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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messschaltung sowie einen Drucksensor,
insbesondere einer Bremsdruckleitung in einem Fahrzeug, der eine solche
Messschaltung aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zum Testen einer solchen Messschaltung.
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Aus
der
DE 199 17 941
A1 ist ein Drucksensor zur Bremsdruckmessung mit einer
Steuerelektronik zur Messwertauswertung bekannt, wobei die Steuerelektronik
in einem über den Drucksensor gestülpten Gehäuse
untergebracht ist und die elektrische Verbindung zwischen Drucksensor
und Steuerelektronik mittels Federkontaktstiften hergestellt ist, die
sich stirnseitig auf gegenüberliegenden, dem Drucksensor
und der Steuerelektronik zugeordneten Kontaktflächen abstützen.
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Ferner
ist aus der
EP 1 493
997 A2 eine Vorrichtung zur Messwertaufnahme bekannt, bei
der ein Sensor Messgrößen erfasst und diese an
ein separates Steuergerät weiterleitet, wobei der Sensor
in Abhängigkeit von den im Steuergerät erfassten
Messgrößen angesteuert wird.
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Im
Rahmen der zunehmenden Miniaturisierung stellt sich die Herausforderung,
Sensoren mit nur geringem Platzbedarf bereitzustellen, und insbesondere
im Fahrzeugbau besteht ein Bedarf nach Sensoren, welche auf begrenzten
Bauraum mit einer möglichst geringen Anzahl von elektrischen
Verbindungen (Bond-Anbindungen oder dergl.) bei voller Funktionalität
realisiert werde können.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Demgemäß vorgesehen
ist eine Messschaltung zum Messen einer Messgröße,
wobei die Messschaltung Folgendes aufweist:
ein Widerstandsnetzwerk
mit einer Mehrzahl von Widerständen, wobei sich der Widerstandswert
mindestens eines der Widerstände in Abhängigkeit
von der Messgröße ändert;
eine Auswerteeinheit
mit einer Vergleichereinrichtung, welche das Potential an einem
ersten Knoten des Widerstandsnetzwerks mit dem Potential an einem
zweiten Knoten des Widerstandsnetzwerk vergleicht und ein von der
Differenz dieser Potentiale abhängiges Auswertesignal ausgibt;
und
eine Spannungsversorgungsschaltung, welche das Widerstandsnetzwerk
abwechselnd mit einer ersten und einer zweiten Versorgungsspannung
versorgt.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Idee ist es, sich das Prinzip der
Ratiometrie zunutze zumachen, wonach die Potentialdifferenz zwischen
dem ersten und dem zweiten Knoten des Widerstandsnetzwerks proportional
zur angelegen Versorgungsspannung (Zellenspannung) ist. Das von
der Auswerteeinheit bereitgestellte Auswertesignal hängt
somit von der Versorgungsspannung ab. Durch eine nachfolgende Auswertung
des Auswertesignals kann somit die Funktionsfähigkeit der
Messschaltung überprüft werden.
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Dazu
kann die Auswerteeinheit beispielsweise einer zweite Vergleichereinrichtung
aufweisen, welche ein von der Vergleichereinrichtung ausgegebenes
Auswertesignal oder ein davon abhängiges Signal bei Anliegen
der ersten Versorgungsspannung mit dem entsprechenden Signal bei
Anliegen der zweiten Versorgungsspannung vergleicht und ein Sensorstatussignal
ausgibt, welches einen bestimmten Zustand annimmt und somit einen
Sensordefekt anzeigt, falls der Unterschied zwischen den verglichenen
Signalen außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs
liegt. Das Sensorstatussignal kann beispielsweise als ersten Zustand
einen ersten Pegel und als zweiten Zustand einen zweiten Pegel annehmen.
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Das
Widerstandnetzwerk kann beispielsweise vier Widerstände
aufweisen, welche als Wheatstone-Brückenschaltung verschaltet
sind, und die Vergleichereinrichtung kann ein von der Brückenspannung
der Wheatstone-Brückenschaltung abhängiges Auswertesignal
ausgeben. Somit kann eine sehr genaue Auswertung der Messgröße
erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit ferner
eine Umnormierungseinheit auf, welche das von der Vergleichereinrichtung
ausgegebene Auswertesignal auf ein bestimmtes Betriebspotential
umnormiert und ein auf das Betriebspotential umnormiertes Sensorsignal
ausgibt. Somit kann der Wechsel der Spannungsversorgung kompensiert
werden und ein kontinuierliches Sensorsignal ausgegeben werden,
welches stets auf ein bestimmtes Bezugspotential normiert ist.
