DE102007052215A1 - Verfahren zur Brucherkennung eines resistiven Sensors, Brucherkennungseinrichtung sowie Drucksensor, Kraftsensor, Messumformer und Waage - Google Patents

Verfahren zur Brucherkennung eines resistiven Sensors, Brucherkennungseinrichtung sowie Drucksensor, Kraftsensor, Messumformer und Waage Download PDF

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Brucherkennung eines resistiven Sensors (1) in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung ist der resistive Sensor (1) in Reihe zu einem Vorwiderstand (2) geschaltet. Die Reihenschaltung liegt an einer Versorgungsgleichspannung (UP) an, wobei entsprechend dem Widerstandsverhältnis e korrespondierende Erregerspannung (UE) am resistiven Sensor (1) und eine korrespondierende Vorwiderstandsspannung (UV) am Vorwiderstand (2) anliegt. Die Erregerspannung (UE) oder die Vorwiderstandsspannung (UV) wird mit einer vorgegebenen Vergleichsspannung (US) verglichen. Es wird bei einem Bruch des resistiven Sensors (1) eine Bruchmeldung (FM) ausgegeben, wenn eine bruchbedingte Änderung der Erreger- bzw. Vorwiderstandsspannung (UE, UV) eine vorgegebene maximale Spannungsabweichung (dU) überschreitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brucherkennung eines resistiven Sensors in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine dazu korrespondierende Brucherkennungseinrichtung mit einem derartigen resistiven Sensor. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Drucksensor sowie einen Kraftsensor mit einer derartigen Brucherkennungseinrichtung. Zudem betrifft die Erfindung einen Messumformer mit einem derartigen Drucksensor bzw. Kraftsensor. Schließlich betrifft die Erfindung eine Waage, welche eine Wägezelle mit einer derartigen Brucherkennungseinrichtung aufweist.
  • Zur Kraft-, Druck- und Gewichtsmessung sind verschiedene Messverfahren bekannt. Im industriellen Bereich kommen vorzugsweise resistive Sensoren bzw. piezoresistive Sensoren z. B. in Form von Dehnungsmessstreifen zum Einsatz. Derartige Dehnungsmessstreifen werden z. B. auf einen Biegestab appliziert, welcher sich durch Kraft- bzw. Druckeinwirkung verbiegt. Diese Verbiegung bewirkt eine proportionale Widerstandsänderung im vorzugsweise mäanderförmig verlegten Dehnungsmessstreifen. Die Änderung des Widerstands ist dabei ein Maß für die Verbiegung und somit letztlich für die zu messende Kraft und die daraus abgeleiteten Größen Druck oder Gewicht. Allgemein geht bei einem solchen Sensor die Einwirkung einer physikalischen Größe, wie z. B. eine Kraft, Druck, Licht oder Temperatur etc., mit einer Widerstandsänderung einher.
  • Wegen ihrer hohen Empfindlichkeit und thermischen Stabilität kommt vorwiegend eine Vollbrückenschaltung mit vier Dehnungsmessstreifen als resistiver bzw. piezoresistiver Sensor zum Einsatz, wie z. B. die bekannte Wheatstone'sche Brückenschaltung. Zur elektrischen Erregung wird der resistive Sensor zu meist an einer Spannungsquelle mit einer konstanten Spannung betrieben. Die Versorgungsspannung liegt typischerweise in einem Bereich von 3 bis 15 Volt. Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit können auch mehrere resistive Sensoren parallel geschaltet werden, indem z. B. mehrere in einer Reihe oder in einem Feld auf einem Biegestab appliziert werden. Durch die Parallelschaltung vervielfältigt sich entsprechend der von der Spannungsquelle zur Verfügung gestellte Messstrom.
  • Häufig werden piezoresistive Sensoren auf Basis von Silizium verwendet. Diese sind besonders günstig als sogenannte Dünnfilmsensoren herstellbar. Der piezoresistive Effekt beruht dabei auf der Veränderung eines spezifischen Widerstands durch Druck oder Zug. Aufgrund seiner kubischen Gitterstruktur hat Silizium ein isotropes Widerstandsverhalten. Dieses ändert sich unter Einfluss einer mechanischen Spannung. Eine technische Anwendung des piezoresistiven Effekts ist die Messung von Kraft oder Druck. Der Vorteil im Vergleich zu alternativen Messmethoden, wie z. B. mit einem Dehnungsmessstreifen, liegt in der hohen Empfindlichkeit. Somit lässt sich mit Silizium eine deutlich höhere Genauigkeit erzielen. Bei der Herstellung entsprechender Kraft- oder Drucksensoren wird ein Dünnfilmsensor auf Basis von Silizium auf eine metallische Membran, zumeist aus Edelstahl, aufgebracht. Eine Verbiegung der metallischen Membran ruft so eine Änderung des elektrischen Widerstandes hervor, der mittels der Brückenschaltung gemessen werden kann.
