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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen der Entladezeit eines Kondensators über mindestens einen Messwiderstand, wie einem Dehnungsmessstreifen, wobei eine Ladeelektrode des Kondensators zum Laden mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und wobei der Kondensator über den Messwiderstand durch Niederohmig-Schalten eines elektronischen Schalters entladbar ist sowie ein Verfahren zum Messen der Entladezeit eines Kondensators über mindestens einen Messwiderstand, wie einem Dehnungsmessstreifen, wobei eine Ladeelektrode des Kondensators zum Laden mit einer Spannungsquelle verbunden wird und wobei der Kondensator über den Messwiderstand durch Niederohmig-Schalten eines elektronischen Schalters entladen wird.
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Es ist bekannt, die Änderung zu messender externer Messgrößen über durch diese beeinflusste Messwiderstände vorzunehmen, beispielsweise Dehnung oder dergleichen bei einer Wiegezelle über Dehnungsmessstreifen, die jeweils einen Messwiderstand bilden. Hierzu wurde schon der Einsatz von Zeit-Digital-Wandlern (Time-to-Digital-Converter – TDC) vorgeschlagen. Hierbei wird die Zeit als Konvertierungsgröße einer anderen physikalischen Größe verwendet. Zum Beispiel wird über ein RC-Glied eine Änderung des Widerstandes eines Dehnungsmessstreifens in eine Zeitänderung gewandelt und diese mittels eine TDC gemessen. Dies ist beispielsweise aus der
EP 1 251 357 B1 bekannt, deren Inhalt auch vollständig zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
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Die Auswerteelektronik und der Messwiderstand sind in der Regel in größeren Entfernungen voneinander angeordnet, die durch Leitungen überbrückt werden. Hierdurch ist eine Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern gegeben. Zur Einhaltung einschlägiger Normen (DIN-EN 45501 oder OIML R76 (2006)) sind aufwändige Schutzbeschaltungen mit hochwertigen Baugliedern, wie Filtern aus EMV-Ferriten und hochwertigen Kondensatoren mit C0G-Dielektrika erforderlich, die demgemäß auch sehr teuer sind. Dies liegt daran dass bei bekannten Schaltungen beim Laden die genannten Leitungen sowohl zu den Messwiderständen als auch von diesen zurück mit der Spannungsquelle bzw. der von dieser geladenen Ladeelektrode des Kondensators verbunden sind. Dadurch wirken diese als Antenne, die elektromagnetische Strahlungsenergie aufnehmen kann, die wiederum bei entsprechender Frequenz und hohen Feldstärkungen Ladungen auf den Kondenstor aufbringen können, welche die Messung während der Entladung über den Messwiderstand verfälschen.
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Darüber hinaus ist allerdings wesentlich, dass in der Entladephase beim Entladen eines Messwiderstandes über den ihm zugeordneten niederohmig geschalteten bzw. geschlossenen Schalter die Leitungen von anderen parallel geschalteten im Moment nicht gemessenen Widerständen über diese mit der gemeinsamen Zuleitung von der Ladeelektrode des Kondensators her verbunden sind, so auf deren höheren Spannung liegen und damit durch diese Leitungen Antennen gebildet werden, die bei entsprechenden Frequenzen zu Störungen auf der gemeinsamen Zuleitung von der Ladelektrode des Kondensators zu den Messwiderständen her führen. Diese Störungen können ohne Schutzbeschaltung weit über ein zulässiges Maß hinausgehen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die durch die Leitungen gebildeten Antennen durch elektromagnetische Einstrahlung eine Spannung von mehreren Volt aufbauen können, da die zugeordneten Schalter hochohmig sind. Dies führt dazu, dass an den entsprechenden Anschlüssen (eins) der Auswerteelektronik, die in der Regel durch einen integrierten Schaltkreis (IC) realisiert ist, die Betriebsspannung desselben deutlich über- oder unterschritten werden kann, so dass im elektronischen Schaltkreis vorgesehene Schutzbeschaltungen (Schutzbeschaltungen, wie ESD-Schutzdioden), aktiviert werden, welche Störspannungen oder Ströme hervorrufen, die wiederum das Messergebnis stark verfälschen können.
