DE102008061996A1

DE102008061996A1 - Messverfahren für Ströme mit unterschiedlichen Messbereichen

Info

Publication number: DE102008061996A1
Application number: DE200810061996
Authority: DE
Inventors: Siegmund Krause
Original assignee: CGS COMP GESTEUERTE SYSTEME GM; CGS COMPUTER GESTEUERTE SYSTEME GmbH
Current assignee: CGS COMP GESTEUERTE SYSTEME GM; CGS COMPUTER GESTEUERTE SYSTEME GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-13
Also published as: DE102008061996B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen und Aufzeichnen des zeitlichen Verlaufes wenigstens eines elektrischen Signals, insbesondere einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stromes, über eine vorbestimmte Zeitspanne, wobei das elektrische Signal über N in Serie geschaltete, elektrische Shuntwiderstände von N Messgeräten geleitet wird, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich zwei ist, wobei der k-te Shuntwiderstand, mit 1 ≰ k ≰ (N-1) und k eine ganze Zahl, einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als der (k+1)-ste Shuntwiderstand, so dass jedes der N Messgeräte einen anderen Messbereich aufweist, wobei jedes der N Messgeräte in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall über den jeweiligen Shuntwiderstand ein Ausgangssignal abgibt und die N Ausgangssignale der N Messgeräte einer Datenaufzeichnungseinrichtung zugeführt werden, wobei jedem der N Shuntwiderstände eine elektrische Kurzschlussvorrichtung zugeordnet ist, die wahlweise aktiviert oder deaktiviert wird und im aktivierten Zustand den jeweils zugeordneten Shuntwiderstand elektrisch kurzschließt. Hierbei zeichnet die Datenaufzeichnungseinrichtung im Verlauf der vorbestimmten Zeitspanne jeweils nur dasjenige elektrische Ausgangssignal eines m-ten Messgerätes, mit 1 ≰ m ≰ N und m eine ganze Zahl, in dessen m-ten Messbereich sich die Werte des elektrischen Signals befinden, als Daten aufzeichnet, wobei alle jeweiligen Kurzschlussvorrichtungen des ersten bis (m-1)-ten Shuntwiderstandes ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen und Aufzeichnen des zeitlichen Verlaufes wenigstes eines elektrischen Signal, insbesondere einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stromes, über eine vorbestimmte Zeitspanne, wobei das elektrische Signal über N in Serie geschaltete, elektrische Shuntwiderstände von N Messgeräten geleitet wird, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich zwei ist, wobei der k-te Shuntwiderstand, mit 1 ≤ k ≤ (N – 1) und k eine ganze Zahl, einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als der (k + 1)-ste Shuntwiderstand, so dass jedes der N Messgeräte einen anderen vorbestimmten Messbereich mit vorbestimmter Auflösung hinsichtlich eines Wertes des elektrischen Signals aufweist, wobei jedes der N Messgerät in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall über den jeweiligen Shuntwiderstand ein Ausgangssignal abgibt und die N Ausgangssignale der N Messgeräte einer Datenaufzeichnungseinrichtung zugeführt werden, wobei jedem der N Shuntwiderstände eine elektrische Kurzschlussvorrichtung zugeordnet ist, die wahlweise aktiviert oder deaktiviert wird und im aktivierten Zustand den jeweils zugeordneten Shuntwiderstand elektrisch kurzschließt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um den Energiebedarf beispielsweise bei einer Überwachungsschaltung für das Vorhandensein einer elektrischen Baugruppe (beispielsweise Türsteuergerät in einem Kraftfahrzeug) möglichst gering zu halten, sind elektrische bzw. elektronische Schaltungen bekannt, die über eine große Zeitspanne in einem Stand-By-Modus nur sehr wenig Strom von beispielsweise 20 μA verbrauchen und für eine sehr kurze Zeitspanne von beispielsweise 10 μs bis 20 μs aktiviert werden und mit einem Stromverbrauch von beispielsweise 90 mA prüfen, ob ein Zündschlüssel vorhanden ist und danach sofort wieder in den Stand-By-Modus wechseln. Hierbei ergibt sich beim Testen derartiger Schaltungen auf deren Funktionstüchtigkeit das Problem, dass es kein Messgerät mit einem derart hohen Dynamikbereich gibt, welches sowohl die Stromwerte des Stand-By-Modus als auch die Stromwerte bei aktiver Schaltung mit ausreichender Genauigkeit bzw. Auflösung hinsichtlich des Stromwertes messen kann. Eine einfache Umschaltung von herkömmlichen Messgeräten ist ebenfalls nicht möglich, da diese Umschaltung beispielsweise mittels Relais bei bekannten Schaltungen mehrere Millisekungen benötigt, so dass das Zeitfenster der aktiven Schaltung von lediglich einigen μs bereits vor Beendigung der Umschaltung wieder vorbei ist. Wegen der zu geringen Auflösung hinsichtlich des Stromwertes ist es auch nicht möglich, den Stromverbrauch im Stand-By-Modus mit einem hohen Messbereich, welcher den hohen Stromwert von 90 mA umfasst, zu messen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der o. g. Art ein elektrisches Signal mit hohem Dynamikbereich zu messen und dabei gleichzeitig über den gesamten Dynamikbereich eine hohe Auflösung der Messung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Datenaufzeichnungseinrichtung im Verlauf der vorbestimmten Zeitspanne jeweils nur dasjenige elektrische Ausgangssignal eines m-ten Messgerätes, mit 1 ≤ m ≤ N und m eine ganze Zahl, in dessen m-ten Messbereich sich die Werte des elektrische Signals befinden, als Daten aufzeichnet, wobei alle jeweiligen Kurzschlussvorrichtungen des ersten bis (m – 1)-ten Shuntwiderstandes aktiviert und alle Kurzschlussvorrichtungen des m-ten bis N-ten Shuntwiderstandes deaktiviert werden, wobei während der vorbestimmten Zeitspanne jedes Mal einer der folgenden Schritte ausgeführt wird, wenn ein Wert des elektrischen Signals den roten Messbereich des m-ten Messgerätes verlässt,