  • Im industriellen Einsatz ist eine Detektion von Brüchen in den Widerstandsbrücken unerlässlich, um rechtzeitig fehlerhafte Messungen vermeiden zu können. Die Detektion von Sensorbrüchen erfolgt üblicherweise über die direkte Messung des Widerstandes zwischen Messzyklen oder über die Auswertung der Sensorstromaufnahme. Letztere kann indirekt aus der von einer Messelektronik aufgenommenen Leistung gewonnen werden. Eine starke Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes bei Silizium sowie eine technisch bedingte hohe Streuung der Sensorwiderstandswerte erfordern ein hohen messtechnischen Abgleich sowie eine temperaturgeregelte Nachführung der Sensorspannung. Angesicht der eingeschränkten Langzeitstabilität der Sensoren bezüglich der Stromaufnahme der Bauelemente in der Messbrücke führt diese Methode bei Seriengeräten zu vielen Problemen und Rückfragen bei den Kunden.
  • Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Brucherkennung eines resistiven Sensors anzugeben.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine zum Verfahren korrespondierende Brucherkennungseinrichtung anzugeben. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen geeigneten Kraftsensor sowie Drucksensor anzugeben, welcher eine derartige Brucherkennungseinrichtung aufweist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe, einen geeigneten Messumformer mit einem solchen Drucksensor und/oder einem solchen Kraftsensor anzugeben. Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Waage, insbesondere eine Industriewaage, mit einer Wägezelle mit einer derartigen Brucherkennungseinrichtung und mit einem A/D-Umsetzer zur Umsetzung einer Messspannung des resistiven Sensors in einen dazu proportionalen Masse- oder Gewichtswert anzugeben.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren zur Brucherkennung eines resistiven Sensors in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 angegeben. Im Patentanspruch 4 ist eine zum Verfahren korrespondierende Brucherkennungseinrichtung für einen resistiven Sensor angegeben. In den abhängigen Ansprüchen 5 bis 7 sind vorteilhafte Ausführungsformen der Brucherkennungseinrichtung genannt. Im unabhängigen Anspruch 8 ist ein Drucksensor mit einer derartigen Brucherkennungseinrichtung angegeben. Im unabhängigen Anspruch 9 ist ein entsprechender Kraftsensor angegeben. Im unabhängigen Anspruch 10 ist ein Messumformer mit einem derartigen Drucksensor und/oder einem derartigen Kraftsensor genannt. Schließ lich ist im Anspruch 11 eine Waage, insbesondere eine Industriewaage, mit einer Wägezelle mit einer derartigen Brucherkennungseinrichtung angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist der resistive Sensor in Reihe zu einem Vorwiderstand geschaltet. An der Reihenschaltung liegt eine Versorgungsgleichspannung an. Entsprechend dem Widerstandsverhältnis von Vorwiderstand zu resistivem Sensor, liegen eine korrespondierende Erregerspannung am resistiven Sensor und eine korrespondierende Vorwiderstandsspannung am Vorwiderstand an. Die Erregerspannung oder die Vorwiderstandsspannung wird mit einer vorgegebenen Vergleichsspannung verglichen. Es wird bei einem Bruch des resistiven Sensors eine Bruchmeldung ausgegeben, wenn eine bruchbedingte Änderung der Erreger- bzw. Vorwiderstandsspannung eine vorgegebene maximale Spannungsabweichung überschreitet.
  • Grundidee der Erfindung ist, dass ein jeglicher Bruch in der Wheatstone'schen Brückenschaltung zu einer Widerstandserhöhung führt, die ihrerseits eine Erhöhung des Spannungsabfalls über dem resistiven Sensor bewirkt. Diese Spannungsabweichung kann auf einfache Weise detektiert werden, auch wenn diese betragsmäßig vergleichsweise klein ist.
  • Nach einer Verfahrensvariante wird die Bruchmeldung ausgegeben, wenn die Erregerspannung die Vergleichspannung um die vorgegebene maximale Spannungsabweichung übersteigt.