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In
einer beispielhaften Ausgestaltung weist die Spannungsversorgungsschaltung
Folgendes auf: einen zwei Widerstände umfassenden Spannungsteiler,
welcher zwischen eine Betriebsspannung und ein Bezugspotential geschaltet
ist, wobei der Knoten zwischen den beiden Widerständen
mit einem Versorgungsanschluss im Widerstandsnetzwerk verbunden
ist, einen weiteren Widerstand, dessen eine Seite mit dem Versorgungsanschluss
verbunden ist, und einen Schalter, der zwischen der anderen Seite
des weiteren Widerstands und dem Bezugspotential verbunden ist.
Somit können aus einer einzigen Betriebsspannung auf einfache
Weise zwei verschiedene Versorgungsspannungen bereitgestellt werden.
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Es
kann dabei ferner eine Steuerschaltung vorgesehen sein, welche den
Schalter, welcher beispielsweise als selbstsperrender MOSFET-Transistor
ausgebildet sein kann, periodisch für die Dauer eines Testpulses
einschaltet.
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Das
Widerstandsnetzwerk kann beispielsweise vier Widerstände
aufweisen, die auf einem Substrat angeordnet sind, auf welchem vier
Anschluss-Pads vorgesehen sind, wobei jeder der vier Widerstände
(R1, R2, R3, R4) zwischen jeweils zwei der Anschluss-Pads angeschlossen
ist. Somit kann eine Messzelle bereitgestellt werden, in welcher
an jedes der vier Anschluss-Pads genau ein Bond-Draht angebondet
ist.
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Ein
erfindungsgemäßer Drucksensor zum Messen des Druckes
in einer Druckleitung, insbesondere einer Bremsdruckleitung in einem
Fahrzeug, umfasst eine erfindungsgemäße Messschaltung
sowie eine Membran, wobei auf einer Seite der Membran der Druck
eines Mediums derart wirkt, dass sich die Membran bei einer Druckänderung
verformt, und wobei auf einer anderen Seite der Membran das Widerstandsnetzwerk
derart angeordnet ist, dass sich die Widerstandswerte bei einer
Verformung der Membran ändern.
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Ein
entsprechendes Verfahren zum Testen einer Messschaltung, die ein
Widerstandsnetzwerk aufweist mit einer Mehrzahl von Widerständen,
wobei sich der Widerstandswert mindestens eines der Widerstände
in Abhängigkeit von der Messgröße ändert,
umfasst die folgenden Schritte:
- (a) abwechselndes
Anlegen einer ersten und einer zweiten Versorgungsspannung an das
Widerstandsnetzwerk; und
- (b) Vergleichen des Potentials an einem ersten Knoten des Widerstandsnetzwerks
mit dem Potential an einem zweiten Knoten des Widerstandsnetzwerks
und Ausgeben eines von der Differenz dieser Potentiale abhängigen
Auswertesignals.
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Auch
bei diesem Verfahren werden Auswertesignale bereitgestellt, mit
denen durch eine nachfolgende Auswertung der Auswertesignale die
Funktionsfähigkeit der Messschaltung überprüft
werden kann. Hierzu kann das Verfahren ferner folgende Schritte
aufweisen:
- (c) Vergleichen eines von der Vergleichereinrichtung
ausgegebenes Auswertesignal oder ein davon abhängiges Signal
bei Anliegen der ersten Versorgungsspannung mit dem entsprechenden Signal
bei Anliegen der zweiten Versorgungsspannung; und
- (d) Ausgeben eines Sensorstatussignals, welches einen Sensordefekt
anzeigt, falls der Unterschied zwischen den verglichenen Signalen
außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verfahren ferner folgende
Schritte auf:
- (e) Umnormieren des der Vergleichereinrichtung ausgegebene
Auswertesignals auf ein Betriebspotential; und
- (f) Ausgeben eines auf das Betriebspotential umnormierten Sensorsignals.
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ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigt dabei:
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1 eine
schematische Darstellung eines Vergleichsbeispiels;
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform einer Messschaltung;
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3 schematisch
das Wirkprinzip einer Messzelle in einer angeschnittenen Perspektivansicht
der Messzelle;
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4 ein
Blockdiagramm des Aufbaus einer Auswerteschaltung;
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5A bis 5D den
simulierten Verlauf verschiedener Spannungen und Ströme
in einer erfindungsgemäßen Messschaltung; und
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6A bis 6E den
simulierten Verlauf verschiedener Spannungen und Ströme
in einer erfindungsgemäßen Messschaltung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
allen Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit
gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Vergleichsbeispiels und 2 ist
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform einer Messschaltung. Vorteile und Merkmale
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden im Folgenden anhand einer Kontrastierung mit dem Vergleichsbeispiel
in 1 erläutert.