(a) falls m < N und falls das Ausgangssignal des m-ten Messgerätes signalisiert, dass der Wert des elektrischen Signals größer ist als der größte noch in den m-ten Messbereich fallende Wert oder größer als ein erster vorbestimmter Wert innerhalb des m-ten Messbereiches, Aktivieren der m-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der m-te Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit elektrisch kurzgeschlossen wird, Aufzeichnen nur des Ausgangssignals des (m + 1)-ten Messgerätes durch die Datenaufzeichnungseinrichtung und zuweisen des (m + 1)-ten Messgerätes als neues m-tes Messgerät,
(b) falls 1 < m ≤ N und falls das Ausgangssignal des m-ten Messgerätes signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals kleiner ist als der kleinste noch in den m-ten Messbereich fallende Wert oder kleiner als ein zweiter vorbestimmter Wert innerhalb des m-ten Messbereiches, Deaktivieren der (m – 1)-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der elektrische Kurzschluss des (m – 1)-ten Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit aufgehoben wird, Aufzeichnen nur des Ausgangssignals des (m – 1)-ten Messgerätes durch die Datenaufzeichnungseinrichtung und zuweisen des (m – 1)-ten Messgerätes als neues m-tes Messgerät oder
(c) falls m = N und falls das Ausgangssignal des N-ten Messgerätes signalisiert, dass der Wert des elektrischen Signals größer ist als der größte noch in den N-ten Messbereich fallende Wert oder größer als ein erster vorbestimmter Wert innerhalb des m-ten Messbereiches, Aktivieren der N-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der N-te Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit elektrisch kurzgeschlossen wird, oder
(d) falls m = N, falls der N-te Shuntwiderstand aktiviert ist und falls das Ausgangssignal des N-ten Messgerätes signalisiert, dass der Wert des elektrischen Signals kleiner ist als der größte noch in den N-ten Messbereich fallende Wert oder kleiner als ein dritter vorbestimmter Wert innerhalb des N-ten Messbereiches, Deaktivieren der N-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der elektrische Kurzschluss des N-ten Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit aufgehoben wird und Aufzeichnen nur des Ausgangssignals des N-ten Messgerätes durch die Datenaufzeichnungseinrichtung.

Dies hat den Vorteil, dass mit hoher zeitlicher und wertmäßiger Auflösung der zeitliche Verlauf von elektrischen Signalen mit hohem Dynamikbereich genau erfasst und ausgewertet werden kann, wobei gleichzeitig eine nachfolgende elektrische Verbraucherschaltung durch die zur Messung verwendeten Shuntwiderstände in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Datenaufzeichnungseinrichtung eine Datenverarbeitungsanlage, insbesondere ein Mikrocontroller.
Eine besonders kurze Schaltzeit beim Kurzschließen oder Aufheben des Kurzschlusses eines Shuntwiderstandes erzielt man dadurch, dass als wenigstens eine der N Kurzschlussvorrichtungen ein FET verwendet wird.
Eine von dem Massepotential der Messung unabhängige Ansteuerung der FETs erzielt man dadurch, dass ein Gate des FETs von einer ersten Stromquelle gespeist wird, die getrennt von einer mit den N Shuntwiderständen verbundenen zweiten Stromquelle ist, wobei eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Stromquelle und dem Gate des FETs von einem Optokoppler gesteuert wird.
Zweckmäßigerweise ist die vorbestimmte Schaltzeit kleiner als 5 μs, insbesondere beträgt die vorbestimmte Schaltzeit 0,1 μs bis 2 μs, insbesondere 1 μs oder 0,3 μs.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist N gleich zwei und das elektrische Signal ein elektrischer Strom, wobei der elektrische Strom im Verlauf der vorbestimmten Zeitspanne einen maximalen und eine minimalen Werte annimmt, wobei der minimale Wert 10 μA bis 30 μA, insbesondere 20 μA, und der maximale Wert 80 mA bis 100 mA, insbesondere 90 mA, ist, wobei der erste Messbereich des ersten Messgerätes einen Wertebereich von Null bis 1,28 mA und der zweite Messbereich des zweiten Messgerätes einen Wertebereich von 0 bis 128 mA umfasst. Hierbei weist der erste Shuntwiderstand einen elektrischen Widerstand von beispielsweise 250 Ω und der zweite Shuntwiderstand einen elektrischen Widerstand von beispielsweise 2,5 Ω auf.