  • Nach einer weiteren Verfahrensvariante weist die Erregerspannung bedingt durch den temperaturabhängigen Sensorwiderstand einen ersten positiven Temperaturkoeffizienten auf. Erfindungsgemäß weist die Vergleichsspannung zur temperaturgesteuerten Nachführung einen in etwa gleichen zweiten positiven Temperaturkoeffizienten auf.
  • Der besondere Vorteil bei dieser Verfahrensvariante ist, dass eine temperaturabhängige Widerstandsänderung, wie dies insbesondere bei Silizium als Widerstandsmaterial der Fall ist, und dass eine damit verbundene temperaturabhängige Zunahme der Erregerspannung sozusagen im Gleichtakt durch eine entsprechende Erhöhung der Vergleichsspannung kompensiert wird. Dabei ist zu bedenken, dass die Widerstandsänderung bei Silizium um ein Vielfaches größer ist als die Widerstandsänderung des herkömmlichen, relativ temperaturunabhängigen Vorwiderstandes.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einer zum erfindungsgemäßen Verfahren korrespondierenden Brucherkennungseinrichtung für einen resistiven Sensor gelöst. Sie weist eine Reihenschaltung aus einem Vorwiderstand und einem resistiven Sensor in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung sowie eine Spannungsversorgung zur Bereitstellung einer Versorgungsgleichspannung für die Reihenschaltung auf. Die Brucherkennungseinrichtung weist weiterhin einen Vergleichsspannungsgenerator auf. Er stellt eine derart bemessene Vergleichsspannung bereit, dass eine am Mittelabgriff der Reihenschaltung anliegende Erregerspannung bzw. eine dort anliegende Vorwiderstandsspannung bei einem Bruch des resistiven Sensors die Vergleichspannung um eine vorgegebene maximale Spannungsabweichung überschreitet. Weiterhin weist die Brucherkennungseinrichtung einen Komparator auf, welcher eingangsseitig mit dem Mittelabgriff sowie mit dem Vergleichsspannungsgenerator verbunden ist und welcher einen Komparatorausgang zur Ausgabe einer entsprechenden Bruchmeldung aufweist.
  • Die an dem Komparatorausgang als elektrisches Signal anliegende Bruchmeldung kann beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinheit zur Fehlerbehandlung eingelesen werden. Vorzugsweise ist dieses Signal zu einem Interrupt-Eingang eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors geführt, welcher zur Steuerung der Messung vorgesehen ist. Der Mikrocontroller führt dann eine entsprechende Fehlerbehandlungsroutine aus, wie z. B. eine Ausgabe einer Fehlermeldung auf einem Display.
  • Korrespondierend zum Verfahren ist eine Erregerspannung vorgegeben, welche bedingt durch den temperaturabhängigen Sen sorwiderstand einen ersten positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Der Vergleichsspannungsgenerator stellt eine Vergleichsspannung zur temperaturgesteuerten Nachführung mit einem in etwa gleichen zweiten positiven Temperaturkoeffizienten bereit.
  • Nach einer besonderen Ausführungsform der Brucherkennungseinrichtung weist der Vergleichsspannungsgenerator eine Spannungsquelle auf, welche ein temperaturgesteuertes pulsweitenmoduliertes digitales Spannungssignal bereitstellt. Der Vergleichsspannungsgenerator weist weiterhin ein nachgeschaltetes Tiefpassfilter zur Umwandlung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals in die konstante Vergleichsspannung auf. Als geeignete Spannungsquelle kann z. B. ein digitaler SPI-Ausgang (SPI für Serial Port Interface) eines Mikrocontrollers oder ein digitaler Ausgang eines E/A-Bausteins verwendet werden. Ist der Mikrocontroller mit einem Temperatursensor verbunden, so kann dieser ein von der Temperatur abhängiges pulsweitenmoduliertes Signal z. B. an dem SPI-Ausgang ausgeben. Der hardwaretechnische Aufwand ist dabei vorteilhaft sehr gering.
  • Einer weiteren Ausführungsform zufolge weist die Brucherkennungseinrichtung einen A/D-Umsetzer mit zwei Spannungseingängen zur Erfassung einer am resistiven Sensor anliegenden, über zwei Messleitungen zugeführten Messspannung auf. Vorzugsweise sind diese sogenannte Differenzspannungseingänge des A/D-Umsetzers. Einer der Spannungseingänge ist über einen ersten Pullwiderstand mit einem ersten Sensorerregeranschluss und der andere Spannungseingang über einen zweiten Pullwiderstand mit einem zweiten Sensorerregeranschluss verbunden. Der A/D-Umsetzer weist weiterhin Mittel zur Ausgabe einer weiteren Bruchmeldung auf, wenn der A/D-Umsetzer bei einem Bruch einer der Messleitungen übersteuert.
