DE102006045893A1

DE102006045893A1 - Automatische Verschiebung des Messwerterfassungsbereichs einer sensorischen Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102006045893A1
Application number: DE200610045893
Authority: DE
Inventors: Dieter Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10, 20) und ein Verfahren zum automatischen Verschieben des Messwerterfassungsbereichs einer sensorischen Meselektrische Messsignale (SA) umgewandelten Werte (SE) einer physikalischen Messgröße von einer Signalverschiebeeinrichtung (2) so verschoben werden, dass sich die Werte der verschobenen Messsignale (SK) innerhalb des Eingangssignalbereichs $I1 einer Messwerterfassung (3, 4) befinden.

Description

Die Erfindung betrifft die Erfassung von Messwerten mithilfe von Sensoren und insbesondere die Erfassung von Sensormesswerten über einen großen Messbereich bei hoher Genauigkeit.
Sensoren werden allgemein zur Umwandlung einer physikalischen Messgröße in elektrische Signale verwendet. Typische Messgrößen sind z.B. Druck, Beschleunigung, Gewicht, Lichtstärke, Temperatur, Strahlung, Schall, Magnetfluss, Drehzahl und dergleichen mehr. Der jeweilige Wert des im Folgenden als Messsignal bezeichneten Ausgangssignals eines Sensors repräsentiert dabei jeweils einen bestimmten Wert der umgewandelten physikalischen Größe.
Die Genauigkeit, mit der das Messsignal die Messgröße wiedergibt, wird im Wesentlichen vom dem im Sensor verwendeten Wandlungsprinzip und seiner konstruktiven Auslegung bestimmt. Die Genauigkeit der Messwerterfassung durch den Sensor kann über den gesamten Messbereich konstant sein; sie kann sich aber auch über dem Messbereich verändern.
Bei analog erfassten Messgrößen liefert ein Sensor in der Regel ein analoges Messsignal, das, häufig Offset-bereinigt, zur digitalen Weiterverarbeitung üblicherweise mittels eines Analog-Digitalwandlers in ein digitales Signal bestimmter Bittiefe umgewandelt wird. Unter Bittiefe wird hierbei die Anzahl der Bits verstanden, die zur digitalen Darstellung des Messsignals verwendet wird. Die Auflösung des digital dargestellten Messsignals entspricht dem Wert, der von dem niedrigsten Bit repräsentiert wird. Bei gegebenem Eingangssignalbereich Û und gegebener Bittiefe b eines Analog-Digitalwandlers erhält man dessen Auflösung δÛ nach der Gleichung: δÛ = Û/(2b) (1)
Bei einem Eingangssignalbereich von Û = 20 V und einer Bittiefe des Analog-Digitalwandlers von b = 12 Bit erhält man demnach eine Auflösung von δÛ = 10 V/4096 ≅ 4,88 mV/Bit. Bei einer Bittiefe von b = 16 Bit erhält man bei gleichem Eingangssignalbereich eine Auflösung von δÛ = 10 V/65536 ≅ 0,31 mV/Bit.
Mit der Bittiefe eines Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandler) steigen jedoch der technische Aufwand zu seiner Realisierung und damit auch sein Preis um ein Vielfaches an. Der in der Automobilindustrie wie auch in vielen anderen Branchen bestehende Kostendruck gestattet es im Allgemeinen nicht, zur Verbesserung der Auflösung einer Messsignaldigitalisierung einen A/D-Wandler höherer Bittiefe zu verwenden.
Daher bieten einige Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) die Möglichkeit den Eingangssignalbereich zum Verbessern der Auflösung einzuschränken. Reduziert man mit einer entsprechenden, üblicherweise als "gain" bezeichneten Einrichtung den Eingangssignalbereich von z.B. Û = 20 V auf Û₁ = 10 V, so erhält man bei einem 12 Bit-A/D-Wandler (A/D-Wandler mit einer Auflösung von 12 Bit) eine Auflösung von δÛ₁ = 2,44 mV/Bit, bei einem 16 Bit-A/D-Wandler eine Auflösung von δÛ₁ = 0,15 mV/Bit. Diese Lösung ist jedoch nur dann praktikabel, wenn der Wertebereich des Messsignals den eingeschränkten Eingangssignalbereich des A/D-Wandler nicht überschreitet.