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Vergleichsbeispiel
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Die
in 1 dargestellt Messschaltung umfasst als Kernstück
ein Widerstandsnetzwerk aus vier Widerständen R1, R2, R3
und R4, die als Wheatstone-Messbrücke angeordnet sind.
Die Widerstände R1 bis R4 sind auf einem Substrat angeordnet,
welches vier Anschluss-Pads A, B, C und D aufweist, die in 1 ebenfalls
angedeutet sind. Der Widerstand R1 ist zwischen den Anschluss-Pads
A und B, der Widerstand R2 ist zwischen den Anschluss-Pads B und
D, der Widerstand R3 ist zwischen den Anschluss-Pads A und C, und
der Widerstand R4 ist zwischen den Anschluss-Pads C und D angeschlossen.
Das Anschluss-Pad A ist über einen an das Anschluss-Pad
gebondeten Draht an eine Betriebsspannung Vs angeschlossen und das
Anschluss-Pad D ist über einen an das Anschluss-Pad gebondeten Draht
mit Masse (Bezugspotential GND) verbunden. Beispielsweise können
die Widerstände R1 bis R4 auf einer Seite einer Membran
angeordnet sein, welche sich bei einer Druckänderung (in
bar) eines Mediums in einer Leitung auf der anderen Seite der Membran
verformt und somit den Widerstandswert ändert.
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Die
Brückenspannung Vbr ist als Differenz der Potentiale an
den beiden Anschluss-Pads B und C gegeben. Sind alle Widerstände
gleich groß, dann ist die Brücke abgeglichen und
die Brückenspannung Vbr beträgt 0 V. Zumindest
einer der Widerstände R1 bis R4 ändert sich in
Abhängigkeit von einer Messgröße. Dies
bewirkt eine Änderung der Brückenspannung Vbr,
welche eine von einer Auswerteschaltung 10 erfasst wird.
Genauer gesagt sind die Pads B und C mit einem Vergleicher 12 (z.
B. einem Operationsverstärker oder dergleichen) verbunden,
welcher die Potentiale der Pads B und C miteinander vergleicht und
an ein Steuergerät 20 ein Sensorsignal Vsensor ausgibt,
welches proportional zur Brückenspannung Vbr ist. Das Sensorsignal
Vsensor wird vom Steuergerät 20 weiterverarbeitet
und beispielsweise zur Regelung des Druckes in einer Bremsleitung
verwendet.
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Die
Messschaltung in 1 ist ferner mit einer Anordnung
versehen, mit welcher das Steuergerät 20 die Wheatstone-Brücke
gezielt verstimmen kann. Zwischen der Betriebsspannung Vs und Masse GND
sind zwei Widerstände Rdiv1 und Rdiv2 in Serie geschaltet.
Ein weiterer Widerstand Rserial sowie ein Kondensator C zur Verbesserung
der EMV sind parallel zueinander zwischen den Anschluss-Pad B und dem
Knoten zwischen den Widerständen Rdiv1 und Rdiv2 geschaltet.
Ferner ist ein weiterer Widerstand Rup auf seiner einen Seite mit
dem Knoten zwischen den Widerständen Rdiv1 und Rdiv2 verbunden
und auf seiner anderen Seite mit dem Drain-Anschluss eines selbstsperrenden
n-Kanal-MOSFET T1 verbunden, dessen Source-Anschluss mit Masse verbunden
ist. Der Gate-Anschluss des MOSFETs T1 ist mit einem Ausgang DTP
des Steuergeräts 20 verbunden, über den
das Steuergerät 20 einen Testpuls an das Gate
anlegen kann.
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Typische
Werte dieser Anordnung sind Rup = 4.7 kΩ, Rserial = 240
kΩ, Rdiv1 = 3 kΩ, Rdiv2 = 3 kΩ, und C
= 1nF. Die Werte der Widerstände R1 bis R4 hängen,
wie oben angedeutet, von der Messgröße ab, bewegen
sich jedoch beispielsweise um 3 kΩ. In diesem Falle dient
die Messschaltung als Druck sensor und liefert beispielsweise eine
Brückenspannung
. Im Falle einer Versorgungsspannung
von Vs = 5 V beträgt die Brückenspannung somit
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Liegt
kein Testpuls DTP am Gate des Transistor T1, so sperrt der Transistor
T1 und der Widerstand Rup wirkt sich nicht auf die Schaltung aus.