  • Im Vergleich zur Messspannung liegt der erste Sensoranschluss auf einem positiven Spannungsniveau, so dass der zugehörige erste Pullwiderstand als sogenannter Pull-Up-Widerstand fungiert. Dadurch wird der erste, typischerweise hochohmig aus geführte Spannungseingang des A/D-Umsetzers sozusagen nach „oben" gezogen. Der Pull-Up-Widerstand ist im Vergleich zum Widerstandswert des Vorwiderstands bzw. der Einzelwiderstände der Wheatstone'schen Brücke um Größenordnungen größer. Insbesondere weist der Pull-Up-Widerstand einen Widerstandswert im Bereich von mehr als 1 Megaohm auf. In entsprechender Weise liegt der zweite Sensoranschluss im Vergleich zur Messspannung auf einem negativen Spannungsniveau, so dass der zugehörige zweite Pullwiderstand als sogenannter Pull-Down-Widerstand fungiert. Dadurch wird der zweite, typischerweise gleichfalls hochohmig ausgeführte Spannungseingang des A/D-Umsetzers sozusagen nach „unten" gezogen. Der Pull-Down-Widerstand weist vorzugsweise einen gleichen Ohmwert wie der Pull-Up-Widerstand auf. Bei einem Bruch einer der Messleitungen wird dann der jeweilige Spannungseingang des A/D-Umsetzers über den entsprechenden Pullwiderstand voll auf das Spannungsniveau des entsprechenden Spannungseingangs gezogen. Das sprunghafte Ansteigen der Differenzspannung am A/D-Umsetzer sowie die Übersteuerung des Messbereichs sind ein sicheres Indiz auf einen Bruch in der Zuleitung zum resistiven Sensor.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Drucksensor gelöst, welcher eine derartige Brucherkennungseinrichtung und einen A/D-Umsetzer zur Umsetzung einer Messspannung des resistiven Sensors in einen dazu proportionalen Druckwert aufweist.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Kraftsensor gelöst, welcher eine derartige Brucherkennungseinrichtung und einen A/D-Umsetzer zur Umsetzung einer Messspannung des resistiven Sensors in einen dazu proportionalen Kraftwert aufweist.
  • Des Weiteren wir die Aufgabe durch einen Messumformer gelöst, welcher einen derartigen Drucksensor und/oder einen derartigen Kraftsensor aufweist.
  • Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Waage, insbesondere durch eine Industriewaage, gelöst, welche eine Wägezelle mit einer derartigen Brucherkennungseinrichtung und welche einen A/D-Umsetzer zur Umsetzung einer Messspannung des resistiven Sensors in einen dazu proportionalen Masse- oder Gewichtswert aufweist. Die Wägezelle weist z. B. einen Biegestab auf, auf welchem der resistive Sensor appliziert ist.
  • Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
  • 1 einen beispielhaften Aufbau einer Wägezelle mit einem an einem Biegestab applizierten resistiven Sensor,
  • 2 beispielhaft ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung mit einem resistiven Sensor in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung,
  • 3 beispielhaft temperaturabhängige Erregerspannungsverläufe des resistiven Sensors mit und ohne Bruch im Vergleich zu einer Vergleichsspannung,
  • 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung mit einem temperaturkompensierten Vergleichsspannungsgenerator,
  • 5 den Vergleichsspannungsgenerator gemäß 4 im Detail und
  • 6 beispielhaft einen temperaturkompensierten Verlauf der Erregerspannung gemäß der Erfindung.
  • 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Wägezelle 100 mit einem an einem Biegestab 101 applizierten resistiven Sensor 1.
  • Die Applizierung des resistiven Sensors 1 kann z. B. mittels eines Klebers erfolgen. Die beispielhaft als Dehnungsmessstreifen ausgeführten Brückenwiderstände 1114 sind gemäß dem Beispiel in 1 so angeordnet, dass alle aktiv an der Bildung eines Messsignals mitwirken können. Dies hat nicht nur Vorteile im Hinblick auf die Empfindlichkeit, sondern auch auf die thermische Stabilität. Eine gleichmäßige Änderung aller Widerstände durch Temperatureinflüsse lässt das Messsignal bei einer anliegenden konstanten Erregerspannung weitestgehend unverändert. Mit dem Bezugszeichen F ist eine mechanische Kraft bezeichnet, welche auf den Biegestab 101 einwirkt und neben diesem den resistiven Sensor 1 verbiegt.