Ist ein gegebener Eingangssignalbereich eines bestimmten A/D-Wandlers kleiner als ein vorgegebener Messbereich, so kann das Messsignal über einen Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor kleiner Eins an den Eingangssignalbereich angepasst werden. Dies hat allerdings zur Folge, dass sich bezüglich des Messsignals die Auflösung der Digitalisierung entsprechend dem Kehrwert des Verstärkungsfaktors verschlechtert. Zudem wird eine weitere Rauschquelle eingeführt, die das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des am A/D-Wandler anliegenden Ein gangssignals beeinträchtigt, und hierüber die Qualität der Signalverarbeitung verschlechtert.
Gegenwärtig kann die Auflösung, mit der ein Messsignal von einem A/D-Wandler digitalisiert wird nur durch Einschränkung seines Wertebereichs oder durch Erhöhen der Bittiefe des die Wandlung vornehmenden A/D-Wandler erreicht werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, eine Messsignaldigitalisierung mit der bei einem gegebenen A/D-Wandler maximal möglichen Auflösung auch dann auszuführen, wenn der Wertebereich des Messsignals den Eingangssignalbereich des A/D-Wandlers überschreitet.
Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der Erfindung gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum automatischen Verschieben des Messwerterfassungsbereichs einer sensorischen Messeinrichtung mit einem Sensor, einer Signalverschiebeeinrichtung, einer Vergleichseinrichtung und einer Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung. Der Sensor der Vorrichtung ist zur Umwandlung eines Werts einer physikalischen Messgröße in ein elektrisches Messsignal ausgebildet. Die Signalverschiebeeinrichtung dient dem Bilden eines verschobenen Messsignals durch Verschieben des elektrischen Messsignals. In der Vergleichseinrichtung wird das verschobene Messsignal mit einem Schwellwert verglichen und die Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung dient dem Erzeugen eines Verschiebesignals auf der Grundlage des von der Vergleichseinrichtung durchgeführten Vergleichs. Die Signalverschiebeeinrichtung ist hierbei zum Verschieben des elektrischen Messsignals unter Verwendung des Verschiebesignals ausgebildet.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell das Vorhandensein von Merkmalen, wie z.B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen mehr angeben, jedoch in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung umfasst ferner Verfahren zur Verschiebung des Messwerterfassungsbereichs einer sensorischen Messeinrichtung mit Schritten zum Abfragen eines Messwerts, zum Vergleichen des abgefragten Messwerts mit zumindest einem Vergleichswert und zum Anpassen eines Verschiebesignals zum Verschieben des Messwerts so, dass der Messwert einen Wert zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert annimmt.
Die Erfindung gestattet auf vorteilhafte Weise das automatische Nachführen des Eingangssignalbereichs einer Messwerterfassung wie z.B. des Eingangs eines Analog-Digitalwandlers an Messsignale, deren Werte außerhalb dieses Eingangssignalbereichs liegen. Damit kann die volle Auflösung der Messwerterfassung genutzt werden womit trotz großem Messbereich eine hohe Genauigkeit der Messwerterfassung erreicht wird ohne das Signal-zu-Rauschverhältnis der Messwerterfassung zu beeinträchtigen. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung einer bei vielen Sensoren oftmals vorhandene Offsetregelung zur Verschiebung des Messwerterfassungsbereichs zu nutzen, so dass die erzielte hohe Genauigkeit der Messwerterfassung über einen großen Messwerterfassungsbereich ohne zusätzlichen Hardwareaufwand realisiert werden kann.
Die Erfindung wird in ihren Unteransprüchen weitergebildet.
Vorteilhaft ist die Signalverschiebeeinrichtung als Subtrahierstufe zur Bildung eines Differenzsignals zwischen einem elektrischen Messsignal und einem Verschiebesignal ausgebildet, sodass die Bildung eines Messwerts aus der Differenz des Messsignals des Sensors und dem Verschiebesignal mit einfachen und kostengünstigen schaltungstechnischen Mitteln zu realisiert werden kann.
Die Vergleichseinrichtung ist zweckmäßig dazu ausgebildet, die Differenz zwischen dem von der Signalverschiebeeinrichtung gebildeten verschobenen Messsignal und einem ersten Grenzwert zu bilden, sodass auf einfache Weise bestimmt werden kann, ob sich das mit dem aktuellen Verschiebesignal erzeugte verschobene Messsignal innerhalb des Eingangssignalbereichs der Messwerterfassung befindet. Statt des von der Signalverschiebeeinrichtung gebildeten Messwerts, d.h. dem verschobenen Messsignal, kann auch ein Mittelwert der Messsignale des Sensors von der Vergleichseinrichtung verwendet werden.
