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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen von insbesondere
physikalischen Größen und
zur Weiterleitung der gemessenen Größe über eine Schnittstelle (insbesondere
einen Ausgang) als Sensorsignal an ein elektrisches Gerät, insbesondere
Steuergerät.
Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltung aus zumindest zwei
Sensoren, darunter ein Sensor der eingangs genannten Art, sowie
ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors der eingangs genannten
Art und ein Verfahren zum Betreiben der Schaltung aus zumindest
zwei Sensoren.
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Ein
Sensor der eingangs genannten Art weist ein Wandlerelement auf,
welches die Größe in ein elektrisches
Signal umwandelt. Ferner umfasst der Sensor eine elektronische Auswerteschaltung,
beispielsweise in Form einer Signalverarbeitungseinheit, zur Aufbereitung
und/oder Verarbeitung des elektrischen Signals zum Sensorsignal.
Dabei weist die elektronische Schaltung ein Mittel zur Diagnose (Diagnosemittel)
auf.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren überwacht
das Diagnosemittel die verschiedenen Funktionen des Sensors. Beim
Auftreten eines Fehlers wird typischerweise die Endstufe des Sensors
abgeschaltet, so dass am Ausgang des Sensors kein Sensorsignal mehr
anliegt.
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Der
Nachteil eines solchen Sensors, bei dem im Fehlerfall der Sensor
abgeschaltet wird, ist, dass das elektrische Gerät, an welches der Sensor angeschlossen
ist nicht unterscheiden kann, ob Ausfall des Sensors durch einen
Fehler des Sensors oder durch einen Fehler in der Leitungsverbindung
zwischen dem Sensor und dem elektrischen Gerät bewirkt wurde. Dieses macht
es erforderlich, dass ein Bediener zunächst analysieren muss, welche
Art von Fehler vorliegt, bevor eine Instandsetzung vorgenommen werden
kann. Dieses ist oftmals zeitaufwändig und führt, da oftmals die „try-and-error"-Methode zum Auffinden
des Fehlers verwendet wird, zu unnötigen Montagevorgängen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor vorzuschlagen,
der ein Auftreten eines Fehlers innerhalb des Sensors an dessen Ausgang
eindeutig signalisiert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Diagnosemittel so eingerichtet sind, dass beim Auftreten
eines Fehlers an der Schnittstelle anstelle des Sensorsignals ein
eindeutiges Fehlersignal anliegt. Bei diesem Fehlersignal kann es
sich um eine vorzugsweise vorbestimmte Folge von verschiedenen elektrischen
Potentialen handeln. Das Fehlersignal kann ein sich wiederholendes
Muster von elektrischen Potentialen sein. Das Fehlersignal kann
ferner eine Information über
die Art des Fehlers enthalten, was für eine zielgerichtete Instandsetzung
von besonderem Vorteil ist. In einem einfachen Fall kann das Fehlersignal
beispielsweise ein fortdauernder Wechsel von dem minimalen beziehungsweise
maximalen elektrischen Potential sein, welches in dem Sensor zur
Verfügung
steht.
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Dadurch,
dass das Fehlersignal am Ausgang des Sensors im Falle eines Auftretens
eines Fehlers eines Sensors anliegt, kann von außen eindeutig bestimmt werden,
dass der Fehler innerhalb des Sensors vorliegt, und kein Fehler
der Kabelverbindung zwischen dem Sensor und dem elektrischen Gerät vorliegt,
an welches der Sensor angeschlossen ist.
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Gemäß der Erfindung
kann eine Schaltung aus zumindest zwei Sensoren einen erfindungsgemäßen Sensor
aufweisen. Schaltungen aus zumindest zwei Sensoren werden insbesondere
bei der redundanten Messung von physikalischen Größen verwendet.