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Abhilfe können die hier schon eingangs erwähnten EMV-Schutzbeschaltungen bringen, allerdings mit den angesprochenen hohen Kosten aufgrund der erforderlichen hochwertigen und teuren Komponenten.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum Messen der Entladezeit eines Kondensators über mindestens einen Messwiderstand zu schaffen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Messung vorzusehen, welche unter Vermeidung der genannten Nachteile die Empfindlichkeit gegen elektromagnetische Störfelder reduzieren und eine bessere Verträglichkeit schaffen.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einer Schaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Messwiderstand über den elektronischen Schalter mit der Ladeelektrode des Kondensators verbindbar ist. Zur Lösung sieht die Erfindung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vor, dass der Messwiderstand zum Entladen des Kondensators über den elektronischen Schalter mit der Ladeelektrode des Kondensators verbunden wird.
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Da in der Ladephase der bzw. die elektronischen Schalter hochohmig geschaltet sind und damit die von den Schaltern zu den Messwiderständen führenden Leitungen während der Ladephase von der Spannungsquelle und der Ladeelektrode des Kondensators getrennt sind, sind sie demgemäß auch von der höheren Spannung der Spannungsquelle und der Ladeelektrode des Kondensators getrennt, liegen nicht auf dieser und können daher keine negativen elektromagnetischen Wirkungen entfalten.
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Während grundsätzlich der dem elektronischen Schalter abgewandte Anschluss des Messwiderstandes direkt mit der Gegenelektrode zur Ladeelektrode des Kondensators verbunden sein könnte, ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass der dem elektronischen Schalter abgewandte Anschluss des Messwiderstandes auf Masse liegt, wobei auch die genannte Gegenelektrode des Kondensators mit Masse verbunden ist. Der elektronische Schalter ist bevorzugt ein Analogschalter.
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In einer äußerst bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mit dem elektronischen Schalter ein Transistorschalter zugeordnet ist, der mit einem ersten Anschluss mit dem elektronischen Schalter verbunden ist und dessen zweiter Anschluss auf Masse liegt und der bei Hochohmig-Schalten des elektronischen Schalters niederohmig geschaltet ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass während der Entladung eines Messwiderstandes über den zugeordneten niederohmig geschalteten Schalter (bei dem der zugeordnete zur Masse gehörende Transistorschalter hochohmig geschaltet ist), durch Niederohmig-Schalten der den anderen elektronischen Schaltern (Analogschaltern) zugeordneten zur Masse führenden Transistorschaltern die zu den anderen Messwiderständen führenden (langen) Leitungen auf geringem Potential, bevorzugt eben auf Masse liegen, so dass sie keine Antennenwirkung mit den eingangs genannten Nachteilen bilden können.
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Der wesentliche Kern der erfindungsgemäßen Schaltung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass erfindungsgemäß die den einzelnen Messwiderständen zugeordneten Schalter zwischen den Messwiderständen und der Spannungsquelle sowie der Ladeelektrode des Kondensators geschaltet sind und mit ihrem den Messwiderständen abgewandten Seite unmittelbar mit der Ladelektrode des Kondensators und damit der Spannungsquelle verbunden sind und damit im hochohmiggeschalteten Zustand die auf höhere Spannung geladene Ladeelektrode (und die Spannungsquelle) von dem zu den Messwiderständen führenden langen Leitungen trennen und damit deren Antennenwirkung unterbinden.
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Während die erfindungsgemäße Schaltung grundsätzlich Vorteile bei einem Messwiderstand, dessen Messergebnis durch einen TCD aufgelöst wird, bringt, ist in bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung vorgesehen, dass mehrere parallel geschaltete Messwiderstände mit jeweils in Reihe zugeordnetem elektronischen Schalter, wobei die Messwiderstände durch Niederohmig-Schalten des jeweils ihnen zugeordneten elektronischen Schalters im Multiplex abfragbar sind, so dass verfahrensmäßig mehrere Messwiderstände mit jeweils in Reihe zugeordnetem elektronischen Schalter parallel geschaltet werden und die Messwiderstände durch Niederohmig-Schalten des jeweils ihnen zugeordneten elektronischen Schalters im Multiplex gefragt werden. Auch insofern wird auf die genannte Druckschrift hingewiesen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert ist.