Die Vergleichseinrichtung ist weiterhin vorteilhaft zur Bildung der Differenz zwischen dem von der Signalverschiebeeinrichtung gebildeten verschobenen Messsignal und einem zweiten Grenzwert ausgebildet, sodass das die Veränderung des Verschiebesignals fallabhängig vorgenommen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung ferner ausgebildet, das Verschiebesignals entsprechend der von der Vergleichseinrichtung festgestellten Differenz zu verändern um die Nachführung des Verschiebsignals situationsabhängig vornehmen zu können. Hierbei ist die Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung zweckmäßigerweise ausgebildet, das Verschiebesignal um einen bestimmten Betrag zu verändern, wenn die Differenz des verschobenen Messsignals zu dem ersten Grenzwert und/oder zu dem zweiten Grenzwert einen festgelegten Wert unterschreitet oder überschreitet. Da hierbei ein Anpassen des Verschiebe signals durch Erhöhen oder Erniedrigen des Verschiebesignals um einen festgelegten Wert erfolgt, wird eine schritt- bzw. stufenweise Anpassung des Verschiebesignals an eine Änderung des Messwertebereichs erzielt. Der festgelegte Wert entspricht zweckmäßig der Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert um ein Driften der Messsignale aus dem Eingangssignalbereich der Messwerteerfassung zu verhindern.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung ist die Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung ausgebildet, das Verschiebesignals so zu erzeugen, dass das damit in der Signalverschiebeeinrichtung gebildete verschobene Messsignal einen Wert zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert annimmt, und dadurch eine kontinuierliche oder in diskreten Schritten erfolgende Anpassung an einen sich verschiebenden Messbereich ermöglicht. Das Anpassen des Verschiebesignals erfolgt hierbei zweckmäßig durch Verändern des Verschiebesignals um einen Wert, der in etwa der Differenz zwischen dem Mittelwert der Messsignale und dem Vergleichswert entspricht.
Zur Messung von Beschleunigungswerten wird der Sensor bevorzugt von einem piezoresistiven oder einem kapazitiven Beschleunigungssensor gebildet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung je für sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Erfassung von Sensordaten zeigt,
2 eine Sensorkennlinie mit Kennzeichnung von Messsignalbereich und Eingangssignalbereich des Analog-Digitalwandlers zeigt,
3 ein Beispiel für eine Verschiebung des Messsignalbereichs veranschaulicht,
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der von einer Anordnung nach 1 vorgenommenen Messsignalverschiebung zeigt,
5 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Erfassung von Sensordaten zeigt und
6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der von einer Anordnung nach 5 vorgenommenen Messsignalverschiebung zeigt.
1 zeigt eine Anordnung 10 zur Erfassung von Sensordaten. Die Anordnung 10 umfasst einen Sensor 1, dessen Ausgang mit dem nichtinvertierenden (+) Eingang einer analoge Signale verarbeitenden Subtrahierstufe 2 verbunden ist. Der Ausgang der Subtrahierstufe 2 ist mit dem Eingang eines Analog-Digitalwandlers 3 verbunden, der das Ausgangssignal der Subtrahierstufe 2 in ein digitales Signal umwandelt und dieses schließlich an einen Eingang einer digitalen Steuereinheit 4 zur Weiterverarbeitung weiterleitet.
Da bei der überwiegenden Anzahl der heute üblichen Anforderungen zur Beeinflussung eines Ausgangssignals sowohl steuerungstechnische wie auch regelungstechnische Mechanismen wahlweise oder in Mischform eingesetzt werden, wird in dieser Beschreibung nicht zwischen den Begriffen "Steuern" und "Regeln" unterschieden. Vielmehr werden in dieser Schrift, sofern im Einzelfall nicht ausdrücklich anders angegeben, beide Begriffe und deren grammatikalischen Abwandlungen gleichbe deutend als Synonym sowohl für Steuern als auch für Regeln verwendet. Daher umfasst der Begriff Steuereinheit eine Einrichtung, die sowohl zum Steuern als auch zum Regeln ausgebildet sein kann.
Das Ausgangssignal S_A eines Sensors 1 ist, wie es in der 2 beispielhaft für einen Sensor mit linearer Kennlinie veranschaulicht ist, im Allgemeinen nicht Null, wenn der Wert der durch das Ausgangssignal repräsentierten Eingangsgröße S_E den Wert Null annimmt. Vielmehr lässt sich die Kennlinie eines Sensors, d.h. der Verlauf des Sensorausgangssignals S_A allgemein als Funktion der vom Sensor erfassten Eingangsgröße S_E durch folgende Gleichung darstellen: SA = a0 + f(SE); (2)
Wobei a₀ den Schnittpunkt der Kennlinie mit der Ordinate angibt und f(S_E) eine beliebige Funktion mit der Bedingung f(S_E) = 0 für S_E = 0 darstellt. Der Achsversatz a₀ wird generell als Offset bezeichnet.