  • Alternativ können resistive, insbesondere piezoresistive Sensoren, aus Silizium in Form von sogenannten Dünnfilmsensoren hergestellt sein. Bei den Dünnfilmsensoren verbiegt sich eine metallische Membran, wie z. B. aus Edelstahl, und ruft so eine Änderung des elektrischen Widerstandes hervor, der mittels einer Brückenschaltung gemessen werden kann.
  • 2 zeigt beispielhaft ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung 10 mit einem resistiven Sensor 1 in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung.
  • Im linken Teil der 2 ist der resistive Sensor 1 zu sehen, welcher in Reihe zu einem Vorwiderstand 2 geschaltet ist. Die so gebildete Reihenschaltung liegt an einer Versorgungsgleichspannung UP an. Mit M ist das zugehörige Massepotential bezeichnet. Die Versorgungsgleichspannung UP wird typischerweise von einer Spannungsversorgung bereitgestellt. Vorzugsweise weist die Versorgungsgleichspannung UP positive Spannungswerte in Bezug zum Massepotential M auf, wie z. B. 15 Volt. Mit den Bezugszeichen 1114 sind Brückenwiderstände bezeichnet. Sie weisen typischerweise einen gleichen Widerstandswert auf, wie z. B. 5 kOhm. Der Widerstandswert des Vorwiderstandes 2 ist im Vergleich dazu um Größenordnungen kleiner, wie z. B. 300 Ohm. Entsprechend dem Widerstandsverhältnis von Vorwiderstand 2 zu resistivem Sensor 1 liegt eine korres pondierende Erregerspannung UE am resistiven Sensor 1 und eine korrespondierende Vorwiderstandsspannung UV am Vorwiderstand 2 an. Die Vorwiderstandsspannung UV ist dabei betragsmäßig viel kleiner als die Erregerspannung UE. Die Summe aus beiden Spannungen UV, UE entspricht der Versorgungsgleichspannung UP.
  • Am resistiven Sensor 1 liegt eine Messspannung UM an, welche einen zur mechanischen Verbiegung proportionalen Messspannungswert liefert. Die Messspannung UM wird über zwei Messleitungen 29, 30 zu zwei Spannungseingängen 42, 43 eines A/D-Umsetzers 4 geführt. Die Spannungseingänge 42, 43 dienen zur Erfassung einer Differenzspannung. Mit den Bezugszeichen 41, 44 ist ein positiver bzw. negativer Referenzspannungseingang für den A/D-Umsetzer 4 bezeichnet. Auf Basis der an allen Spannungseingängen 4144 anliegenden Spannungen lässt sich mittels eines ratiometrischen Verfahrens ein zur erfassten Messspannung UM proportionaler digitaler Messwert MW ermitteln und ausgeben.
  • Mit den Bezugszeichen 2128 sind potenziell bruchgefährdete Verbindungsabschnitte, Verbindungsleitungen oder Leiterbahnen bezeichnet, welche im Betrieb des resistiven Sensors 1 brechen und somit hochohmig werden können. Als Konsequenz erhöht sich der Gesamtwiderstand des resistiven Sensors 1. Ein entsprechender Brückenstrom IB verringert sich. Zugleich erhöht sich die an dem Vorwiderstand 2 abfallende Vorwiderstandsspannung UV aufgrund des geänderten Widerstandsverhältnisses geringfügig.
  • Erfindungsgemäß wird die Erregerspannung UE oder die Vorwiderstandsspannung UV mit einer vorgegebenen Vergleichsspannung US verglichen. Es wird bei einem Bruch des resistiven Sensors 1 eine Bruchmeldung FM in Form einer Fehlermeldung ausgegeben, wenn eine bruchbedingte Änderung der Erreger- bzw. Vorwiderstandsspannung UE, UV eine vorgegebene maximale Spannungsabweichung dU überschreitet.
  • Zum Spannungsvergleich weist die gezeigte erfindungsgemäße Brucherkennungseinrichtung 10 einen Vergleichsspannungsgenerator 9 auf, welcher eine derart bemessene Vergleichsspannung US bereitstellt, dass die am Mittelabgriff 15 der Reihenschaltung anliegende Erregerspannung UE bzw. die Vorwiderstandsspannung UV bei einem Bruch des resistiven Sensors 1 die Vergleichspannung US um die vorgegebene maximale Spannungsabweichung dU überschreitet. Im Beispiel der 2 ist der Vergleichsspannungsgenerator 9 eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen 7, 8. Ein Komparator 3, welcher eingangsseitig mit dem Mittelabgriff 15 sowie mit dem Vergleichsspannungsgenerator 9 verbunden ist, weist einen Komparatorausgang 33 zur Ausgabe einer entsprechenden Bruchmeldung FM auf.