Ein Gleichlaufüberwachungsmittel
kann dabei vorzugsweise in einem Sensor vorgesehen sein, der erfindungsgemäß ausgebildet
ist. Das Gleichlaufüberwachungsmittel
zeigt ein Abweichen der elektrischen Signale und/oder der Sensorsignale
der verschiedenen Sensoren zumindest dem Diagnosemittel eines der
Sensoren vorzugsweise eines erfindungsgemäßen Sensors an.
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Der
Betrieb eines erfindungsgemäßen Sensors
kann folgende Schritte umfassen: Im fehlerfreien Betrieb wandelt
das Wandlerelement die zu messende Größe in ein elektrisches Signal
um und die elektronische Schaltung bereitet das elektrische Signal
auf und/oder verarbeitet es zum Sensorsignal, das an der Schnittstelle
(Ausgang) abgreifbar ist. Im fehlerhaften Betrieb erfasst das Diagnosemittel
das Auftreten und/oder die Art des Fehlers und erzeugt ein Fehlersignal,
das anstelle des Sensorsignals an der Schnittstelle (Ausgang) abgreifbar
ist.
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Eine
Schaltung aus zumindest zwei Sensoren, von denen ein erster Sensor
ein erfindungsgemäßer Sensor
ist, kann so betrieben werden, dass der zumindest eine erfindungsgemäße Sensor
nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben wird. Der erste, d. h. der erfindungsgemäße Sensor überwacht
vorzugsweise durch das Gleichlaufüberwachungsmittel den Gleichlauf
der zumindest zwei Sensoren und im Falle eines Abweichens der elektrischen
Signale und/oder der Sensorsignale zeigt der erste Sensor an der
Schnittstelle das Fehlersignal an.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
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1 ein
Prinzipschaltbild für
den Anschluss von erfindungsgemäßen Sensoren
an ein Steuergerät,
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2 einen
Teil eines erfindungsgemäßen Sensors
und
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3 eine
Schaltung aus zwei erfindungsgemäßen Sensoren.
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Die
in dem Prinzipschaltbild (1) dargestellten
Sensoren umfassen ein Wandlerelemente WE1,
WE2 und eine Signalverarbeitungseinheit μP1, μP2, die an ein Steuergerät SG angeschlossen sind. Die
Wandlerelemente WE1, WE2 erfassen
die gleiche physikalische Größe beispielsweise
eine Geschwindigkeit oder einen Druck. In den Wandlerelementen wird
die erfasste physikalische Größe in ein
analoges elektrisches Signal umgewandelt, welches den Signalverarbeitungseinheiten μP1, μP2 zugeführt
wird. In den Signalverarbeitungseinheiten werden dann die analogen
Signale verarbeitet, insbesondere digitalisiert, verstärkt und
aufbereitet, um über
einen Ausgang als Sensorsignal an das elektrische Steuergerät SG weitergeleitet
zu werden. Die Wandlerelemente WE1, WE2 sowie die Signalverarbeitungseinheiten μP1, μP2, die die erfindungsgemäßen Sensoren bilden, sind gleichartig
ausgebildet, so dass am Ausgang der Signalverarbeitungseinheiten μP1, μP2 gleiche Sensorsignale zur Verfügung gestellt
werden. An das Steuergerät
SG sind daher zwei redundante Sensoren angeschlossen. Sofern einer
der beiden Sensoren ausfällt,
steht dem Steuergerät
SG das Sensorsignal des zweiten Sensors zur Verfügung. Ein entsprechendes, nicht
redundantes System konnte zum Beispiel nur das Steuergerät SG, eine
Signalverarbeitungseinheit μP1 und ein Wandlerelemente WE1 aufweisen.
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Problematisch
war bei den bisher bekannten Systemen mit zwei redundanten Sensoren,
dass das Steuergerät,
an welches die Sensoren angeschlossen waren, nicht immer eindeutig
erkennen konnte, welcher der beiden Sensoren ein fehlerhaftes Sensorsignal
lieferte oder ausgefallen war. Ein weiteres Problem war, dass anhand
des gelieferten Sensorsignals nicht eindeutig identifiziert werden
konnte, welcher Art der Fehler war. Es konnte sich dabei nämlich um
einen Fehler des Wandlerelements, der Signalverarbeitungseinheit
oder auch um einen Fehler in Kabelverbindungen zwischen der Signalverarbeitungseinheit
und dem Steuergerät
handeln. Dieses letzte Problem ist dabei auch bei einzeln verwendete Sensoren
von Bedeutung.