Kann ein Analog-Digitalwandler 3 nur positive Spannungen digitalisieren und erstreckt sich der mit dem Sensor zu erfassende Messbereich ΔS_E nur auf Werte von S_E > 0, so bliebe durch den Offset ein oft nicht unerheblicher Teil des Eingangssignalbereichs Û eines Analog-Digitalwandlers 3 ungenutzt. Im Ergebnis wird der mögliche Messbereich durch den Offset eingeschränkt.
Im Allgemeinen Fall werden jedoch wie in der 2 dargestellt sowohl positive als auch negative Eingangssignale S_E erfasst. Entsprechend dem Messbereich ΔS_E mit Werten einer physikalischen Messgröße S_E aus einem Intervall mit S_EMIN ≤ S_E ≤ S_Emax liefert der Sensor 1 Messsignale S_A in einem Bereich ΔS_A mit Werten S_A aus einem Intervall mit S_Amin ≤ S_A ≤ S_Amax. Dieser Bereich ΔS_A liegt meist nicht vollständig innerhalb des Eingangssignalbereichs Û des Analog-Digitalwandlers 3, sondern ist diesem gegenüber verschoben.
Damit der Eingangssignalbereich Û des Analog-Digitalwandlers 3 vollständig zur Digitalisierung der Werte S_A aus dem Messbereich ΔS_A genutzt werden kann, muss der Sensorausgangsbereich ΔS_A im Allgemeinen entsprechend verschoben werden. Hierzu dient die Subtrahierstufe 2, bei der ein am invertierenden (-) Eingang anliegendes Verschiebesignal S_K von dem am nichtinvertierenden Eingang anliegenden Sensorausgangssignal S_A subtrahiert wird.
Bei einer symmetrischen Überlagerung des Sensorausgangsbereichs ΔS_A mit dem Eingangsignalbereichs Û eines Analog-Digitalwandlers bestimmt sich der Wert des erforderlichen Verschiebesignals S_K aus dem Offset a₀ des Sensors 1 und dem zu erfassenden Messwertebereich ΔS_E gemäß der folgenden Gleichung: SK = a0 + [f(SEmin) + f(SEmax)]/2 – [UADmin + UADmax]/2; (3)
Hierin bedeutet a₀ den Offsetwert, der mittels einer Kalibrierung des Sensors ermittelt werden kann. Liegt keine Verschiebung des Messwerteerfassungsbereichs vor, so entspricht S_K dem Offset des Sensors a₀. In vielen Fällen wird der Offset eines Sensors bereits im Werk von den Herstellern bestimmt und angegeben. Einige Hersteller bieten eine der in der 1 dargestellten Anordnung 10 ähnlichen Messwerterfassung als bereits integrierte Schaltung an, bei der der im Werk bestimmte Offsetwert in einer (in der 1 nicht dargestellten) Speichereinrichtung der Steuereinheit 4 gespeichert und statisch über die Subtrahierstufe 2 von den Sensorausgangssignalen subtrahiert wird.
In Gleichung 3 bedeuten S_Emin ferner den minimalen und S_Emax den maximalen Wert des Messwertebereichs ΔS_E; entsprechend U_ADmin den minimalen und U_ADmax den maximalen Wert des Eingangsignalbereichs Û des Analog-Digitalwandlers 3.
Über einen Ausgang der digitalen Steuereinheit 4 wird der Wert des erforderlichen Verschiebesignals S_K an einen Digital-Analogwandler 7 weitergeleitet, worin er in ein seinem Wert entsprechendes analoges Signal, beispielsweise eine bestimmte Spannung, umgewandelt und schließlich dem invertierenden Eingang der Subtrahierstufe 2 zugeführt wird. Im Ergebnis wird das Sensorausgangsignal S_A in der Subtrahierstufe 2 um den Wert S_K erniedrigt, sodass am Analog-Digitalwandler 3 das um das Verschiebesignals S_K versetzte Signal SA' = SA – SK; (4)anliegt und somit der gesamte Eingangssignalbereich Û des Analog-Digitalwandlers 3 für die Erfassung der Messwerte S_A genutzt werden kann.
Die bisherigen Annahmen setzen voraus, dass der Messsignalbereich ΔS_A kleiner oder gleich dem Eingangssignalbereich Û des Analog-Digitalwandlers 3 ist. Der vollständige Messbereich ΔS_E wird im Allgemeinen jedoch von einem Messsignalbereich ΔS_A repräsentiert, der weitaus größer als der Eingangssignalbereich des Analog-Digitalwandlers 3 ist.