Da die beiden Spannungsteiler mit den Widerständen Rdiv1
und Rdiv2 bzw. mit den Widerständen R1 und R2 die Betriebsspannung
Vs im Wesentlichen auf die Hälfte teilen liegt im Wesentlichen
das gleiche Potential (ca. 2,5 V) am Anschluss-Pad B wie am Knoten zwischen
den Widerständen Rdiv1 und Rdiv2 an, so dass kein nennenswerter
Strom durch den Widerstand Rserial fließt, welcher im Vergleich
zu den anderen Widerständen sehr groß bemessen
ist. Legt dagegen das Steuergerät 20 einen Testpuls
DTP an das Gate des Transistors T1 an, so schaltet der Transistor
T1 den Widerstand Rup parallel zu dem Widerstand Rdiv2, was zu einer
Absenkung des Spannungsteilerpotentials zwischen Rdiv1 und Rdiv2 führt,
und aufgrund des Stromes durch Rserial zu einer Senkung des Potentials
am Anschluss-Pad B. Diese Absenkung des Potentials am Pad B entspricht einer
Verstimmung der Widerstände R1 und R2. Das Ausmaß der
Verstimmung wird dabei durch die Widerstandswerte bestimmt. Mit
anderen Worten ermöglicht es diese Schaltung, eine vorbestimmte Änderung
der Messgröße zu simulieren. Im hier dargestellten
Fall werden die Widerstände bei anliegendem Testpuls DTP
derart verstimmt, dass ein Druckanstieg von etwa 90 bar simuliert
wird, die Auswerteschaltung 10 also ein Sensorsignal Vsensor produziert,
welches einen Druck anzeigt, der um ca. 90 bar höher ist
als der tatsächliche Druck.
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Diese
Simulation eines Druckanstiegs kann genutzt werden, um die Funktionsfähigkeit
der Messschaltung und der Auswertelektronik zyklisch zu testen.
Hierzu wird die Anordnung zunächst (beispielsweise werksseitig)
einem Lernvorgang unterworfen, in welchem ein Testpuls bei bekannter
Messgröße (z. B. bei abgeglichener Brücke)
auf die Schaltung gegeben wird. Das resultierende Sensorsignals
Vsensor wird in einem Speicher (beispielsweise einem ROM-Speicher)
der Auswerteschaltung 10 als Referenzwert Vref abgespeichert.
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Im
Normalbetrieb wird dann der Testpuls DTP zyklisch auf die Messschaltung
gegeben. Ferner wird der Testpuls DTP auch der Auswerteschaltung 10 zugeführt.
Ist das resultierende Sensorsignal Vsensor bei Anlegen des Testpulses
DTP identisch mit dem Sensorsignal Vsensor ohne Testpuls, so kann
darauf geschlossen werden, dass die Messzelle defekt ist (z. B.
keine Versorgungsspannung oder Bondabriss an den Pads A oder D oder
dergl.). Das resultierende Sensorsignal Vsensor wird ferner mit dem
gespeicherten Referenzwert Vref verglichen. Weicht das Auswertesignal
Vout um mehr als einen bestimmten Betrag vom Referenzwert ab, so
kann die Steuerschaltung darauf schließen, dass die Auswerteschaltung 10 defekt
ist (z. B. defekter Vergleicher 12). Im Falle eines solchen
Defekts gibt die Auswerteschaltung 10 ein entsprechendes
Sensorstatussignal Vstatus an das Steuergerät 20 aus, welches
eine entsprechende Warnung ausgegeben kann, oder auch andere Maßnahmen,
wie z. B. das Ignorieren des Messwertes des Sensors, ergreifen kann.
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Weiterhin
ist die Auswerteschaltung 10 mit Pull-Up-Stromquellen (nicht
näher dargestellt) versehen, welche im Falle eines Bondabrisses
der Brückenausgangssignalleiter an den Anschluss-Pads den
entsprechenden Eingang in den Vergleicher 12 auf ein definiertes
Potential (z. B. Vs oder Masse) ziehen. Somit kann die Auswerteschaltung 10 einen Bondabriss
an den Pads B oder C daran erkennen, dass das Potential an diesen
Pads außerhalb eines erlaubten Bereiches von z. B. 2,1
V ... 2,9 V liegt.
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Die
oben beschriebene Anordnung weist jedoch noch einige Unzulänglichkeiten
auf. Wird die Anordnung beispielsweise zum Messen des Drucks in
einer Bremsleitung verwendet, so kann ein kontinuierliches Anlegen
des Testpulses nicht bei Druckfahrt, also bei betätigter
Bremse erfolgen. Der Grund dafür ist der, dass sowohl ein
Testpuls als auch eine Bremsbetätigung zu einer Erhöhung
der Brückenspannung Vbr führen und somit nicht
von der Auswerteschaltung 10 unterschieden werden können.
