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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Ausgangssignals in Abhängigkeit eines Sensorsignals eines Analogsensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Schaltung ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 062 538 A1 bekannt, bei der anhand des erfassten Sensorsignals ein Bewertungssignal ausgegeben wird und ein Maximum bei einer bevorzugten Sensorsignal erreicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit einer solchen Schaltung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltung entsprechend dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhaft ist eine Schaltung zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Ausgangssignals in Abhängigkeit eines Sensorsignals eines Analogsensors vorgesehen, mit einer Potenzialleitung für eine Versorgungsspannung, ein internes und externes Bezugspotenzial, mit einer Eingangsschaltung, die derart ausgestaltet ist, dass die Eingangsschaltung bei Vorliegen eines bevorzugten Sensorsignals einen maximalen Wert ausgibt, wobei die Eingangsschaltung das Sensorsignal in Relation zum internen Bezugspotenzial auswertet, und eine Ausgabeschaltung derart aufgebaut ist, dass ein Ausgangssignal in Relation zum externen Bezugspotenzial ausgeben wird.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Sensorsignal in Relation zu einem internen Bezugspotenzial gemessen werden kann und so Störungen, die auf ein externes Bezugspotenzial liegen können vermieden werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch einen Analogsensor mit einem internen Bezugspotenzial,
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2 eine Schaltung zur Messwertefassung,
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3 eine erfindungsgemäße Schaltung zur Einstellung und/oder Kontrolle eines Ausgangssignals.
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1 zeigt einen Analogsensor mit einer zur Ausgabe eines Sensorsignals bzw. Sensor-Messsignals US in Form eines Stromsignals ISens typischerweise im Bereich 4 ... 20 mA und eines Spannungssignals USens typischerweise im Bereich 0 ... 10 V. Ferner weist der Analogsensor zwei Eingänge für die Betriebsspannung mit der Versorgungsspannung +UB und einem Bezugspotenzial –UB auf. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, das von außen anliegende Bezugspotenzial –UB nicht auf das Sensorelement SE zu leiten, sondern Geräte intern ein unabhängiges internes Bezugspotenzial SM als Sensormasse aufzubauen. Hierzu wird das interne Bezugspotenzial SM mit Hilfe einer vorzugsweise stabilisierten Referenzspannungsquelle ΔURef gegenüber der Versorgungsspannung +UB abgestützt.
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Die elektrischen Messsignale des Sensorelements SE werden auf die erste und zweite Eingangsschaltungen E1, E2 geleitet und gegenüber dem internen Bezugspotenzial SM ausgewertet bzw. gemessen. Das von den Eingangsschaltungen E1, E2 aufbereitete Messsignal wird mit Hilfe einer ersten und zweiten Ausgangsschaltung A1, A2 als Strom- bzw. Spannungs-Sensormesssignal in Relation zum externen Bezugspotenzial –UB ausgegeben.
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Das Vorgehen hat den Vorteil, dass insbesondere Messsignale des Sensorelements SE, die sich in der Nähe von 0 Volt abspielen, präziser und mit einer größeren Genauigkeit erfasst und ausgegeben werden können. Hierbei ist es besonders entscheidend, dass das externe Bezugspotential –UB deutlich unterhalb des internen Bezugspotenzials SM liegt. Wären internes und externes Bezugspotenzial gleich, wäre nicht sicher zu entscheiden, ob das Potential des Sensorelements nun exakt ein Potential von 0 Volt eingenommen hat oder sich nur in der Nähe davon befindet.
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Eine exakte Feststellung eines 0 Volt-Signals ist sinnvollerweise nur möglich, wenn das 0 Volt-Potenzial auch unterschritten werden kann. Dies wird erfindungsgemäß realisiert, indem ein internes Bezugspotential SM, das quasi eine Sensormasse mit einem Potential von 0 Volt darstellt, zwischen der positiven Versorgungsspannung +UB und einem negativen Bezugspotenzial –UB gelegt wird.
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Als Versorgungsspannung +UB könnten beispielsweise +24 Volt anliegen, wobei die Referenzspannung ΔURef beispielsweise zwischen 3 und 5 Volt liegen könnte. So dimensioniert liegt die Sensormasse SM gegenüber dem externen Bezugspotenzial –UB bei 21 oder 19 V.
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2 zeigt eine konkrete Ausgestaltung des in 1 gezeigten schematischen Prinzips. Die beiden Eingangsschaltungen E1, E2 sind schaltungstechnisch identisch aufgebaut. Auch die beiden Ausgangsschaltung A1, A2 zeigen größtenteils einen identischen Aufbau und unterscheiden sich nur in der Ausgestaltung des jeweiligen Messsignal-Ausgangs, um entweder ein Strom- ISens oder Spannungssignal USens zu erzeugen.