Um nun den Messbereich ΔS_E der Anordnung 10 zu erweitern ohne die Auflösung der Messsignaldigitalisierung 3 zu verschlechtern, wird von einer Verschiebesignalerzeugungseinrichtung 6 der Steuereinheit 4 ein variabler Wert für das Verschiebesignal S_K so erzeugt, dass das am Ausgang der Subtrahierstufe 2 verfügbare kompensierte Messsignal S_A' stets einen Wert innerhalb des Eingangssignalbereichs Û des Analog-Digitalwandlers 3 aufweist. Mit anderen Worten wird das Verschiebesignal S_K entsprechend dem aktuellen Wert des Messsignals S_A nachgeführt. Der tatsächliche Wert des Messsignals S_A ergibt sich dann als Summe des kompensierten Messsignals S_A' und des Verschiebesignals S_K.
Die Nachführung des Verschiebesignals S_K kann auf verschiedene Weise erfolgen.
In der in der 1 veranschaulichten Ausführungsform enthält die Steuereinheit 4 eine Verschiebesignalerzeugungseinrichtung 6 zum Erzeugen eines Werts bzw. Signals für die Verschiebung des digitalisierbaren Messsignalbereichs ΔS_A. Dieser Einrichtung 6 ist eine Vergleichseinrichtung 5 vorgeschaltet, in der der Wert des aktuellen kompensierten Messsignals S_A' mit einem Vergleichswert verglichen wird. Die Erzeugung des Verschiebesignals, d.h. die Festlegung der Größe bzw. des Werts des Verschiebesignals wird in der Verschiebesignalerzeugungseinrichtung 6 auf der Grundlage des in der Vergleichseinrichtung 5 durchgeführten Vergleichs in einer ersten Ausführungsform so vorgenommen, dass der Wert des Verschiebesignals S_K verändert wird, sobald sich der Wert des aktuellen kompensierten Messsignals S_A' in der Nähe einer Grenze U_ADmin oder U_ADmax des Eingangssignalbereichs Û des Analog-Digitalwandler 3 befindet. Die Veränderung des aktuellen kompensierten Messsignals S_A' erfolgt dabei so, dass sich das mit dem veränderten Wert des Verschiebesignals S_K kompensierte Messsignals S_A' näher an der gegenüberliegenden Grenze des Eingangssignalbereichs des Analog-Digitalwandlers 3 befindet.
Im Endeffekt wird der zur Digitalisierung verwendete Eingangssignalbereich Û des Digitalwandlers 3 wie ein Messfenster adaptiv über den Messsignalbereich ΔS_A des Sensors 1 verschoben, so dass eine Reihe von sich überlappenden Messbereichen ΔS_Ex erzielt wird. Dies ist in der 3 anschaulich illustriert.
In der 4 sind die grundlegenden Verfahrensschritte dargestellt, die von der Verschiebesignalerzeugungseinrichtung 6 ausgeführt werden, um ein sich außerhalb oder nahe einer Grenze des Eingangssignalbereichs Û des Analog-Digitalwandlers 3 befindendes Messsignal S_A in ein kompensiertes Messsignal S_A' zu überführen, das sich innerhalb des Eingangssignalbereichs befindet.