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Dabei zeigt:
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1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung zum Messen der Entladezeit eines Kondensators nacheinander über vier Messwiderstände im Multiplex;
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2 den Spannungsverlauf am Kondensator; und
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3 Tabelle zu den Schaltzuständen der einzelnen Schalter der erfindungsgemäßen Schaltung.
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Die erfindungsgemäße Schaltung 1 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Messwiderstände 2.1 bis 2.4 in Form von Dehnungsmessstreifen auf, die beispielsweise einen Widerstand von typisch 350 Ohm haben können. Weiter weist die Schaltung 1 einen integrierten Ansteuer- und Mess-Schaltkreis 3 (Ansteuer- und Mess-IC) sowie einen Kondensator CL von bis zu mehreren hundert Nanofarad, beispielsweise 400 Nanofarad auf. In dem Ansteuer- und Mess-IC 3 sind jeweils einem der Messwiderstände 2.1 bis 2.4 zugeordnet und mit diesem über Leitungen L1, L2, L3 und L4 verbunden sowie mit jeweils einem Messwiderstand 2.1 bis 2.4 und dem Kondensator CL in Reihe geschaltet, elektronische Schalter AS1, AS2, AS3, AS4 in Form von Analogschaltern integriert.
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Jedem Analogschalter AS1 bis AS4 ist ein Transistorschalter T1, T2, T3, T4 zugeordnet, dessen einer Leitungsanschluss mit dem entsprechenden elektronischen Schalter AS1 bis AS4 verbunden ist und deren anderer Leitungsanschluss geerdet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektronischen Schalter innerhalb des Ansteuer- und Mess-ICs in die zum jeweiligen Messwiderstand 2.1 bis 2.4 führenden Leitung L1 bis L4 geschaltet.
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Weiterhin weist der Ansteuer- und Mess-IC eine Auswerteschaltung AE auf, die einen Time-to-Digital-Converter TDC umfasst. Schließlich ist zwischen der von den elektronischen Schaltern AS1 bis AS4 zum Kondensator CL führenden Leitung und einer Spannungsquelle Vcc mit einer Ladespannung V'cc ein Schalter T5 angeordnet, über den die Spannungsquelle Vcc zum Laden des Kondensators CL mit diesem verbindbar ist.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird demgemäß zunächst der Schalter T5 niederohmig geschaltet, also geschlossen oder eingeschaltet, so dass ein Stromfluss von der Spannungsquelle Vcc zum Kondensator CL erfolgen kann und dieser auf die durch die Spannungsquelle Vcc gegebene Maximalspannung aufgeladen wird, wie dies im Schritt A der 2 dargestellt ist. Hierbei sind die elektronischen Schalter AS1 bis AS4 hochohmig geschaltet, d. h. offen oder ausgeschaltet, so dass über sie kein Stromfluss erfolgt, während die Schalter T1 bis T4 alle niederohmig geschaltet, d. h. geschlossen bzw. eingeschaltet sind. In der nächsten Phase B wird der Schalter T5 hochohmig geschaltet und einer der elektronischen Schalter AS1 bis AS4, beispielsweise der Schalter AS1 wird niederohmig geschaltet, d. h. geschlossen, so dass über ihn und den zugeordneten Messwiderstand 2.1 ein Stromfluss erfolgen kann. Der zugeordnete Schalter T1 ist dabei komplementär hochohmig geschaltet, während die anderen Schalter AS2 bis AS4 ebenfalls hochohmig, die ihnen zugeordneten Transistorschalter T2 bis T4 niederohmig geschaltet sind. Hierbei erfolgt eine Entladung des Transistors CL über den Messwiderstand 2.1, wobei die Entladezeit über die an der Leitung 4 abgegriffene Spannung der Entladezeit bis zu einem vorgegebenen Wert, beispielsweise der Hälfte der Ladespannung V'cc des Kondensators CL mittels des TDC in der Auswerteschaltung AE der gemessen wird. Durch Wandlung der Entladezeit im TDC in einem digitalen Wert in üblicher Weise und Auswertung kann die mittels des Messwiderstandes 2.1 zu messende Größe, wie eine Dehnung, bestimmt werden.