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Ferner
müssen bei dieser Anordnung zwei Bond-Anschlüsse,
nämlich sowohl die Leitung von Rserial als auch die Leitung
zur Auswerteschaltung 10, an das Anschluss-Pad B angebondet
werden. Zwar scheint es denkbar, den Widerstand Rserial direkt mit
der Leitung zwischen Pad B und Vergleicher 12 zu verbinden,
so dass nur noch eine Bondanbindung an Pad B zur Verbindung mit
dem Vergleicher 12 notwendig ist. Allerdings wäre
die Auswerteschaltung 10 in diesem Falle nicht mehr in
der Lage einen Bondabriss an Pad B zu erkennen, da bei einem solchen
Bondabriss der Eingang in den Vergleicher 12 nach wie vor über
Rserial und dem Spannungsteiler Rdiv1/Rdiv2 mit der Betriebsspannung
Vs verbunden ist und daher nicht floatet. Folglich würde
der Vergleicher 12 auch bei einem Bondabriss am Pad B ein Auswertesignal
Vout liefern, welches innerhalb des erlaubten Bereiches liegt. Eine
Anordnung mit zwei Bond-Anschlüssen auf ein Pad ist jedoch
nachteilig, z. B. da das Pad dann entsprechend groß ausgelegt werden
muss.
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Das
im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel schlägt
eine Schaltung vor, mit welcher ein kontinuierliches Anlegen des
Testpulses auch bei Druckfahrt möglich ist und bei der
an jedes Anschluss-fad lediglich ein Bonddraht angebunden ist.
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Ausführungsbeispiel
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2 ist
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels einer Messschaltung 20. Komponenten,
welche eine gleiche oder ähnliche Funktion wie solche in 1 erfüllen
sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und werden, um Wiederholungen
zu vermeiden, nicht erneut erläutert.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel werden eine Messzelle 30 sowie
eine Auswerteschaltung 10 von einer Spannungsversorgungsschaltung 40 (einer einstellbaren
Spannungsquelle) mit einem Versorgungsspannung Vz versorgt, wobei
die Versorgungsspannung Vz wie unten näher beschrieben
ist zwischen zwei Werten variiert wird.
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Auch
gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind
in der Messzelle 30 vier Widerstände R1 bis R4 als
Wheatstone-Brücke zwischen vier Anschluss-Pads A bis D
miteinander wie oben beschrieben verschaltet, so dass eine Brückenspannung
Vbr erzeugt wird, die von einer Messgröße abhängt.
Die Widerstände R1 bis R4 sind auf der Membran einer Messzelle
zur Messung des Drucks in einer Bremsleitung angeordnet, wie in 3 näher
dargestellt ist. Dabei ist das Pad A an den Ausgang der Spannungsversorgungsschaltung 40 angeschlossen,
wohingegen das Pad D an Masse angeschlossen ist.
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3 illustriert
schematisch das Wirkprinzip dieser Messzelle 30 und zeigt
ein angeschnittene Perspektivansicht der Messzelle 30.
Die Messzelle 30 weist einen hohlzylindrischen Verformungskörper 31 auf,
welcher auf einer Seite mit einer Membran 32 abgeschlossen
ist. Der Verformungskörper 31 kann wie die Membran 32 aus
Edelstahl oder dergleichen bestehen. Der Verformungskörper 31 ist
mit einer Schweißnaht 33 an einen Anschlussstutzen 34 geschweißt, über
den er an eine Bremsleitung (nicht näher dargestellt) angeschlossen
ist, so dass das Medium P (in diesem Falle also die Bremsflüssigkeit)
gegen eine Seite der Membran 32 wirkt und diese sich in
Abhängigkeit vom Druck des Mediums p verformt. Eine Stauchung
der Membran 32 erfolgt dabei im Randbereich und eine Dehnung
der Membran 32 erfolgt in der Mitte. Auf der anderen Seite
ist die Membran 32 mit einer Isolationsschicht 35 beschichtet, auf
welcher die Anschluss-Pads A bis D (in 3 nicht
näher dargestellt) und die Widerstände R1 bis R4
wie oben beschrieben verschaltet sind. Die Widerstände
R1 bis R4 sind dabei derart angeordnet, dass sie in Bereichen maximaler
Dehnung (Widerstände R2 und R4) bzw. Stauchung (Widerstände
R1 und R3) liegen. Durch die Widerstandsänderung bei einer
Druckänderung des Mediums p kann an den Brücken-Pads
B und C eine druckabhängige elektrische Spannung Vbr abgegriffen
werden. Die Brückenspannung Vbr wird, wie oben beschrieben,
einer Auswerteschaltung 10 zugeführt, die sie
in ein Sensorsignal Vsensor umwandelt.