Nach dem Beginn des Verfahrens in Schritt S0 wird zunächst in Schritt S1 der aktuelle Wert des kompensierten Messsignals S_A' abgefragt, wie er vom Analog-Digitalwandler 3 an die Steuereinheit 4 übertragen wird. Im folgenden Schritt S2 wird überprüft, ob sich der aktuelle Wert des kompensierten Messsignals S_A' innerhalb des Überlaufbereichs oder innerhalb des Unterlaufbereichs des Analog-Digitalwandlers 3 befindet. Als Überlaufbereich wird hierbei ein bestimmter Wertebereich bzw. Signalbereich an der oberen Grenze des Eingangssignalbereichs Û verstanden. Ist das kompensierte Messsignal S_A' größer als der obere Wert U_ADmax des Eingangssignalbereichs, so wird auch das als Überlauf behandelt. Das für den Überlauf erläuterte gilt für den Unterlauf analog, so dass jedes kompensierte Messsignal S_A', das sich unterhalb oder innerhalb eines bestimmten Werte- bzw. Signalbereichs an der unteren Grenze U_ADmin des Eingangssignalbereichs Û befindet, als im Unterlauf befindlich behandelt wird. Befindet sich der Wert des kompensierten Messsignals S_A' weder im Unter- noch im Überlauf, fährt das Verfahren mit der Abfrage des nächsten Messwerts in Schritt S1 fort. Andernfalls passt es den Wert des Verschiebesignals S_K in Schritt S3 so an, dass das mit diesem Wert kompensierte Messsignal S_A' sich entweder in einem Bereich zwischen Unterlauf und Überlauf, oder im Bereich der entgegengesetzten Grenze des Eingangssignalbereichs befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der gesamte verfügbare Bereich ΔS_A an Messsignalen S_A in Sektoren ΔS_Ax unterteilt, wobei die Größe eines jeden Sektors kleiner oder gleich der Größe des Eingangssignalbereichs Û ist. Sobald die Verschiebesignalerzeugungseinrichtung 6 einen Überlauf fest stellt, wird der Wert des Verschiebesignals S_K so erhöht, dass sich das Messfenster 30 in den nächst höheren Sektor ΔS_Ax+1 verschiebt. Befindet sich das kompensierte Messsignal S_A' auch nach der Anpassung in Schritt S3 noch im Überlauf, so wird der Vorgang wiederholt, bis das Messfenster 30 mit dem Sektor ΔS_Ax+i übereinstimmt, in dem sich das aktuelle Messsignal S_A befindet. Dasselbe gilt analog für den Unterlauf. Sobald die Verschiebesignalerzeugungseinrichtung 6 einen Unterlauf feststellt, wird der Wert des Verschiebesignals S_K so erniedrigt, dass sich das Messfenster 30 in den nächst niedrigeren Sektor ΔS_Ax-1 verschiebt. Befindet sich das kompensierte Messsignal S_A' auch nach der Anpassung in Schritt S3 noch im Unterlauf, so wird der Vorgang wiederholt, bis das Messfenster 30 mit dem Sektor ΔS_Ax-i übereinstimmt, in dem sich das aktuelle Messsignal S_A befindet.
In der 5 ist eine weitere vorteilhafte Anordnung 20 zur Erfassung von Sensordaten dargestellt, die es auf dynamische Weise ermöglicht, Messsignale eines Sensors 1 über einen großen Messbereich ΔS_E mit der maximalen Auflösung δÛ eines Analog-Digitalwandlers zu digitalisieren.
Bei dieser Anordnung 20 zur dynamischen Anpassung des Verschiebesignals S_K werden die vom Sensor 1 ausgegebenen Messsignale S_A parallel an eine Subtrahierstufe 2 und eine Stufe 8 zur Bildung eines Mittelwerts geleitet. Über einen Multiplexer 9 werden der Ausgang der Subtrahierstufe 2 und der Ausgang der Mittelwertbildungseinrichtung 7 abwechselnd zur Digitalisierung an den Analog-Digitalwandler 3 weitergeleitet. Die Mittelwertbildungseinrichtung 7 umfasst eine (in der Figur nicht gezeigte) Kompensationseinrichtung zur Bildung eines kompensierten Mittelwerts, der an den Eingangssignalbereich des A/D-Wandlers 3 angepasst ist. Die Kompensation kann z.B. mittels einer Subtraktion des Verschiebesignals S_K analog zur Subtrahierstufe 2 erfolgen. Die Kompensation kann jedoch beispielsweise auch über eine Quotientenbildung aus Mittelwert und einem Nenner vorgenommen werden, bei der der Nen ner einen, den augenblicklichen Messsignalbereich ΔS_Ax repräsentierenden, Wert annimmt. Die Differenz- oder Quotientenbildung kann schaltungstechnisch in der Mittelwertbildungseinrichtung 7 selbst, in dem nachfolgenden Multiplexer 9 oder einer eigenen Einrichtung ausgebildet werden, wobei die Quotientenbildung über einen Spannungsteiler realisiert werden kann. Die Verarbeitung des über die Subtrahierstufe 2 kompensierten Messsignals S_A', wie auch die Verarbeitung des unter Umständen kompensierten Mittelwerts
des Messsignals S_A, erfolgen in der Steuereinheit 4. Die Steuereinheit 4 umfasst eine Vergleichseinrichtung 5 und eine Verschiebesignaleinrichtung 6, die im Zusammenwirken und auf der Grundlage des von der Mittelwertbildungseinrichtung 8 gebildeten, und von dem Analog-Digitalwandler 3 digitalisierten Messsignalmittelwerts
einen Wert für das Verschiebesignal S_K bestimmen. Dieser Wert wird über den Digital-Analogwandler 7 in ein analoges Verschiebesignal S_K umgewandelt und an den invertierenden Eingang der Subtrahierstufe 2 geleitet. In der Subtrahierstufe 2 wird das Verschiebesignals S_K vom Messsignal S_A zur Bildung des kompensierten Messsignals S_A' abgezogen.