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In der Phase A' (2) wird der Kondensator CL wieder in der beschriebenen Weise geladen und in der Phase B' erfolgt die Entladung über einen der folgenden Dehnungsmessstreifen 2.2 bis 2.4, wobei der Schaltzustand der Schalter AS1 bis AS4 und T1 bis T4 entsprechend wie vorstehend beschrieben ist, also bei Messung des Messwiderstandes 2.2 AS2 und T1, T3, T4 niederohmig und AS1, AS3, AS4 sowie T2 hochohmig geschaltet sind. In entsprechender Weise können im Multiplex auch die weiteren Messwiderstände 2.3 und 2.4 abgefragt werden.
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Die entsprechenden Schaltzustände der Schalter sind in der Übersicht der als 3 beigefügten Tabelle dargestellt, wobei ”ein” heißt, dass der entsprechende Schalter niederohmig oder eingeschaltet bzw. geschlossen ist, während ”aus” bedeutet, dass der entsprechende Schalter hochohmig, ausgeschaltet oder geöffnet ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltung und das erfindungsgemäße verfahrensmäßige Vorgehen ändern das Messprinzip der Messung von Messwiderständen, insbesondere Dehnungsmessstreifen grundsätzlich nicht. Auch hier wird in der ersten Phase A, A' jeweils der Kondensator CL über den Schalter T5 auf die Ladespannung V'cc aufgeladen. Wesentlich ist aber, dass durch die Schaltungsanordnung während dieser Aufladephase A, A' der Kondensator CL von allen elektronmagnetischen Störquellen getrennt ist, insbesondere nicht mit seiner Ladeelektrode über die gemeinsame Leitung L-Common, die in diesem Falle eine lange Leitung sein müsste, um die gesamte Strecke vom Ansteuer- und Mess-IC zu den weiter angeordneten Messwiderständen zu überbrücken und damit elektromagnetischen Einwirkungen ausgesetzt wäre. Weiter sind, wie gesagt, während der Ladephase A, A' die elektronischen Schalter AS1 bis AS4 hochohmig und gleichzeitig die Transistorschalter T1 bis T4 niederohmig, d. h. das gesamte an sich durch elektromagnetische Strahlung störanfällige Netzwerk L1 bis L4, welches eben lange Leitungen vom Ansteuer- und Mess-IC bis zu den einzelnen Messwiderständen beinhalten muss, niederohmig auf Masse (GND) gelegt. Hierdurch werden insgesamt Störungen während der Aufladephasen A, A' praktisch vollständig unterdrückt.
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In der Messphase B, B' wird in an sich bekannter Weise, wie beschrieben, einer der Messwiderstände, beispielsweise 2.1 durch den zugehörigen Schalter, hier einen Analogschalter AS1 angeschaltet und an die Auswerteelektronik gelegt, während der zugehörige mit Masse verbundene Transistorschalter T1 notwendigerweise ausgeschaltet wird, also die entsprechende Leitung L1 von Masse trennt. Der eingeschaltete Zweig (2.1, L1, AS1) wird dadurch, dass er in dieser Messphase mit dem mehrere hundert Nanofarad Kapazität aufweisenden Kondensator CL verbunden ist, durch diesen gegen Störungen geschützt, während die nichtaktiven elektronischen Schalter AS2, ..., AS4 durch die niederohmig zur Masse geschalteten Transistorschalter T2 bis T4 von externen Störspannungen geschützt werden.
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Entsprechendes gilt für die weiteren Messphasen B' der anderen Messwiderstände 2.2 bis 2.4. Insgesamt ist die erfindungsgemäße Schaltung wesentlich robuster gegen elektromagnetische Störungen als bisher verwendete Schaltungen, so dass oft auf weitere Schutzbeschaltungen, wie sie beim Stand der Technik mit hochwertigen Filtern aus EMV-Ferriten und Kondensatoren mit C0G-Dielektrika in den Leitungen L1 bis L4 erforderlich sind, verzichtet werden können oder aber Schutzschaltungen mit weniger und/oder einfacheren Komponenten bestückt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltung
- 2.1–2.4
- Messwiderstände
- 3
- Ansteuer- und Mess-Schaltkreis
- 4
- Leitung
- A, A'
- Aufladephase
- AS1–AS4
- Schalter
- B, B'
- Messphase
- CL
- Kondensator
- GND
- Masse
- L1–L4
- Leitungen
- T1–T4
- Schalter
- T5
- Schalter
- Vcc
- Spannungsquelle
- V'cc
- Ladespannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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