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Hier
setzt die Erfindung an. Durch die erfindungsgemäßen Sensoren ist nämlich gewährleistet, dass
bei einem fehlerhaften Sensor, das Vorliegen eines Fehlers des Sensors
als eindeutiges Fehlersignal am Ausgang, d. h. an der Schnittstelle
der Signalverarbeitungseinheit anstelle des Sensorsignals angezeigt
wird. Dabei ist es für
die Erfindung grundsätzlich
von untergeordneter Bedeutung, ob die erfindungsgemäßen Sensoren
paarweise in einem redundanten System oder als „Einzelsensoren" in einem System
eingesetzt werden. Sobald das Steuergerät ein derartiges Fehlersignal
erfasst, ist für
das Steuergerät
eindeutig, dass an dem entsprechenden Sensor ein Fehler vorliegt.
Liegt dagegen weder ein Fehlersignal noch ein Sensorsignal am Eingang
des Steuergeräts
an, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Fehler in der Kabelverbindung
zwischen dem Steuergerät
und dem Sensor, d. h. insbesondere zwischen dem Steuergerät SG und
der Signalverarbeitungseinheit μP1, μP2 zu suchen.
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Der
in der 2 dargestellte Teil eines erfindungsgemäßen Sensors
wird im Wesentlichen durch eine Signalverarbeitungseinheit realisiert,
wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist. Die Signalverarbeitungseinheit
gemäß 2 weist
einen Anschluss 1 auf, über
welchen die Signalverarbeitungseinheit mit einem Wandlerelement
verbunden werden kann. Die Signalverarbeitungseinheit bildet dann
mit dem an dem Anschluss 1 angeschlossenen Wandlerelement
einen erfindungsgemäßen Sensor. Über einen Ausgang 2 kann
die Signalverarbeitungseinheit mit einem elektrischen Gerät beispielsweise
mit einem Steuergerät
SG, wie in 1 dargestellt, verbunden werden.
Zwei Anschlüsse 3, 4 dienen
im Wesentlichen der Versorgung der Signalverarbeitungseinheit mit
elektrischer Energie (Betriebsspannung).
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Die
in der 2 dargestellte Signalverarbeitungseinheit hat
verschiedene Funktionen, die in der 2 als Blöcke dargestellt
sind. Die verschiedenen Blöcke
sind über
Pfeile miteinander verbunden, wobei diese Pfeile, die entweder mit
durchgezogenen, gestrichelten oder punktierten Linien dargestellt
sind, verschiedene Informationsflüsse innerhalb der Signalverarbeitungseinheit
darstellen. Die Funktionen der Signalverarbeitungseinheit werden
im Folgenden näher
beschrieben.
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Das
von dem Wandlerelement am Eingang 1 der Signalverarbeitungseinheit
zur Verfügung
gestellte analoge Signal, wird, nachdem es innerhalb der Signalverarbeitungseinheit
auf verschiedene Art und Weise be- beziehungsweise verarbeitet wurde,
am Ausgang 2 zur Verfügung
gestellt. Das am Eingang 1 zunächst analoge Signal wird dabei
zum Sensorsignal des Sensors, das am Ausgang 2 abgreifbar
ist. Der Transport des Signals ist durch die Pfeile mit den durchgezogenen
Linien dargestellt. Demzufolge wird das am Eingang 1 von
dem zugeordneten Wandlerelement zur Verfügung gestellte analoge Signal
zunächst
verstärkt
(dreieckiges Verstärkersymbol)
und anschließend
einer Signalaufbereitung A zugeführt. Unter
Zwischenschaltung eines Schalters (siehe Schaltersymbol) wird das
aufbereitete Signal einer Endstufe (siehe Transistorsymbol) zugeführt. Die Endstufe
verstärkt
das Signal so, dass es als Sensorsignal der gewünschten Art an der Schnittstelle,
d. h. am Ausgang 2, des Sensors zur Verfügung gestellt wird.