  • Im Beispiel der 2 ist weiterhin einer der Spannungseingänge 42 über einen ersten Pullwiderstand 5 mit einem ersten Sensorerregeranschluss 18 und der andere Spannungseingang 43 über einen zweiten Pullwiderstand 6 mit einem zweiten Sensorerregeranschluss 19 verbunden. Mit den Bezugszeichen 16, 17 sind die elektrischen Anschlüsse zum Anschließen der Pullwiderstände 6, 7 bezeichnet. Sie liegen vorzugsweise möglichst nahe an den beiden Spannungseingängen 42, 43 des A/D-Umsetzers 4. Der A/D-Umsetzer 4 weist weiterhin Mittel zur Ausgabe einer weiteren Bruchmeldung FM2 auf, wenn der A/D-Umsetzer 4 bei einem Bruch zumindest einer der Messleitungen 29, 30 übersteuert. Im Beispiel der 2 ist der erste Pullwiderstand 5 ein Pull-Up-Widerstand und der zweite Pullwiderstand 6 ein Pull-Down-Widerstand.
  • 3 zeigt beispielhaft temperaturabhängige Erregerspannungsverläufe VOB, VMB des resistiven Sensors 1 mit und ohne Bruch im Vergleich zu einer Vergleichsspannung US.
  • Die beiden Messspannungsverläufe VMB, VOB sind über einer Temperatur T im Bereich von –40°C bis +125°C aufgetragen. Die Messspannungswerte der Messspannung UM liegen bei einem Bruch betragsmäßig über den Messspannungswerten der Messspannung UM ohne Bruch. Ursache dafür ist, dass sich der Gesamtwiderstand des resistiven Sensors 1 bei einem Bruch erhöht und folglich eine höhere Erregerspannung UE an ihm abfällt.
  • 3 zeigt weiterhin, dass die Erregerspannung UE bedingt durch den temperaturabhängigen Sensorwiderstand einen ersten positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der im Vergleich zum Temperaturkoeffizienten des Vorwiderstandes 2 erheblich größer ist. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn als Werkstoff für die Brückenwiderstände 1114 des resistiven Sensors 1 Silizium verwendet wird. Dies hat zur Folge, dass sich der Gesamtwiderstand des resistiven Sensors 1 mit steigenden Temperaturen T vergleichsweise stark erhöht und dass sich bei näherungsweiser Vernachlässigung der Temperaturabhängigkeit des Vorwiderstandes 2 gleichfalls die Erregerspannung UE erhöht.
  • Solange beide Erregerspannungsverläufe VMB, VOB über dem beispielhaft spezifizierten Temperaturbereich außerhalb eines Vergleichsspannungsbandes 2dU liegen, welches um einen nominalen Vergleichsspannungswert USN mit einer maximalen Spannungsabweichung dU in positiver und negativer Richtung herum gebildet ist, ist eine ordnungsgemäße Brucherkennung möglich.
  • Ist allerdings eine Vergrößerung des Vergleichsspannungsbandes 2dU aus Toleranzgründen oder ist eine Vergrößerung des Temperaturbereichs erforderlich, so ist eine Temperaturkompensation der Vergleichsspannung US notwendig.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung 10 mit einem temperaturkompensierten Vergleichsspannungsgenerator 9.
  • Es weist wiederum die Erregerspannung UE bedingt durch den temperaturabhängigen Sensorwiderstand einen ersten positiven Temperaturkoeffizienten auf. Erfindungsgemäß stellt der Vergleichsspannungsgenerator 9 eine Vergleichsspannung US zur temperaturgesteuerten Nachführung mit einem in etwa gleichen zweiten positiven Temperaturkoeffizienten bereit. Dadurch bleibt vorteilhaft ein in etwa gleicher Spannungsabstand zum jeweiligen Erregerspannungswert mit Bruch und ohne Bruch erhalten. Die Ausführungsform dieser Brucherkennungseinrichtung 10 weist daher eine höhere Zuverlässigkeit für eine Brucherkennung auf.
  • Der Vergleichsspannungsgenerator 9 weist vorzugsweise eine Spannungsquelle 91 auf, welche ein temperaturgesteuertes, pulsweitenmoduliertes, digitales Spannungssignal PWM bereitstellt. Der Vergleichsspannungsgenerator 9 weist ein Tiefpassfilter 92 zur Umwandlung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM in die Vergleichsspannung US auf. Durch die Filterung steht quasi eine konstante Vergleichsspannung US am Komparator 3 an.
