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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur Brucherkennung eines resistiven Sensors anzugeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach
einer Verfahrensvariante wird die Bruchmeldung ausgegeben, wenn
die Erregerspannung die Vergleichspannung um die vorgegebene maximale
Spannungsabweichung übersteigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Des
Weiteren wir die Aufgabe durch einen Messumformer gelöst, welcher
einen derartigen Drucksensor und/oder einen derartigen Kraftsensor aufweist.
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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.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden
im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 einen
beispielhaften Aufbau einer Wägezelle
mit einem an einem Biegestab applizierten resistiven Sensor,
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2 beispielhaft
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung
mit einem resistiven Sensor in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung,
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3 beispielhaft
temperaturabhängige
Erregerspannungsverläufe
des resistiven Sensors mit und ohne Bruch im Vergleich zu einer
Vergleichsspannung,
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4 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung
mit einem temperaturkompensierten Vergleichsspannungsgenerator,
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5 den
Vergleichsspannungsgenerator gemäß 4 im
Detail und
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6 beispielhaft
einen temperaturkompensierten Verlauf der Erregerspannung gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
einen beispielhaften Aufbau einer Wägezelle 100 mit einem
an einem Biegestab 101 applizierten resistiven Sensor 1.
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Die
Applizierung des resistiven Sensors 1 kann z. B. mittels
eines Klebers erfolgen. Die beispielhaft als Dehnungsmessstreifen
ausgeführten Brückenwiderstände 11–14 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.
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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.
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2 zeigt
beispielhaft ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung 10 mit
einem resistiven Sensor 1 in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung.
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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 11–14 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.
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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 41–44 anliegenden
Spannungen lässt
sich mittels eines ratiometrischen Verfahrens ein zur erfassten
Messspannung UM proportionaler digitaler Messwert MW ermitteln und
ausgeben.
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Mit
den Bezugszeichen 21–28 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.
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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.
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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.
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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.
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3 zeigt
beispielhaft temperaturabhängige
Erregerspannungsverläufe
VOB, VMB des resistiven Sensors 1 mit und ohne Bruch im
Vergleich zu einer Vergleichsspannung US.
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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.
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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 11–14 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.
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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.
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Ist
allerdings eine Vergrößerung des
Vergleichsspannungsbandes 2dU aus Toleranzgründen oder ist eine Vergrößerung des
Temperaturbereichs erforderlich, so ist eine Temperaturkompensation
der Vergleichsspannung US notwendig.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brucherkennungseinrichtung 10 mit einem
temperaturkompensierten Vergleichsspannungsgenerator 9.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.