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Die
in der 2 dargestellte Signalverarbeitungseinheit ist
so ausgestaltet, dass verschiedene Funktionen der Signalverarbeitungseinheit
durch eine von außen
vorgegebene Programmierung eingestellt werden können. Dazu weist die Signalverarbeitungseinheit
einen als Programmiereinrichtung P bezeichneten Funktionsblock auf. Über die
Anschlüsse 1, 2, 3, 4 kann
die Programmiereinrichtung von außen angesteuert werden, was
durch die Pfeile mit den gestrichelten Linien dargestellt ist. Von
der Programmiereinrichtung ausgehend können dann die weiteren Funktionsblöcke der
Signalverarbeitungseinheit eingestellt werden. Dabei handelt es
sich zum Einen um den bereits erwähnten Verstärker, die Signalaufbereitung
A, den Schalter und die Endstufe und zum Anderen um weitere Funktionsblöcke wie
einem inneren Taktgeber (Clock C), eine als Watchdog bezeichnete Überwachungseinrichtung,
eine Stromversorgungseinrichtung S und ein Mittel zur Diagnose D. Die
Möglichkeit
der Programmierung der aufgezählten
Funktionsblöcke
der Signalverarbeitungseinheit ist ebenfalls durch Pfeile mit gestrichelten
Linien dargestellt.
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Der
Funktionsblock „Mittel
zur Diagnose" D hat
die Funktion, die verschiedenen anderen Funktionsblöcke auf
ihre einwandfreie Funktion hin zu überwachen. Dieses ist durch
Pfeile mit punktierten Linien in 2 dargestellt.
Sobald das Mittel zur Diagnose D in einem der überwachten Funktionsblöcke eine fehlerhafte
Funktion entdeckt, bewirkt das Diagnosemittel D das am Ausgang 2 anstelle
des möglicherweise
fehlerhaften Sensorsignals ein besonderes Fehlersignal zur Verfügung gestellt
wird, anhand dessen ein Benutzer oder eine Überwachungseinrichtung feststellen
kann, dass die Funktion des Sensors gestört ist. Dazu wirkt das Diagnosemittel
auf den Schalter ein. Vorzugsweise zeigt die Signalverarbeitungseinheit
auch die Art und den Ort des Fehlers an, so dass gezielt nach der
Fehlerursache gesucht werden kann, und es so möglich ist, den Fehler schneller zu
beseitigen.
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Ein
erfindungsgemäßer Sensor
kann im übrigen
auch so ausgestaltet sein, dass das Wandlerelement integrierter
Bestandteil der Signalverarbeitungseinheit ist. Dieses hat den Vorteil,
dass dann auch das Wandlerelement durch das Diagnosemittel ohne
größeren Aufwand überwacht
werden kann.
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Ein
solches integriertes Wandlerelement ist bei den Sensoren gemäß der 2 vorhanden.
Das Wandlerelement ist bei den Sensoren gemäß 2 als Funktionsblock
innerhalb der Signalverarbeitungseinheit vorgesehen und in der Darstellung
der 3 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Die Sensoren gemäß der 3,
die im übrigen
identisch ausgebildet sind, weisen daher keinen Anschluss zum Anschließen eines
Wandlerelements auf.
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Die
Sensoren gemäß 3 sind
ebenso programmierbar wie der Sensor beziehungsweise die Signalverarbeitungseinheit
gemäß 2.
Die Programmierung erfolgt dabei über den Ausgang 2 und Anschlüsse 3, 4 für die Betriebsspannung.