Eine besonders hohe Messdynamik der einzelnen Messgeräte erzielt man dadurch, dass in wenigstens einem der N Messgeräte das Ausgangssignal durch einen Differenzverstärker verstärkt wird, dessen Eingang mit dem jeweiligen Shuntwiderstand elektrisch verbunden ist und dessen Ausgang das Ausgangssignal des Messgerätes abgibt.
Zweckmäßigerweise wird das Ausgangssignal der Messgeräte in digitale Daten umgewandelt und die Datenaufzeichnungseinrichtung zeichnet die digitalen Daten des m-ten Messgerätes auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist folgender zusätzlicher Schritt vorgesehen,

(e) falls m = 1 und falls das Ausgangssignal des ersten Messgerätes signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals kleiner ist als der kleinste noch in den ersten Messbereich fallende Wert, Aufzeichnen des Messwertes Null durch die Datenaufzeichnungseinrichtung bis das Ausgangssignal eines der N Messgeräte signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals wieder in einen der N Messbereiche fällt.

Zweckmäßigerweise ist nach dem Verlassen von Schritt (e) folgender zusätzlicher Schritt vorgesehen,

(e1) Zuweisen desjenigen Messgerätes, welches signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals in seinen Messbereich fällt als m-tes Messgerät.

Zum Testen der Funktionsfähigkeit einer nachfolgenden, von dem elektrischen Signal gespeisten elektrischen Verbraucherschaltung wird aus dem gemessenen Verlauf des elektrischen Signals über die Zeit eine von dem elektrischen Signal in der vorbestimmten Zeitpanne übertragene elektrische Energie bestimmt.
Zweckmäßigerweise werden die Kurzschlussvorrichtungen von der Datenaufzeichnungseinrichtung wahlweise aktiviert oder deaktiviert.
Der erste vorbestimmte Wert des m-ten Messbereiches und der zweite vorbestimmte Wert des (m + 1)-ten Messbereiches sind beispielsweise identisch. Ein eindeutiges Schaltverhalten erzielt man dadurch, dass der erste vorbestimmte Wert des m-ten Messbereiches kleiner oder größer ist als der zweite vorbestimmte Wert des (m + 1)-ten Messbereiches.
Der erste vorbestimmte Wert und der dritte vorbestimmte Wert des N-ten Messbereiches sind beispielsweise identisch. Ein eindeutiges Schaltverhalten erzielt man dadurch, dass der erste vorbestimmte Wert des N-ten Messbereiches kleiner oder größer als der dritte vorbestimmte Wert des N-ten Messbereiches ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Schaltung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine graphische Darstellung des zeitliches Verlaufes eines elektrischen Signals in Form eines elektrischen Stromes über die Zeit und
3 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches A von 2.
1 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte, elektronische Schaltung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit N = 2, d. h. es sind zwei Messgeräte, zwei Shuntwiderstände und dementsprechend zwei Messbereiche vorgesehen.
Zwischen einer Spannungsquelle 10 mit einer elektrischen Spannung von beispielsweise +12 V und einer Masse GND_Last 12 fließt über eine Last 14 ein Messstrom I 16. Die Last 14 ist beispielsweise eine zu testende Steuerbaugruppe mit wechselndem Innenwiderstand zwischen sehr hochohmig für einen Stand-By-Modus mit sehr niedrigem Stromverbrauch von beispielsweise 20 μA, niederohmig für einen Überwachungsmodus, in dem die Last 14 nur teilweise in Betrieb ist, mit hohem Stromverbrauch von beispielsweise 90 mA sowie niederohmig für einen Betriebsmodus, in dem die Last 14 vollständig in Betrieb ist, mit einem hohen Stromverbrauch von mehr als beispielsweise 90 mA. In den Stromweg zwischen der Spannungsquelle 10 und der Masse 12 sind ein erster Shuntwiderstand 18 mit einem Widerstand R1 = 250 Ω und ein zweiter Shuntwiderstand 20 mit einem Widerstand R2 = 2,5 Ω geschaltet. Der erste Shuntwiderstand 18 ist Teil eines ersten Messgerätes, welches neben dem ersten Shuntwiderstand 18 einen ersten Differenzverstärker 22 mit einem differentiellen Eingang umfasst, der mit Messleitungen 24 des ersten Shuntwiderstandes 18 verbunden ist und eine Ausgangsleitung 26 aufweist. Der zweite Shuntwiderstand 20 ist Teil eines zweiten Messgerätes, welches neben dem zweiten Shuntwiderstand 20 einen zweiten Differenzverstärker 28 mit einem differentiellen Eingang umfasst, der mit Messleitungen 30 des zweiten Shuntwiderstandes 20 verbunden ist und eine Ausgangsleitung 32 aufweist. Die beiden Messgeräte messen in bekannter Weise über eine Vierpunktkontaktierung (auch Kelvin-Anschlüsse oder Kelvin-Kontaktierung genannt) des jeweiligen Shuntwiderstandes 18, 20 eine über den jeweiligen Shuntwiderstand 18, 20 abfallende Spannung, aus der über das Ohmsche Gesetz der Messstrom I 16 bestimmt werden kann.