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Die
Spannungsversorgungsschaltung 40 versorgt das Widerstandsnetzwerk
sowie die Auswerteschaltung 10 abwechselnd mit einer ersten
und einer zweiten Versorgungsspannung Vz. Genauer gesagt umfasst
die Spannungsversorgungsschaltung 40 einen Spannungsteiler
bestehend aus Widerständen R5 und R6, welche zwischen eine
Betriebsspannung Vs (z. B. 5 V) und Masse (GND) geschaltet sind.
Der Knoten zwischen den Widerständen R5 und R6 ist mit
den Anschluss-Pad A verbunden. Ferner ist ein weiterer Widerstand
R7 auf seiner einen Seite mit dem Knoten zwischen den Widerständen
R5 und R6 verbunden und auf seiner anderen Seite mit dem Drain-Anschluss
eines selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET T1 verbunden, dessen Source-Anschluss
mit Masse verbunden ist. Der Gate- Anschluss des MOSFETs T1 ist mit
dem Steuergerät 20 verbunden, welches einen Testpuls
DTP an das Gate anlegen kann.
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Typische
Werte der Widerstände sind R5 = 150 Ω, R6 = 220
kΩ und R7 = 1 kΩ. Die Werte der Widerstände
R1 bis R4 hängen, wie oben angedeutet, von der Messgröße
ab, bewegen sich jedoch beispielsweise um 3 kΩ. Die Widerstände
sind so gewählt, dass in keinem der Bauelemente ein maximaler
Strom von 10 mA überschritten wird. Die Messschaltung liefert
eine von der Zellenspannung Vz Brückenspannung
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Die
von der Spannungsversorgungsschaltung 40 ausgegebene Zellenspannung
(Versorgungsspannung) Vz hängt davon ab, ob ein Testpuls DTP
anliegt oder nicht. Liegt kein Testpuls DTP am Gate des Transistor
T1, so sperrt der Transistor T1 und der Widerstand R7 wirkt sich
nicht auf die Schaltung aus. Der Gesamtwiderstand der Wheatstone-Brücke
beträgt näherungsweise 3 kΩ und liegt
parallel zum Widerstand R6, mit welchem er zusammen mit dem Widerstand
R5 einen Spannungsteiler bildet. Mit den oben angegebenen Widerstandswerten
ergibt sich bei offenem Transistor T1 eine Zellenspannung Vz von
etwa 4,8 V, wie leicht nachgerechnet werden kann. Wird dagegen ein
Testpuls DTP an das Gate des Transistors T1 angelegt, so schaltet
der Transistor T1 den relativ geringen Widerstand R7 parallel zu
der Wheatstone-Brücke und dem Widerstand R6. Dies führt
zu einer Absenkung der Zellenspannung Vz auf etwa 4,2 V. Je nachdem
ob ein Testpuls DTP anliegt oder nicht, nimmt die Zellenspannung
Vz also einen Wert von beispielsweise 4,8 V bzw. 4,2 V an.
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Die
Brückenspannung Vbr wird von der Auswerteschaltung 10 ausgewertet.
Ein beispielhafter Aufbau der Auswerteschaltung 10 ist
in 4 gezeigt. Die Auswerteschaltung 10 weist
eine erste Vergleichereinrichtung 12, eine Umnormierungseinheit 14,
einen Speicher bzw. eine Haltevorrichtung 16 und einen
zweiten Vergleicher 18 auf. Die Potentiale Ubr+ und Ubr– der
Pads B bzw. C werden den Eingängen des ersten Vergleichers 12 zugeführt,
welcher ein Auswertesignal Vout ausgibt, das von der Differenz dieser
Potentiale Ubr+ und Ubr– abhängt. Genauer gesagt
liefert die erste Vergleichereinrichtung 12 ein Auswertesignal
Vout = Voffset + g·Vbr, wobei g ein Verstärkungsfaktor
und Voffset eine Offset-Spannung ist, wobei Voffset und g annähernd
proportional zur Versorgungsspannung Vz sind.
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Die
Umnormierungseinrichtung 14, welche mit dem Ausgang der
ersten Vergleichereinrichtung 12 verbunden ist, normiert
das Auswertesignal Vout der Vergleichereinrichtung 12 auf
das Betriebspotential Vs um und gibt ein auf das Betriebspotential
Vs (z. B. 5 V) umnormiertes Sensorsignal aus. Diese Umnormierung
wird durchgeführt, da das Auswertesignal Vout von der momentan
angelegten Versorgungsspannung Vz (z. B. 4,2 V oder 4,8 V) abhängt. Die
Umnormierung kann durch eine einfache Multiplikation oder auch Multiplikation
und Subtraktion (zur Kompensation des Offsets) erfolgen und hängt
davon ab, ob momentan ein Testpuls DTP anliegt oder nicht. Das Sensorsignal
Vsensor wird an das Steuergerät 20 ausgegeben
und von diesem weiterverarbeitet und beispielsweise zur Regelung
des Druckes in einer Bremsieitung verwendet.