  • 5 zeigt den Vergleichsspannungsgenerator 9 gemäß 4 im Detail. Mit dem Bezugszeichen 91 ist wiederum eine Spannungsquelle bezeichnet, welche ein temperaturgesteuertes, pulsweitenmoduliertes, digitales Spannungssignal PWM an einem elektrischen Anschluss 96 bereitstellt. Vorzugsweise ist der Anschluss 96 mit einem SPI-Ausgang eines Mikrocontrollers verbunden, welcher zur Messsteuerung- und Messauswertung vorgesehen ist. Das Puls-/Weitenverhältnis kann z. B. durch eine Softwareroutine veränderbar eingestellt werden, welche auf dem Mikrocontroller abläuft und in welche eine vom Mikrocontroller erfasste Temperatur im Bereich des resistiven Sensors rechnerisch eingeht. Ein nachgeschalteter Widerstand 94 bildet mit dem gezeigten Kondensator 95 das Tiefpassfilter 92, an welchem eine konstante Korrekturspannung UK anliegt. Diese wirkt über einen Widerstand 93 korrigierend, das heißt erhöhend bzw. erniedrigend, auf die von der Reihenschaltung aus den Widerständen 7, 8 bereitgestellten und sonst konstanten Vergleichsspannung US.
  • 6 zeigt beispielhaft einen temperaturkompensierten Verlauf VUS der Vergleichsspannung US gemäß der Erfindung. Es ist deutlich erkennbar, wie der Verlauf der Vergleichsspannung VUS innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs ge nau mittig zwischen den beiden Erregerspannungsverläufen VMB, VOB mit Bruch und ohne Bruch liegt.
  • Gemäß der Erfindung kann ein Drucksensor oder Kraftsensor eine derartige erfindungsgemäße Brucherkennungseinrichtung 10 sowie einen A/D-Umsetzer 4 zur Umsetzung einer Messspannung UM des resistiven Sensors 1 in einen dazu proportionalen Druckwert bzw. Kraftwert aufweisen. Weiterhin kann ein Messumformer, insbesondere zum Betrieb an einer 4/20 mA-Zweileiterstromschleife, eine derartigen Drucksensor und/oder Kraftsensor aufweisen. Schließlich kann eine Waage, insbesondere eine Industriewaage, eine Wägezelle 100 mit einer erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung 10 aufweisen, welche einen A/D-Umsetzer 4 zur Umsetzung einer Messspannung UM des resistiven Sensors 1 in einen dazu proportionalen Masse- oder Gewichtswert aufweist.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Brucherkennung eines resistiven Sensors (1) in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, wobei der resistive Sensor (1) in Reihe zu einem Vorwiderstand (2) geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung an einer Versorgungsgleichspannung (UP) anliegt, wobei entsprechend dem Widerstandsverhältnis von Vorwiderstand (2) zu resistivem Sensor (1) eine korrespondierende Erregerspannung (UE) am resistiven Sensor (1) und eine korrespondierende Vorwiderstandsspannung (UV) am Vorwiderstand (2) anliegt, wobei die Erregerspannung (UE) oder die Vorwiderstandsspannung (UV) mit einer vorgegebenen Vergleichsspannung (US) verglichen wird und wobei bei einem Bruch des resistiven Sensors (1) eine Bruchmeldung (FM) ausgegeben wird, wenn eine bruchbedingte Änderung der Erreger- bzw. Vorwiderstandsspannung (UE, UV) eine vorgegebene maximale Spannungsabweichung (dU) überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchmeldung (FM) ausgegeben wird, wenn die Erregerspannung (UE) die Vergleichsspannung (US) um die vorgegebene maximale Spannungsabweichung (dU) übersteigt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspannung (UE) bedingt durch den temperaturabhängigen Sensorwiderstand einen ersten positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und dass die Vergleichsspannung (US) zur temperaturgesteuerten Nachführung einen in etwa gleichen zweiten positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.