Weiterhin ist ein Datenaufzeichnungsgerät 34 in Form eines Mikrocontrollers vorgesehen. Dieser Mikrocontroller 34 umfasst einen ersten A/D-Wandler 38, dessen Eingang mit der Ausgangsleitung 26 des ersten Differenzverstärkers 22 verbunden ist, einen zweiten A/D-Wandler 36, dessen Eingang mit der Ausgangsleitung 32 des zweiten Differenzverstärkers 28 verbunden ist, einen ersten Ausgang 40 (Port I/O) und einen zweiten Ausgang 42 (Port I/O).
Zu dem ersten Shuntwiderstand 18 ist eine erste Kurzschlussvorrichtung 44 in Form eines ersten FET parallel geschaltet und zu dem zweiten Shuntwiderstand 20 ist eine zweite Kurzschlussvorrichtung 46 in Form eines zweiten FET parallel geschaltet. Jeder FET 44, 46 wird über dessen jeweiliges Gate 48 elektrisch wahlweise in einen aktivierten Zustand oder einen deaktivierten Zustand geschaltet, wobei der FET 44, 46 im aktivierten Zustand leitend ist, so dass der FET 44, 46 den jeweiligen Shuntwiderstand 18, 20 kurzschließt bzw. elektrisch überbrückt und der Messstrom I 16 über den FET 44, 46 fließt, und im deaktivierten Zustand hochohmig ist, so dass der Messstrom I 16 nicht über den FET 44, 46, sondern über den jeweiligen Shuntwiderstand 18, 20 fließt. Der erste Ausgang 40 des Mikrocontrollers 34 ist mit dem Gate 48 der ersten Shuntwiderstandes 18 elektrisch verbunden und der zweite Ausgang 42 des Mikrocontrollers 34 ist mit dem Gate 48 der zweiten Shuntwiderstandes 20 elektrisch verbunden. Auf diese Weise schaltet der Mikrocontroller 34 die FETs 44, 46 unabhängig voneinander wahlweise in den aktivierten oder deaktivierten Zustand.
Der Widerstand R1 des ersten Shuntwiderstandes 18 ist derart gewählt, dass das erste Messgerät einen Messbereich bis 1,28 mA aufweist. Der Widerstand R2 des zweiten Shuntwiderstandes 20 ist derart gewählt, dass das zweite Messgerät einen Messbereich von 0 mA bis 128 mA aufweist. Innerhalb des jeweiligen Messbereiches weisen die Messgeräte hinsichtlich des Stromwertes eine vorbestimmte, gewünschte Auflösung auf.
Die gesamte, in 1 dargestellte Anordnung dient dazu, die Steuerbaugruppe 14 auf deren Funktionstüchtigkeit zu testen. Hierzu dient der Messstrom I 16 über die Zeit als Indikator für die korrekte Funktion der Steuerbaugruppe 14.
2 veranschaulicht einen Verlauf des Messstromes I 16 über die Zeit, welcher von der Steuerbaugruppe 14 bei korrekter Funktion verbraucht wird. In 2 ist auf einer horizontalen Achse 50 die Zeit t und auf einer vertikalen Achse 52 ist ein Strom I aufgetragen. Mit 54 ist ein Zeitpunkt t₀, mit 56 ist ein Zeitpunkt t₁, mit 58 ist ein Zeitpunkt t₂, mit 60 ist ein Stromwert von 0 A, mit 62 ist ein Stromwert von 20 μA und mit 64 ist ein Stromwert von 90 mA bezeichnet. Ein Graph 66 veranschaulicht den Verlauf des Messstromes I 16 über die Zeit. Zum Zeitpunkt t₀ 56 beginnt die Messung und die Steuerbaugruppe 14 befindet sich bis zum Zeitpunkt t₁ 56 im Stand-By-Modus, in dem die Steuerbaugruppe 14 einen Strom von 20 μA verbraucht. Zum Zeitpunkt t₁ 56 wechselt die Steuerbaugruppe 14 von dem Stand-By-Modus in den Überwachungsmodus, wobei der Stromverbrauch der Steuerbaugruppe 14 schlagartig auf 90 mA ansteigt. Dieser Überwachungsmodus wird von der Steuerbaugruppe 14 jedoch nur sehr kurze Zeit, beispielsweise 10–20 μs oder 30 μs, aufrechterhalten und die Steuerbaugruppe 14 wechselt bereits zum Zeitpunkt t₂ 58 wieder in den Stand-By-Modus mit lediglich 20 μA Stromverbrauch. 3 veranschaulicht vergrößert die Wechsel des Betriebszustands der Steuerbaugruppe 14 zu den Zeitpunkten t₁ 56 und t₂ 58. Hierbei bezeichnet 68 einen Stromwert von 1,28 mA und 70 einen Stromwert von 1,20 mA
Die beiden Stromwerte 20 μA bei 62 und 90 mA bei 64 liegen so weit auseinander, dass es nicht möglich ist, mit ein und demselben Messbereich beide Stromwerte mit hoher Genauigkeit bzw. Auflösung hinsichtlich des Stromwertes zu messen. Eine Umschaltung von Messbereichen herkömmlicher Messgeräte ist jedoch mit einem Zeitbedarf von einigen 100 ms deutlich langsamer als die Dauer des Strompeaks von t₁ 56 bis t₂ 58 von ca. 10–30 μs, so dass auch die zeitliche Auflösung der Strommessung nicht ausreichend wäre.