Die Anordnung 20 zur dynamischen Anpassung des Verschiebesignals S_K gestattet eine kontinuierliche Nachführung des Messfensters an den aktuellen Messsignalwert S_A, die insbesondere bei schnellen Signaländerungen gewährleistet, dass der Messsignalwert S_A nicht aus dem aktuellen Messfenster gleitet.
Die Bestimmung des Verschiebesignalwerts S_K durch die Einrichtung zur Verschiebung des Signalbereichs 6 umfasst dabei das in dem Flussdiagramm der 6 skizzierte Verfahren. Nach dem Beginn des Verfahrens in Schritt S0' wird in Schritt S1' der aktuelle Mittelwert
des Messsignals S_A in seiner digitalisierten Form abgefragt. Dieser wird in der Vergleichseinrichtung 5 mit einem Vergleichswert, vorzugsweise einem Wert, der in etwa der Mitte des Eingangssignalbereichs Û des Analog-Digitalwandlers entspricht verglichen. Besteht eine Differenz zwischen dem Vergleichswert und dem aktuelle Mittelwert
so wird der Verschiebesignalwerts S_K von der Verschiebesignalerzeugungseinrichtung 6 so angepasst, dass die Differenz zwischen dem Mittelwert
und dem Vergleichswert gegen Null geht.
Die beschriebenen Ausführungsformen zur Erfassung eines großen Messbereichs mit konstant bestmöglicher Auflösung sind auf die Erfassung von Messwerten mit beliebigen Sensoren anwendbar. Insbesondere kann bei der Erfassung von Beschleunigungswerten ein piezoresistiver oder kapazitiver Sensor verwendet werden, dessen Ausgangssignalbereich wesentlich größer als der Eingangssignalbereich eines zur Digitalisierung der Messwerte verwendeten Analog-Digitalwandlers ist. Die Erfindung ermöglicht hierbei z.B. den Messbereich bei Verwendung eines 12 Bit-Analog-Digitalwandlers von 20 g auf 120 g bei gleich bleibender Auflösung zu erweitern. Selbstverständlich ist das Prinzip auch auf Sensoren für die Messung von Druck, Gewicht, Lichtstärke, Temperatur, Strahlung, Schall, Magnetfluss, Drehzahl und dergleichen mehr anwendbar.
Bisher wurde die Anordnung unter Bezug auf eine digitale Messdatenerfassung beschrieben, wobei davon ausgegangen wurde, dass der Eingangssignalbereich Û eines zur Digitalisierung von analogen Sensormesssignalen verwendeten Analog-Digitalwandlers kleiner als der von den Messsignalen des Sensors abgedeckte Bereich ΔS_A ist.
Für den Fachmann ist es jedoch selbstverständlich das beschriebene Konzept auch auf eine analoge Sensorsignalerfassung anzuwenden. In diesem Fall liegt ein Sensor vor, dessen Messbereich ΔS_E von Ausgangssignalen innerhalb eines bestimmten Messsignalbereichs ΔS_A repräsentiert wird, dessen Umfang größer als der Eingangssignalbereich Û z.B. einer Messwertaufzeichnungseinrichtung ist. Damit die Messsignale dennoch über den gesamten Messsignalbereich aufgezeichnet werden können, wird das jeweils aktuelle, um ein Verschiebesignal redu zierte Messsignal mit einer oder zwei Signalschwellwerten verglichen, die jeweils einem Eingangssignal innerhalb bzw. nahe der unteren oder nahe der oberen Grenze des Eingangssignalbereichs entsprechen. Statt dem Messsignal kann auch das Signal verwendet werden, das einem mittleren Messsignalwert entspricht. Letzteres kann beispielsweise mittels eines Tiefpasses aus den Messsignalen herausgefiltert werden. Aus dem Vergleich der Differenz des Messsignals zu einem Schwellwert oder aus dem Vergleichen der Differenz des Messsignals zu einem Schwellwert mit der Summe der Differenzen zu beiden Schwellwerten kann dann beispielsweise die Änderung des Verschiebesignals bestimmt und nachgeführt werden.

