bzw. in einem bestimmten Schaltungsabschnitt einer
Detektorschaltung oder einer Signalverstärkerschaltung überwacht
wird. Aus
DE 198 06 753
A1 ist ein Sensormodul bekannt. Dieses Sensormodul weist
mindestens eine wheatstonische Brücke auf. Es werden Fensterkomperaturen
in einem integrierten Schaltkreis aufgebaut, die bei Über- bzw.
Unterschreitung vorgegebener Grenzwerte der Ausgangssignale eine
Fehlermeldung erzeugen. Dadurch können Alterungen der Drahtbondverbindung, Unterbrechung
der elektrischen Kontakte zwischen Sensorelement und Signalverarbeitungseinheit
oder auch feuchtigkeitsbedingte Kurzschlüsse erkannt und als Fehlerquellen
diagnostiziert werden. Aus
DE 44
12 982 C1 ist eine Vorrichtung zur Fehlerüberprüfung von
wheatstonischen Messbrücken
bekannt. Aus der gattungsbildenden
DE 198 44 956 C2 ist eine Fehlerdiagnoseschaltung
bekannt, wobei vier Schalter eine Steuerschaltung, Fehlerdiagnose
und Überwachungsanschlüsse angegeben
sind. Insbesondere kann zwischen zwei Zuständen geschaltet werden, nämlich einem
Pullup-Zustand zum Bereitstellen einer Fehlerdiagnosespannung an
Motoreingangsanschlüssen
und einem Pulldown-Zustand zum Bereitstellen eines Massepotentials
an den Motoreingangsanschlüssen über Widerstände. Die
vier Fehlerdiagnoseschaltung schaltet zwischen den beiden Zuständen um.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor mit
einer zuverlässigeren Selbstdiagnosefunktion
zu schaffen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
Gedanke besteht darin, den Sensor mit einer Schalteinrichtung auszustatten,
mit der die Messbrücke
zwischen einem Messbetrieb und einem Testbetrieb umgeschaltet werden
kann. In beiden Betriebsarten sind dabei nur die Brückenelemente
der Messbrücke
an der Signalgewinnung beteiligt und es ändert sich nur die relative
Anordnung der Brückenelemente
zueinander. Dadurch wird ein unterschiedlicher Temperaturgang oder
ein unterschiedliches Alterungsverhalten in den Betriebsarten Messen
und Testen vermieden.
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Erfindungsgemäß sind zwei
Konstantstromquellen vorgesehen, die mittels der Schalter zu- und abgeschaltet
werden können.
Die Stromquellen sind bei geschlossenen Schaltern jeweils zwischen
einen der Mittenknoten und Masse geschaltet.
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Gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Schalteinrichtung derart gebildet, dass die
im Messbetrieb in Serie geschalteten Brückenelemente, d. h. die Brückenelemente
eines Astes der Messbrücke,
im Testbetrieb parallel zueinander geschaltet sind.
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Die
Schalteinrichtung umfasst vorzugsweise zwei Schalter, die mit den
Mittenknoten der Brücke, d.
h. den Knoten, an denen die Diagonalspannung abgegriffen wird, verbunden
sind.
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Im
Testbetrieb ist die Diagonalspannung der Messbrücke insbesondere unabhängig von
einer Veränderung
der Messgrösse
(Druck).
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Gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Schalteinrichtung einen dritten Schalter,
der den im Messbetrieb mit Masse verbundenen Knoten der Messbrücke im Testbetrieb
auf Versorgungsspannung umschaltet.
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Die
Messbrücke
ist vorzugsweise eine Wheatstone-Messbrücke und insbesondere eine Vollbrücke. In
einem Ast der Messbrücke
befinden sich vorzugsweise Sensorelemente, die auf eine Änderung der
Messgrösse
gegensinnig reagieren. Beispielsweise sind Widerstände vorgesehen,
die sich bei Druckeinwirkung vergrössern bzw. verkleinern.
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Gemäss einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Signalpfad für den Testbetrieb
eine Offset-Korrekturschaltung, eine Empfindlichkeits-Korrekturschaltung
sowie ein Abtast- und Halteglied. Der am Ausgang dieser Kalibrierkette ausgegebene
Wert wird vorzugsweise auf Null eingestellt.
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Die
erfindungsgemässe
Schalteinrichtung umfasst ferner einen vierten Schalter, der im
wesentlichen symmetrisch zum dritten Schalter angeordnet ist.
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Das
Umschalten zwischen der Betriebsart Messen und Testen erfolgt vorzugsweise
in einem bestimmten Tastverhältnis.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Sensors in der Betriebsart „Messen”; und
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2 eine
schematische Darstellung des Sensors von 1 in der
Betriebsart „Testen”.
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In
der Prinzipschaltung von 1 ist beispielhaft ein Drucksensor
dargestellt, der eine Druck-Messbrücke 1 aus insgesamt
vier Widerständen
R1–R4
umfasst. Die Widerstände,
die sich bei Druckeinwirkung vergrößern, sind mit (+) gekennzeichnet,
diejenigen, die sich bei Druckeinwirkung verkleinern, mit (–).
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In
der dargestellten Betriebsart „Messen” befinden
sich die vier Schalter S1–S4
der Schalteinrichtung 2 in der Schaltposition „1”. Die Schalter
S1, S2 sind jeweils mit einem Mittenknoten C, D der Messbrücke verbunden,
an denen die Brückendiagonalspannung
abgegriffen wird.
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Die
Schalter S3, S4 sind an den Knoten D bzw. A der Messbrücke 1 angeschlossen.