Die Shuntwiderstände 18, 20 sind in Reihe zum Stromkreis 10, 12, 14 geschalten. An jedem Shuntwiderstand 18, 20 entsteht durch den Stromfluss des Messstromes I 16 ein Spannungsabfall. Der Messstrom I 16 lässt sich aufgrund der Größe des Spannungsabfalls errechnen (Ohmsches Gesetz). Für den ersten Shuntwiderstand 18 ist ein maximaler Spannungsabfall von 320 mV entsprechend 1,28 mA zulässig. Zulässig bedeutet, dass der erste A/D-Wandler 38 des Mikrocontrollers 34 nicht übersteuert werden darf (Zerstörung durch Überspannung) und die Verlustleistung am ersten Shuntwiderstand 18 nicht zu hoch steigen darf (Zerstörung durch Wärme). Die elektrische Spannung, welche am ersten und/oder zweiten Shuntwiderstand 18, 20 abfällt, fehlt am eigentlichen Verbraucher, nämlich der Steuerbaugruppe 14. Durch Nachregelung der Versorgungsspannung 10 kann dies nachkompensiert werden.
Zum Testen der Steuerbaugruppe 14 wird der Stromverlauf 66 der Steuerbaugruppe 14 aufgezeichnet und ausgewertet. Die Baugruppe 14 ”schläft” (Stand-By-Modus) von t₀ 56 bis t₁ 58, wobei ein Ruhestrom von ca. 20 μA fließt. Es wird der kleinsten Messbereich des ersten Messgerätes mit dem ersten Shuntwiderstand 18 verwendet, mit dem sehr kleine Ströme gemessen werden können. Nun ”wacht” die Baugruppe 14 bei t₁ 56 für kurze Zeit auf (Überwachungsmodus) und hat einen Stromverbrauch von ca. 90 mA. Für den aktuellen Messbereich des ersten Messgerätes ist dieser Messstrom I 16 viel zu groß. Je nach Einstellung des Messgerätes, erfolgt eine Abschaltung der Messung oder automatische Messbereichs-Wahl. Herkömmliche Messgeräte mit einer Auto-Range-Funktion (selbständige Wahl des Messbereichs) sind für die Aufzeichnung des kompletten Kurvenverlaufs ungeeignet, da diese, wie zuvor erläutert, zu langsam sind.
Der Messbereich des ersten Messgerätes ist in einem Bereich eingestellt, in dem sehr kleine Ströme von z. B. 20 μA gemessen werden können. Hierfür ist der erste Shuntwiderstand 18 sehr hochohmig. In dem vorliegenden Beispiel gemäß 1 beträgt der elektrische Widerstand R1 des ersten Shuntwiderstandes 18 für den kleinen Messbereich 250 Ω und der Baugruppe 14 fehlen lediglich 5 mV Versorgungsspannung. Der Innenwiderstand der Baugruppe 14 ist im Stand- By-Modus hochohmig und beträgt beispielsweise 600 MΩ. Wacht die Baugruppe 14 auf, d. h. diese wechselt in den Betriebsmodus oder den Überwachungsmodus, so ist der Innenwiderstand der Baugruppe 14 sehr niederohmig und beträgt beispielsweise nur noch 133 Ω. Da sich noch der hochohmige erste Shuntwiderstand 18 im Stromkreis 10, 12, 14 befindet, fällt fast die komplette Versorgungsspannung am ersten Shuntwiderstand 18 und nicht mehr, wie gewünscht, an der Baugruppe 14 ab. Dies hat zur Folge, dass die Baugruppe ihre Versorgungsspannung verliert, was sehr unerwünscht ist. Den Ruhestrom der Baugruppe 14 von 20 μA von Beginn an in dem größeren Messbereich des zweiten Messgerätes zu messen macht keinen Sinn, da die Auflösung hinsichtlich des Stromwertes zu gering ist und die Genauigkeit darunter leidet, wenn im ganz untersten Bereich eines Messbereiches gemessen wird. Der Grund hierfür ist, dass das Signal- zu Rauschverhältnis sehr ungünstig ist. Erfindungsgemäß wird daher ein Messverfahren zur Verfügung gestellt, welches in der Lage ist, trotz großem Sprung des Stromwertes, brauchbare Messergebnisse des kleinen Messstromes I 16 (20 μA) und des vergleichsweise großen Messstromes (90 mA, hohe Dynamik) zu liefern.