Die Programmierinformationen werden an eine Programmiereinrichtung
P geleitet, welche dann die Einstellung der verschiedenen Funktionsblöcke vornimmt. Der
Weg der Programmierinformationen von den Anschlüssen 2, 3, 4 zur
Programmiereinrichtung und von der Programmiereinrichtung zu den
zu programmierenden Funktionsblöcken
ist wie auch schon in 2 durch Pfeile mit gestrichelten
Linien dargestellt.
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Die
das eigentlich interessierende Signal, nämlich das als Sensorsignal 2 am
Ausgang zur Verfügung
gestellte vom integrierten Wandlerelement I gemessene Signal wird
in einem Verstärker
(dreieckiges Verstärkersymbol)
zunächst
verstärkt
in einer Signalaufbereitung A aufbereitet, anschließend über einen
Schalter zu einer Endstufe (Transistorsymbol) geleitet, von welcher
aus es als Sensorsignal am Ausgang 2 zur Verfügung gestellt
wird. Über
den Schalter kann ein Diagnosemittel Einfluss auf das am Ausgang 2 zur
Verfügung
gestellte Signal nehmen und kann dafür Sorge tragen, dass anstelle
des Sensorsignals ein Fehlersignal am Ausgang 2 zur Verfügung gestellt
wird. Das Diagnosemittel bewirkt, dass am Ausgang 2 ein
Fehlersignal zur Verfügung
gestellt wird, sobald ein Fehler innerhalb des Sensors auftritt, der
dazu führt,
dass ein Gleichlauf der beiden Sensoren in 3 nicht
mehr gewährleistet
ist.
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Die
beiden in den 3 dargestellten Sensoren sind,
wie bereits ausgeführt,
identisch aufgebaut. Sie dienen der redundanten Messung der gleichen
physikalischen Größe. Daher
müssen
bei einem fehlerfreien Betrieb beider Sensoren an den Ausgängen 2 der
beiden Sensoren identische Sensorsignale oder Signale mit Informationsgehalt
vorliegen. Sobald also am Ausgang 2 verschiedene Sensorsignale
zur Verfügung
stehen, muss in einem der beiden Sensoren ein Fehler vorliegen.
Damit ein solcher Fall, dass zwei verschiedene Sensorsignale an den
Ausgängen 2 zur
Verfügung
gestellt werden, nicht vorkommt, sind bei den erfindungsgemäßen Sensoren
gemäß 3 Mittel
zur Überwachung
des Gleichlaufs (Gleichlaufüberwachungsmittel,
G) vorgesehen. Diese Gleichlaufüberwachungsmittel überwachen
das von dem Funktionsblock „Signalaufbereitung" A zur Verfügung gestellte
Signal. Die beiden Gleichlaufüberwachungsmittel
der beiden Sensoren sind untereinander verbunden, so dass die Gleichlaufüberwachungsmittel
Informationen über
das von der Signalaufbereitung A des jeweils anderen Sensors zur
Verfügung
gestellte Signal bekommen und den Gleichlauf der beiden Signale überwachen
können.
Unterscheiden sich die beiden Signale, die von den Funktionsblöcken „Signalaufbereitung" A zur Verfügung gestellt
werden, um mehr als ein tolerierbares Maß, melden die Gleichlaufüberwachungsmittel
den Diagnosemitteln der Sensoren, dass ein Gleichlauf zwischen den
beiden Sensoren nicht mehr vorliegt. Das Diagnosemittel des fehlerhaften
Sensors beeinflusst den Schalter daraufhin so, dass am Ausgang 2 des
Sensors anstelle des Sensorsignals ein Fehlersignal abgegriffen
werden kann.
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Die
Sensoren gemäß der 3 können im übrigen auch
so eingerichtet werden, dass die Diagnosemittel bei einem von den
Gleichlaufüberwachungsmitteln
gemeldeten Fehler die einzelnen Funktionsblöcke auf ihre fehlerfreie Funktionsfähigkeit überprüfen und
dann nur der Sensor ein Fehlersignal am Ausgang 2 zur Verfügung stellt,
dessen Diagnosemittel einen fehlerhaften Funktionsblock diagnostiziert
hat.