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Die
Auswerteschaltung 10 führt weiterhin eine Plausibilisierung
der gemessenen Werte durch, um einen eventuellen Defekt in der Messschaltung festzustellen
und ein entsprechendes Sensorstatussignal Vstatus auszugeben. Dazu
macht sich die Auswerteschaltung 10 das Prinzip der Ratiometrie zunutze,
wonach die Ausgangsspannung der Brückenschaltung proportional
zur Versorgungsspannung Vz der Sensorzelle ist.
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Wird
also der Testpuls DTP angelegt und die Versorgungsspannung sinkt
beispielsweise von 4,8 V auf 4,2 V, dann sinkt die Brückenspannung
Vbr entsprechend. Ferner sinken auch die Offset-Spannung Voffset
sowie die Verstärkung g der Vergleichereinrichtung 12,
so dass sich auch die Ausgangsspannung Vout entsprechend verringert.
Der Unterschied zwischen der Ausgangsspannung bei angelegtem Testpuls
und der Ausgangsspannung ohne angelegtem Testpuls entspricht dabei
einem bestimmten Druckunterschied (z. B. 22 bar). Durch Vergleich
dieser beiden Werte kann somit überprüft werden,
ob ein Defekt vorliegt oder nicht. Zu diesem Zwecke ist der Speicher 16 vorgesehen,
welcher die Ausgangsspannung Vout1 bei angelegtem Testpuls und/oder die
Ausgangsspannung Vout2 ohne angelegtem Testpuls temporär
speichert bzw. hält. Eine zweite Vergleichereinrichtung 18 vergleicht
diese Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 miteinander. Abhängig
vom Ergebnis dieses Vergleiches gibt die Vergleichereinrichtung 18 ein
Sensorstatussignal Vstatus an das Steuergerät 20 aus.
Sind beispielsweise die Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 identisch,
so liegt ein Fehler in der Messschaltung vor und die Vergleichereinrichtung 18 gibt
ein Sensorstatussignal Vstatus aus, welches einen Defekt in der
Messschaltung anzeigt. Es sollte beachtet werden, dass dieses Verfahren
auch in dem Falle dass die Brücke abgeglichen ist immer
noch zu einer. korrekten Anzeige eines Defektes führt,
da auch bei identischer Brückenspannung von 0 V unterschiedliche
Versorgungsspannungen Vz zu unterschiedlichen Werten der Offset-Spannung
führen.
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Ferner
ist es auch möglich, mit der Vergleichereinrichtung 18 festzustellen,
ob die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2
in einem bestimmten Toleranzbereich liegt. Da bekannt ist, dass
ein anliegender Testpuls DTP einen bestimmten Druckunterschied von
z. B. 22 bar simuliert, ist es möglich festzustellen, ob
die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen Vout1 und Vout2 einem
Druckunterschied im Bereich von 15 bis 30 bar entspricht. Ist dies
nicht der Fall, dann gibt die Vergleichereinrichtung 18 an
das Steuergerät 20 ein Sensorstatussignal Vstatus
aus, welches einen Defekt in der Messschaltung anzeigt.
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Die
Auswerteschaltung 10 ist ebenso wie im Vergleichsbeispiel
mit Pull-Up-Stromquellen (nicht näher dargestellt) versehen,
welche im Falle eines Bondabrisses der Brückenausgangssignalleiter
an den Anschluss-Pads den entsprechenden Eingang in den Vergleicher 12 auf
ein definiertes Potential (z. B. Vs oder Masse) ziehen. Somit kann
die Auswerteschaltung 10 einen Bondabriss an den Pads B
oder C daran erkennen, dass das Potential an diesen Pads außerhalb
eines erlaubten Bereiches von z. B. 2,1 V ... 2,9 V liegt und ein
entsprechendes Sensorstatussignal Vstatus ausgeben.
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Das
oben beschriebene Ausführungsbeispiel weist mehrere Vorteile
gegenüber dem Vergleichsbeispiel auf. So ist auf jedem
der Anschluss-Pads A bis D genau ein Bonddraht angeschlossen, wohingegen
in der Anordnung des Vergleichsbeispiels zwei Bonddrähte
auf dem Anschluss-Pad B angeschlossen sind.
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Ferner
weist das Ausführungsbeispiel zwei passive Elemente (Widerstand
Rserial und Kondensator C) weniger auf als das Vergleichsbeispiel.
Auch der Stromverbrauch ist mit dem Ausführungsbeispiel bei
einem alle 30 s anliegenden Testpuls von 155 ms Länge nur
unwesentlich höher als beim Vergleichsbeispiel.