In den Stromkreis 10, 12, 14 der Baugruppe 14 sind die zwei Shuntwiderstände 18, 20 in Reihe geschalten. Die Widerstandswerte R1 und R2 sind derart gewählt, dass der zweite Shuntwiderstand 20 bei 90 mA und der erste Shuntwiderstand 18 bei 20 μA einen zulässigen Spannungsabfall erzeugt. Von t₀ 54 bis t₁ 56 liefert das erste Messgerät einen Wert für den Messstrom I 16 und der Mikrocontroller 34 zeichnet entsprechende Daten auf. Übersteigt der Messstrom I 16 die Grenze des Messbereiches des ersten Messgerätes mit dem ersten Shuntwiderstand 18 beim Aufwachen der Baugruppe 14, d. h. der Spannungsabfall am ersten Shuntwiderstand 18 übersteigt 320 mV bzw. der Stromwert übersteigt 1,28 mA, wie aus 3 zum Zeitpunkt t₁ 56 ersichtlich, so greift der erste FET 44 ein, indem er in den aktivierten Zustand wechselt und dadurch eine Brücke parallel zum ersten Shuntwiderstand 18 bildet. Der Spannungsabfall am ersten Shuntwiderstand 18 ist somit 0 V. Der Messstrom I 16 wird jedoch durch den zweiten Shuntwiderstand 20 weiterhin erfasst, da sein erzeugter Spannungsabfall zulässig ist. Die elektrische Überbrückung des ersten Shuntwiderstandes 18 durch den ersten FET 44 geschieht in wenigen Mikrosekunden bei einem Spannungsabfall von 320 mV, so dass der Spannungs-Verlust an der Baugruppe 14 begrenzt ist. Der erste FET 44 ist sehr niederohmig (im Milliohm-Bereich) und verhindert, dass die Baugruppe 14 unerlaubt wenig Versorgungsspannung erhält. Der zweite FET 46 schützt in diesem Beispiel den zweiten Messbereich bzw. das zweite Messgerät mit dem zweiten Shuntwiderstand 20, da bei einem Einschalten der Baugruppe 14 (Betriebsmodus) der Messstrom I 16 kurzzeitig 90 mA weit überschreiten kann und beispielsweise 40 A beträgt.
Insgesamt besitzt dieses Strommessverfahren eine sehr hohe Dynamik, in diesem Beispiel 4500:1 (90 mA zu 20 μA). Es ist aber auch eine Dynamik von 3200000:1 (64 A zu ≤ 20 μA) oder mehr möglich, sofern der entsprechende Strommessbereich mit einem entsprechenden Shuntwiderstand und Kurzschlussvorrichtung vorgesehen ist. Die Dynamik ist beliebig einstellbar. Der zweite Messbereich des zweiten Messgerätes mit dem zweiten Shuntwiderstand 20 überwacht ständig den Messstrom I 16 und der Mikrocontroller 34 entscheidet anhand der A/D-Werte, ob ein für den ersten Messbereich des ersten Messgerätes nutzbarer Bereich vorliegt und schaltet den ersten FET 44 bei Bedarf auf niederohmig bei ”Baugruppe 14 wach” (Überwachungsmodus mit hohem Stromverbrauch) und hochohmig bei ”Baugruppe schläft” (Stand-By-Modus der Baugruppe 14). Auf diese Weise kann der Ruhestrom im Stand-By-Modus der Baugruppe 14 in einem günstigen SNR (Signal-to-Noise Ratio) und von dem Mikrocontroller 34 erfasst werden.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird der erste FET 44 über den ersten Ausgang 40 von dem Mikrocontroller 34 aktiviert (niederohmig) bzw. deaktiviert (hochohmig). Auch der zweite FET 46 wird ggf. von dem Mikrocontroller 34 über den zweiten Ausgang 42 aktiviert (niederohmig), falls der Messstrom I 16 einen Strom von 128 mA übersteigt (Betriebsmodus oder fehlerhafte Baugruppe 14). Dies könnte beispielsweise bei einem Defekt der Steuerbaugruppe 14 der Fall sein. Die Aktivierung bzw. Deaktivierung der FETs 44, 46 ist alternativ auch mittels einer bzgl. des Mikrocontrollers 34 externen Schaltung möglich.
Wenn zum Zeitpunkt t₂ 58 der Messstrom I 16 wieder den Wert 70 von beispielsweise 1,20 mA unterschreitet, wie aus 3 gemäß Graph 66 ersichtlich, schaltet der Mikrocontroller 34 oder eine entsprechende externe Schaltung, den ersten FET 44 wieder in den deaktivierten Zustand und der Verlauf des Messstromes I 16 gemäß Graph 66 wird von dem Mikrocontroller 34 wieder anhand der Werte am Ausgang 26 des ersten Differenzverstärkers 22 aufgezeichnet. Um ggf. ein undefiniertes Schalten zu den Zeitpunkten t₁ 56 und t₂ 58 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, dass der Umschaltwert für den Strom 68 bei t₁ 56 anders gewählt wird, als der Umschaltwert für den Strom 70 zum Zeitpunkt t₂ 58. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Umschaltwert für den Strom 68 bei t₁ 56 1,28 mA und beträgt der Umschaltwert für den Strom 70 zum Zeitpunkt t₂ 58 1,20 mA. Diese Hysterese stellt eindeutige Schaltzustände zum Zeitpunkt t₁ 56 sowie zum Zeitpunkt t₂ 58 sicher.