Der Knoten A der Brücke 1 liegt
dabei auf Versorgungsspannung Ubatt, während der Knoten B auf Masse
liegt. Die Brückendiagonalspannung
UCD hat in Folge von Fertigungstoleranzen
bei der Herstellung der Polysiliziumwiderstände einen Offset-Spannungswert,
der temperaturabhängig
ist. Ebenso ist auch die Empfindlichkeit der Brückenanordnung temperaturabhängig. Aus
diesem Grunde ist es erforderlich, die Brückenschaltung bezüglich Offset
und Empfindlichkeit in Abhängigkeit
von Druck und Temperatur zu kalibrieren. Zu diesem Zweck sind ein
Komparator 5, ein Offset-Korrekturschaltkreis 6,
ein Empfindlichkeits-Korrekturschaltkreis 7 und
ein Abtast- und Halteglied 8 vorgesehen. Der in der Messphase
bei Schalterstellung „1” ermittelte
Druckwert wird in der S&H-Schaltung 8 zwischengespeichert
und steht für eine
Abfrage durch ein nachgeschaltetes Steuergerät (nicht gezeigt) zur Verfügung.
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Verändern sich
ein oder mehrere Brückenwiderstände R1–R4 durch
Drift (z. B. das Ablösen
von der Membran oder dgl.), entsteht eine Diagonalspannung UCD, die durch die Kalibrierschaltung 6, 7, 8 als Ausgangsspannung
ausgegeben wird. Dabei ist oftmals nicht erkennbar, ob diese Spannung
eine Folge einer Druckänderung
oder eines Defektes ist. Zur Feststellung eines Defektes wird die
Messbrücke 1 mittels
der Schalteinrichtung 2 in die Betriebsart „Testen” umgeschaltet.
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Wie
in 2 dargestellt ist, befinden sich die Schalter
S1–S4
in der Betriebsart „Testen” in der Schaltposition „2”. Dabei
liegt an den Knoten A und B der Brücke 1 das identische
Potential, nämlich
die Versorgungsspannung Ubatt. Der Schalter S4 liegt in beiden Schaltpositionen
auf Versorgungsspannung und ist nur aus Symmetriegründen vorgesehen,
um insbesondere einen nicht symmetrischen Abfall der Betriebsspannung
beim Umschalten der Schalteinrichtung 2 zu vermeiden.
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Mit
den Schaltern S1, S2 werden an den Mittenknoten C und D die Konstantstromquellen
3,
4 zugeschaltet,
die zwei identische Ströme
11,
12 nach Masse
abziehen. Das Verhältnis
I1/I2 der Konstantstromquellen
3,
4 sollte sich
dabei über
Temperatur und Lebensdauer nicht ändern, da dieses Verhältnis direkt
in die Empfindlichkeit der Anordnung eingeht. In der dargestellten
Schaltstellung errechnet sich die Diagonalspannung U
CD wie
folgt:
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Liegen
an den Knoten A und B infolge des Schaltens der Batteriespannung
unterschiedliche Potentiale und bezeichnet man deren Differenzen ΔU
B, ergibt sich für die Brückenspannung ΔU
CD:
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Wie
zu erkennen ist, wirken sich Potentialunterschiede in dieser Betriebsart
nur gering aus.
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Die
wichtigste Eigenschaft dieser Schaltung besteht darin, dass sich
bei Einwirkung eines Druckes und der daraus resultierenden symmetrischen Änderung
der Brückenwiderstände die
Diagonalspannung UCD nicht ändert, sondern
ständig
0 V bleibt. Voraussetzung hierfür
ist, dass sich alle Widerstände
R1–R4
in idealer Weise symmetrisch ändern. Da
dies aber in der Praxis nie der Fall ist, muß auch in der Betriebsart „Testen” das Signal
bezüglich
Offset und Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur
kalibriert werden. Im Unterschied zur Betriebsart „Messen” wird der
Wert am Ausgang der Kalibrierschaltung (Schaltkreise 9–12)
auf 0 V gestellt wird.
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Die
Kalibrierschaltung für
die Betriebsart „Testen” umfaßt einen
Komparator 9, eine Offset-Korrekturschaltung 10,
eine Empfindlichkeits-Korrekturschaltung 11 sowie ein Abtast-
und Halteglied 12.
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Zum
abwechselnden Messen und Testen wird die Messbrücke 1 kontinuierlich
zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet. Hierzu ist ein Taktgeber 13 vorgesehen,
der die Schalter S1–S4 der
Schalteinrichtung 2 ansteuert.
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Bedingt
durch das alternierende Umschalten der Messbrücke 1 steht am Ausgang
des Drucksensors das Drucksignal nicht kontinuierlich, sondern nur
zeitweise zur Verfügung.
Es bleibt dem konkreten Anwendungsfall vorbehalten, ein geeignetes
Tastverhältnis
zwischen den Betriebsarten „Messen” und „Testen” und eine
dazugehörige
geeignete Umschaltfrequenz festzulegen.
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Ein
gültiger
DruckMesswert liegt insbesondere dann vor, wenn in der nachfolgenden
Testphase der Sensorausgang Null anzeigt.
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- 1
- Messbrücke
- 2
- Schalteinrichtung
- 3,
4
- Stromquellen
- 5
- Komparator
- 6
- Offset-Korrekturschaltung
- 7
- Empfindlichkeits-Korrekturschaltung
- 8
- Abtast-
und Halteglied
- 9
- Komparator
- 10
- Offset-Korrekturschaltung
- 11
- Empfindlichkeits-Korrekturschaltung
- 12
- Abtast-
und Halteglied
- 13
- Taktgeber
- S1–S4
- Schalter
- R1–R4
- Widerstände
- I1,
I2
- Ströme
- A–D
- Knoten
- Ubatt
- Versorgungsspannung