1 Sensor
2 Subtrahierstufe
3 Analog-Digitalwandler
4 Steuereinheit
5 Vergleichseinrichtung
6 Verschiebesignalerzeugungseinrichtung
7 Digital-Analogwandler
8 Mittelwertbildungseinrichtung
9 Multiplexer
10 erste Ausführungsform einer Anordnung mit Ver schiebung des Signalbereichs
20 zweite Ausführungsform einer Anordnung mit Ver schiebung des Signalbereichs
30 Messfenster
S0 bis S1 Verfahren zur schrittweisen Anpassung des Ver schiebesignals S_K
S0' bis S1' Verfahren zur dynamischen Anpassung des Ver schiebesignals S_K
S_E Sensoreingangssignal
S_A Sensorausgangsignal, Messsignal
S_A' kompensiertes Messsignal
Mittelwert des Messsignals
S_K Verschiebesignal

Claims

Vorrichtung zum automatischen Verschieben des Messwerterfassungsbereichs einer sensorischen Messeinrichtung mit: – einem Sensor (1) zur Umwandlung eines Werts (S_E) einer physikalischen Messgröße in ein elektrisches Messsignal (S_A), – einer Signalverschiebeeinrichtung (2) zum Bilden eines verschobenen Messsignals (SA') durch Verschieben des elektrischen Messsignals (S_A), – einer Vergleichseinrichtung (5) zum Vergleichen des verschobenen Messsignals (S_A') mit einem Schwellwert und – einer Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung (6, 7) zum Erzeugen eines Verschiebesignals (S_K) auf der Grundlage des von der Vergleichseinrichtung durchgeführten Vergleichs, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverschiebeeinrichtung (2) zum Verschieben des elektrischen Messsignals (S_A) unter Verwendung des Verschiebesignals (S_K) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverschiebeeinrichtung (2) als Subtrahierstufe zur Bildung eines Differenzsignals (S_A') zwischen einem elektrischen Messsignal (S_A) und einem Verschiebesignals (S_K) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (5) ausgebildet ist, die Differenz zwischen dem von der Signalverschiebeeinrichtung (2) gebildeten verschobenen Messsignal (S_A') und einem ersten Grenzwert (U_ADmax, U_ADmax – U_ADmin) zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (5) ausgebildet ist, die Differenz zwischen dem von der Signalverschiebeeinrichtung (2) gebildeten verschobenen Messsignal (S_A') und einem zweiten Grenzwert (U_ADmin) zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung (6) ausgebildet ist, das Verschiebesignals (S_K) entsprechend der von der Vergleichseinrichtung (5) festgestellten Differenz zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung (6) ausgebildet ist, das Verschiebesignals (S_K) um einen bestimmten Betrag zu verändern, wenn die Differenz des verschobenen Messsignal (S_A') zu dem ersten Grenzwert und/oder zu dem zweiten Grenzwert einen festgelegten Wert unterschreitet oder überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebesignalerzeugungsseinrichtung (6) ausgebildet ist, das Verschiebesignals (S_K) so zu erzeugen, dass das damit in der Signalverschiebeeinrichtung (2) gebildete verschobene Messsignal (S_A') einen Wert zwischen einem oberen Grenzwert (U_ADmax) und einem unteren Grenzwert (U_ADmin) annimmt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) von einem piezoresistiven Beschleunigungssensor gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) von einem kapazitiven Beschleunigungssensor gebildet wird.
Verfahren zur Verschiebung des Messwerterfassungsbereichs einer sensorischen Messeinrichtung mit Schritten zum – Abfragen (S1, S1') eines Messwerts (S_A',
, – Vergleichen (S2, S2') des abgefragten Messwerts (S_A',
) mit zumindest einem Vergleichswert (U_ADmax/U_ADmin, U_ADmax – U_ADmin) und – Anpassen (S3, S3') eines Verschiebesignals (S_K) zum Verschieben des Messwerts (S_A',
) so, dass der Messwert (S_A',
) einen Wert zwischen einem oberen Grenzwert (U_ADmax) und einem unteren Grenzwert (U_ADmin) annimmt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert (S_A) aus der Differenz des Messsignals (S_A) eines Sensors (1) und dem Verschiebesignal (S_K) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (S3, S3') des Verschiebesignals (S_K) durch Erhöhen oder Erniedrigen des Verschiebesignals (S_K) um einen festgelegten Wert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Wert der Differenz zwischen dem oberen Grenzwert (U_ADmax) und dem unteren Grenzwert (U_ADmin) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert (
von einem kompensierten Mittelwert der Messsignale (S_A) eines Sensors (1) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (S3, S3') des Verschiebesignals (S_K) durch Verändern des Verschiebesignals (S_K) um einen Wert erfolgt, der in etwa der Differenz zwischen dem kompensierten Mittelwert der Messsignale und dem Vergleichswert entspricht.