Die Genauigkeit der Strommessung wird auch von der Genauigkeit der Widerstandswerte R1, R2 der Shuntwiderstände 18, 20 bestimmt. Diese Genauigkeit der Widerstandswerte R1, R2 der Shuntwiderstände 18, 20 beträgt beispielsweise 0,05 bis 0,1%.
Eine besonders vorteilhafte Art der Ansteuerung der Kurzschlussvorrichtung 44, 46 ist in 1 beispielhaft für den zweiten FET 46 dargestellt. Diese Art der Ansteuerung wird bevorzugt für alle Kurzschlussvorrichtung bzw. FET 44, 46 verwendet. Hierbei ist der zweite Ausgang 42 des Mikrocontrollers 40 über einen elektrischen Widerstand 72 und eine Diode 74 eines Optokopplers mit einer Masse GND_D 76 verbunden, wobei diese Masse GND_D 76 getrennt von der Masse GND_Last 12 der Messung bzw. des Messschaltkreises mit der Last 14 und den Shuntwiderständen 18, 20 ist. Sobald der Ausgang 42 des Mikrocontrollers 40 Strom über den elektrischen Widerstand 72 und die Diode 74 des Optokopplers gibt, strahlt die Diode 74 ein optisches Signal ab. Das Gate 48 des zweiten FET 46 ist über einen Fototransistor 78 des Optokopplers mit einer Stromquelle 80 verbunden. Die Stromquelle 80 ist weiterhin mit einem Source-Anschluss 82 des zweiten FET 46 verbunden. Sobald die Diode 74 das optische Signal abgibt, empfängt der Fototransistor 78 dieses optische Signal der Diode 72 woraufhin der Fototransistor 78 durchschaltet, d. h. dieser verbindet die Stromquelle 80 elektrisch leitend mit dem Gate 48 des zweiten FET 46. Hierdurch wird der Stromkreis über die Stromquelle 80 geschlossen und es wird der zweite FET 46 aktiviert, so dass dieser den zweiten Shuntwiderstand 20 kurzschließt. Diese Ansteuerung des zweiten FET 46 mittels des Optokopplers 74, 78 hat den Vorteil, dass der zweite FET 46 eine eigene Stromversorgung 80 hat, die unabhängig von der Stromversorgung 10 für die Last 14, d. h. unabhängig von dem Massepotential der Messung ist. Somit hat der zweite FET 46 elektrische Eigenschaften wie ein potentialfreies Relais. Mit dieser Schaltung nutzt die Kurzschlussvorrichtung in Form des zweiten FET 46 die elektrischen Vorteile eines Relais mit jedoch wesentlich höherer Schaltgeschwindigkeit eines FET.

Claims

Verfahren zum Messen und Aufzeichnen des zeitlichen Verlaufes wenigstes eines elektrischen Signal, insbesondere einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stromes, über eine vorbestimmte Zeitspanne, wobei das elektrische Signal über N in Serie geschaltete, elektrische Shuntwiderstände von N Messgeräten geleitet wird, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich zwei ist, wobei der k-te Shuntwiderstand, mit 1 ≤ k ≤ (N – 1) und k eine ganze Zahl, einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als der (k + 1)-ste Shuntwiderstand, so dass jedes der N Messgeräte einen anderen Messbereich aufweist, wobei jedes der N Messgerät in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall über den jeweiligen Shuntwiderstand ein Ausgangssignal abgibt und die N Ausgangssignale der N Messgeräte einer Datenaufzeichnungseinrichtung zugeführt werden, wobei jedem der N Shuntwiderstände eine elektrische Kurzschlussvorrichtung zugeordnet ist, die wahlweise aktiviert oder deaktiviert wird und im aktivierten Zustand den jeweils zugeordneten Shuntwiderstand elektrisch kurzschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenaufzeichnungseinrichtung im Verlauf der vorbestimmten Zeitspanne jeweils nur dasjenige elektrische Ausgangssignal eines m-ten Messgerätes, mit 1 ≤ m ≤ N und m eine ganze Zahl, in dessen m-ten Messbereich sich die Werte des elektrische Signals befinden, als Daten aufzeichnet, wobei alle jeweiligen Kurzschlussvorrichtungen des ersten bis (m – 1)-ten Shuntwiderstandes aktiviert und alle Kurzschlussvorrichtungen des m-ten bis N-ten Shuntwiderstandes deaktiviert werden, wobei während der vorbestimmten Zeitspanne jedes Mal einer der folgenden Schritte ausgeführt wird, wenn das elektrische Signal den m-ten Messbereich des m-ten Messgerätes verlässt, (a) falls m < N und falls das Ausgangssignal des m-ten Messgerätes signalisiert, dass der Wert des elektrischen Signals größer ist als der größte noch in den m-ten Messbereich fallende Wert oder größer als ein erster vorbestimmter Wert innerhalb des m-ten Messbereiches, Aktivieren der m-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der m-te Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit elektrisch kurzgeschlossen wird, Aufzeichnen nur des Ausgangssignals des (m + 1)-ten Messgerätes durch die Datenaufzeichnungseinrichtung und zuweisen des (m + 1)-ten Messgerätes als neues m-tes Messgerät, (b) falls 1 < m ≤ N und falls das Ausgangssignal des m-ten Messgerätes signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals kleiner ist als der kleinste noch in den m-ten Messbereich fallende Wert oder kleiner als ein zweiter vorbestimmter Wert innerhalb des