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Schließlich
ist es mit dem Ausführungsbeispiel möglich, einen
Testpuls kontinuierlich, also auch während einer Druckfahrt,
anzulegen. Die Auswerteschaltung 10, welcher bekannt ist,
ob momentan ein Testpuls anliegt oder nicht, normiert den Pegel
des Auswertesignals Vout stets von 4,2 V bzw. 4,8 V auf 5 V um.
Dementsprechend kann auch das Tastverhältnis des Testpulses
DTP beliebig eingestellt werden. Beispielsweise ist es möglich,
den Testpuls alle 0,2 s für eine Dauer von beispielsweise
10 ms anzulegen, es ist jedoch ebenso möglich, die Zellenspannung
Vz alle 0,1 s zwischen den zwei Versorgungsspannungen 4,8 V und
4,2 V zu variieren.
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Die
Schaltung des Ausführungsbeispiels wurde mittels einer
Schaltungssimulation simuliert. Dabei wurde der Transistor T1 als
invertierende Pulsgenerator simuliert. 5A zeigt
dabei den von diesem invertierenden Pulsgenerator eingespeisten Puls.
Wie aus 5A ersichtlich ist, ist der
Pulsgenerator derart modelliert, dass sich eine Drain-Source-Spannung
Vt1 des Transistors T1 von 5 V (bei gesperrtem Transistor) auf 0
V (leitender Transistor) ändert. Der Puls liegt alle 0,2
s für eine Dauer von etwa 10 ms an. In dieser Simulation
wurden die Widerstände R1, R3 und R4 auf 3 kΩ und
der Widerstand R2 auf 2,984 kΩ gesetzt.
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5B zeigt
den Verlauf der Zellenspannung Vz. Wie in 5B dargstellt
variiert die Zellenspannung Vz zwischen ca. 4,8 V (ohne Testpuls)
und 4,2 V (mit Testpuls).
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5C zeigt
den Verlauf der Brückenspannung Vbr. Wie in 5C dargestellt
variiert die Brückenspannung Vbr zwischen ca. 6,4 mV und
ca. 5,6 mV (mit Testpuls). Es wird also eine Verstimmung von 0,9
mV erzielt. Dies entspricht einer Druckänderung von ca.
22 bar.
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5D illustriert
den Verlauf der Ströme Ir1, Ir3 und Ir4, die durch R1,
R3 bzw. R4 fließen. Wie in 5D dargstellt
ist der Stromfluss durch die Widerstände des Widerstandsnetzwerks
gering und es fließt durch keinen Widerstand ein Strom
größer 5 mA.
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Die 6A, 6B, 6D und 6E sind
Vergrößerungen der 5A, 5B, 5C bzw. 5D.
Ferner zeigt 6C den Verlauf der Potentiale
Ubr+ bzw. Ubr– an den beiden Brückenanschlüssen
B und C.
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Zusätzlich
zur Simulation wurde eine Schaltung gemäß Ausführungsbeispiel
erstellt und durchgemessen. Die Messergebnisse bestätigten
das Ergebnis der Simulation. Insbesondere wurden in dieser Schaltung
Brückenspannungen mit bzw. ohne Testpuls von 6,09 mV bzw.
5,21 mV gemessen. Dies entspricht einem Spannungsunterschied von
0,88 mV, was einem Druckunterschied von 22 bar entspricht.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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So
ist im obigen Ausführungsbeispiel lediglich eine Möglichkeit
zur Bereitstellung von zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen
(Zellenspannungen) skizziert. Ebenso möglich ist es, zwei Spannungsquellen
mit unterschiedlicher Spannung bereitzustellen, und diese wahlweise
mit einem Schalter mit dem Anschluss A zu verbinden. Allerdings
hat das oben beschriebene Bespiel den Vorteil, dass in einfacher
Weise zwei unterschiedliche Zellenspannungen Vz aus lediglich einer
Spannung Vs abgeleitet werden können.
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Ferner
sind die Auswerteschaltung 10 und die Spannungsversorgungsschaltung 40 im
oben dargestellten Ausführungsbeispiel als separate Schaltungen
dargestellt. Sie können jedoch selbstverständlich
auch jeweils in das Steuergerät 20 integriert
werden.
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Ferner
ist es im oben dargestellten Ausführungsbeispiel auch möglich,
statt der Auswertesignale Vout die umnormierte Werte Vsensor mit
und ohne Testpuls mit der Vergleichsschaltung 18 miteinander zu
vergleichen und anhand dieses Vergleichs ein Sensorstatussignal
zu erzeugen.
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Ferner
sind sämtliche oben angegebenen Werte als beispielhaft
zu verstehen und können je nach Bedarf modifiziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19917941
A1 [0002]
- - EP 1493997 A2 [0003]