  4. Brucherkennungseinrichtung für einen resistiven Sensor (1), welche aufweist – eine Reihenschaltung aus einem Vorwiderstand (2) und einem resistiven Sensor (1) in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, – eine Spannungsversorgung zur Bereitstellung einer Versorgungsgleichspannung (UP) für die Reihenschaltung, – einen Vergleichsspannungsgenerator (9), welcher eine derart bemessene Vergleichsspannung (US) bereitstellt, dass eine am Mittelabgriff (15) der Reihenschaltung anliegende Erregerspannung (UE) oder eine Vorwiderstandsspannung (UV) bei einem Bruch des resistiven Sensors (1) die Vergleichspannung (US) um eine vorgegebene maximale Spannungsabweichung (dU) überschreitet, und – einen Komparator (3), welcher eingangsseitig mit dem Mittelabgriff (15) sowie mit dem Vergleichsspannungsgenerator (9) verbunden ist und welcher einen Komparatorausgang (33) zur Ausgabe einer entsprechenden Bruchmeldung (FM) aufweist.
  5. Brucherkennungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Erregerspannung (UE) bedingt durch den temperaturabhängigen Sensorwiderstand einen ersten positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und – dass der Vergleichsspannungsgenerator (9) eine Vergleichsspannung (US) zur temperaturgesteuerten Nachführung mit einem in etwa gleichen zweiten positiven Temperaturkoeffizienten bereitstellt.
  6. Brucherkennungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichsspannungsgenerator (9) eine Spannungsquelle (91) aufweist, welche ein temperaturgesteuertes pulsweitenmoduliertes digitales Spannungssignal (PWM) bereitstellt, und dass der Vergleichsspannungsgenerator (9) ein Tiefpassfilter (92) zur Umwandlung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals (PWM) in die Vergleichsspannung (US) aufweist.
  7. Brucherkennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die Brucherkennungseinrichtung einen A/D-Umsetzer (4) mit zwei Spannungseingängen (42, 43) zur Erfassung einer am resistiven Sensor (1) anliegenden, über zwei Messleitungen (29, 30) zugeführten Messspannung (UM) aufweist, – dass einer der Spannungseingänge (42) über einen ersten Pullwiderstand (5) mit einem ersten Sensorerregeranschluss (18) und dass der andere Spannungseingang (43) über einen zweiten Pullwiderstand (6) mit einem zweiten Sensorerregeranschluss (19) verbunden ist, und – dass der A/D-Umsetzer (4) Mittel zur Ausgabe einer weiteren Bruchmeldung (FM2) aufweist, wenn der A/D-Umsetzer (4) bei einem Bruch einer der Messleitungen (29, 30) übersteuert.
  8. Drucksensor mit einer Brucherkennungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und mit einem A/D-Umsetzer (4) zur Umsetzung einer Messspannung (UM) des resistiven Sensors (1) in einen dazu proportionalen Druckwert.
  9. Kraftsensor mit einer Brucherkennungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und mit einem A/D-Umsetzer (4) zur Umsetzung einer Messspannung (UM) des resistiven Sensors (1) in einen dazu proportionalen Kraftwert.
  10. Messumformer mit einem Drucksensor nach Anspruch 8 und/oder einem Kraftsensor nach Anspruch 9.
  11. Waage, insbesondere Industriewaage, welche eine Wägezelle (100) mit einer Brucherkennungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und welche einen A/D-Umsetzer (4) zur Umsetzung einer Messspannung (UM) des resistiven Sensors (1) in einen dazu proportionalen Masse- oder Gewichtswert aufweist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202017106958U1 (de) 2017-11-16 2018-01-22 Böllhoff Verbindungstechnik GmbH Vorrichtung zur Matrizenbrucherkennung
DE102016113283A1 (de) * 2016-07-19 2018-01-25 Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH Verfahren zum Bestimmen einer Widerstandsauslenkung einer Wheatstone-Brücke in einer Hochtemperaturumgebung
DE102018219692A1 (de) * 2018-11-16 2020-05-20 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7184698B2 (ja) * 2019-03-29 2022-12-06 株式会社レプトリノ 力覚センサ
US11754490B2 (en) * 2019-09-05 2023-09-12 Dell Products L.P. System and method for sensing corrosion in an enclosure of an information handling system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3478994B2 (ja) * 1999-05-31 2003-12-15 株式会社日立製作所 センサ装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016113283A1 (de) * 2016-07-19 2018-01-25 Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH Verfahren zum Bestimmen einer Widerstandsauslenkung einer Wheatstone-Brücke in einer Hochtemperaturumgebung
DE202017106958U1 (de) 2017-11-16 2018-01-22 Böllhoff Verbindungstechnik GmbH Vorrichtung zur Matrizenbrucherkennung
WO2019096847A1 (de) 2017-11-16 2019-05-23 Böllhoff Verbindungstechnik Gbmh Vorrichtung zur matrizenbrucherkennung
DE102018219692A1 (de) * 2018-11-16 2020-05-20 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis zur Erkennung von seriellen Fehlerlichtbögen

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