m-ten Messbereiches, Deaktivieren der (m – 1)-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der elektrische Kurzschluss des (m – 1)-ten Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit aufgehoben wird, Aufzeichnen nur des Ausgangssignals des (m – 1)-ten Messgerätes durch die Datenaufzeichnungseinrichtung und zuweisen des (m – 1)-ten Messgerätes als neues m-tes Messgerät oder (c) falls m = N und falls das Ausgangssignal des N-ten Messgerätes signalisiert, dass der Wert des elektrischen Signals größer ist als der größte noch in den N-ten Messbereich fallende Wert oder größer als ein erster vorbestimmter Wert innerhalb des m-ten Messbereiches, Aktivieren der N-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der N-te Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit elektrisch kurzgeschlossen wird, oder (d) falls m = N, falls der N-te Shuntwiderstand aktiviert ist und falls das Ausgangssignal des N-ten Messgerätes signalisiert, dass der Wert des elektrischen Signals kleiner ist als der größte noch in den N-ten Messbereich fallende Wert oder kleiner als ein dritter vorbestimmter Wert innerhalb des N-ten Messbereiches, Deaktivieren der N-ten Kurzschlussvorrichtung derart, dass der elektrische Kurzschluss des N-ten Shuntwiderstand innerhalb einer vorbestimmten Schaltzeit aufgehoben wird und Aufzeichnen nur des Ausgangssignals des N-ten Messgerätes durch die Datenaufzeichnungseinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenaufzeichnungseinrichtung eine Datenverarbeitungsanlage, insbesondere ein Mikrocontroller, ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens eine der N Kurzschlussvorrichtungen ein FET verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gate des FETs von einer ersten Stromquelle gespeist wird, die getrennt von einer mit den N Shuntwiderständen verbundenen zweiten Stromquelle ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Stromquelle und dem Gate des FETs von einem Optokoppler gesteuert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Schaltzeit kleiner als 5 μs ist, insbesondere 0,1 μs bis 2 μs, insbesondere 1 μs oder 0,3 μs, beträgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass N gleich zwei und das elektrische Signal ein elektrischer Strom ist, wobei der elektrische Strom im Verlauf der Zeitspanne einen maximalen und einen minimalen Werte annimmt, wobei der minimale Wert 10 μA bis 30 μA, insbesondere 20 μA, und der maximale Wert 80 mA bis 100 mA, insbesondere 90 mA, ist, wobei der erste Messbereich des ersten Messgerätes einen Wertebereich von Null bis 1,28 mA und der zweite Messbereich des zweiten Messgerätes einen Wertebereich von 0 mA bis 128 mA umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Shuntwiderstand einen elektrischen Widerstand von 250 Ω und der zweite Shuntwiderstand einen elektrischen Widerstand von 2,5 Ω aufweist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der N Messgeräte das Ausgangssignal durch einen Differenzverstärker verstärkt wird, dessen Eingang mit dem jeweiligen Shuntwiderstand elektrisch verbunden ist und dessen Ausgang das Ausgangssignal des Messgerätes abgibt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal der Messgeräte in digitale Daten umgewandelt wird und die Datenaufzeichnungseinrichtung die digitalen Daten des m-ten Messgerätes aufzeichnet.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgender zusätzlicher Schritt vorgesehen ist, (e) falls m = 1 und falls das Ausgangssignal des ersten Messgerätes signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals kleiner ist als der kleinste noch in den ersten Messbereich fallende Wert, Aufzeichnen des Messwertes Null durch die Datenaufzeichnungseinrichtung bis das Ausgangssignal eines der N Messgeräte signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals wieder in einen der N Messbereiche fällt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verlassen von Schritt (e) folgender zusätzlicher Schritt vorgesehen ist, (e1) Zuweisen desjenigen Messgerätes, welches signalisiert, dass ein Wert des elektrischen Signals in seinen Messbereich fällt als m-tes Messgerät.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Verlauf des elektrischen Signals über die Zeit eine von dem elektrischen Signal in der vorbestimmte Zeitpanne übertragene elektrische Energie bestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussvorrichtungen von der Datenaufzeichnungseinrichtung wahlweise aktiviert oder deaktiviert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorbestimmte Wert des m-ten Messbereiches identisch, kleiner oder größer als der zweite vorbestimmte Wert des (m + 1)-ten Messbereiches ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorbestimmte Wert des N-ten Messbereiches identisch, kleiner oder größer als der dritte vorbestimmte Wert des N-ten Messbereiches ist.