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Die Schaltungen können beispielsweise auf Basis eines OP-Bauelements LMV 324 aufgebaut werden. Das Signal US des Sensorelements SE wird in den Eingangsschaltungen E1, E2 auf einen invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers gelegt, wobei der nicht invertierende Eingang des OPs mit dem internen Bezugspotenzial SM verbunden ist. Über die Widerstände R1 ... R4 bzw. R11 ... R14 wird ein Basis-Stromfluss im Ausgangskreis der Eingangsschaltungen E1, E2 festgelegt, wobei der Stromfluss über den Widerstand R4, R14 durch die Ausgangsspannung der OPs beeinflusst wird. Abhängig von der am invertierenden Eingang des OPs anliegenden Eingangsspannung stellt sich am Ausgang der OPs eine entsprechend invertierte Ausgangsspannung und ein entsprechender Stromfluss über die Widerstände R4, R14 ein. Die an den Übergangswiderständen R5, R15 anliegende Spannung ist dann invers proportional zum anliegenden Messsignal US des Sensors.
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Die erste und zweite Ausgangsschaltung A1, A2 arbeitet im Wesentlichen als Stromtreiber und bildet die am Übergabewiderstand R5, R15 anliegende Spannung am Ausgang als proportionalen Strom ab. Über die Widerstände R2, R3 bzw. R12, R13 der Eingangsschaltung kann der am Ausgang der Ausgangsschaltung A1, A2 anliegende Strom bestimmt werden. Insbesondere kann hierüber präzise eingestellt werden, welcher Strom über die Transistorstrecke bei 0 Volt Sensor-Messsignal US fließen soll. Typischerweise werden 0 Volt Sensor-Messsignal US und das maximale Sensor-Messsignal US im Stromausgang mit 4 mA bzw. 20 mA und im Spannungsausgang mit 0 Volt bzw. 10 V dargestellt. Selbstverständlich können je nach Anwendungsfall auch andere Strom- und Spannungsbereiche realisiert werden.
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Zur Generierung eines Ausgangsstrom sind die OPs der Ausgangsschaltungen A1, A2 mit der Basis eines Transistor verbunden, der über seine Kollektor-Emitter-Strecke die Versorgungsspannung +UB mit dem Bezugspotential –UB verbindet. Im Emitter-Pfad ist zusätzlich ein Darlington-Transistor angeordnet, beispielsweise ein BCV 46, dessen Arbeitspunkt über einen Spannungsteiler, gebildet aus zwei in Reihe geschalteten Dioden und einem Widerstand, zwischen dem internen und externen Bezugspotenzial SM, –UB eingestellt wird. Durch diesen Spannungsteiler wird sichergestellt, dass ein im Potenzial schwankendes externes Bezugspotenzial –UB keinen Einfluss auf den über den Transistor und Darlington fließenden Strom hat.
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In der ersten Ausgangsschaltung A1 ist es vorgesehen, die Kollektorseite des Darlington-Transistors als Stromausgang zu verwenden. Der in Richtung externes Bezugspotential –UB fließende Strom ist proportional zum gemessenen Sensorsignal UE. Bevorzugt sind Eingangs- und Ausgangsschaltung E1, A1 so ausgebildet, dass der Ausgangsstrom im Bereich von 4 bis 20 mA der Sensorspannung US folgt.
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In der zweiten Ausgangsschaltung wird die Kollektorseite des Darlington-Transistors über einen Widerstand R21 mit dem externen Bezugspotenzial –UB verbunden. Wie in der ersten Ausgangsschaltung A1 ist der Stromfluss über den Darlington-Transistor und demzufolge über den Widerstand R21 proportional zum gemessenen Sensorsignal US, so dass der Spannungsabfall über den Widerstand R21 als Spannungsmesssignal USens verwendet werden kann. Bevorzugt sind Eingangs- und Ausgangsschaltung E2, A2 so ausgebildet, dass der Ausgangsstrom bzw. der Spannungsabfall über den Widerstand R21 im Bereich von 0 bis 10 Volt liegt und der Sensorspannung US folgt.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung zur Einstellung und Kontrolle eines Ausgangssignals US eines Sensorelements. Die Schaltung teilt sich auf in eine Eingangsschaltung ES zur Bereitstellung eines Einstellsignals und eine Ausgangsschaltung AS, die ein dem Einstellsignal entsprechendes Ausgangssignal, beispielsweise in Form eines Lichtsignals und/oder akustischen Signals, erzeugt.
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Ferner sind, wie in den vorgenannten Beispielen bereits beschrieben, drei Potenzialführungen vorgesehen, nämlich eine Versorgungsspannung +UB sowie ein internes und externes Bezugspotenzial SM, –UB vorzusehen, und den Sensor bzw. das Sensorelement SE nicht mit dem externen Bezugspotenzial –UB, sondern mit einem stabilisierten internen Bezugspotenzial SM zu verbinden. Alle Messungen am Sensorelement und so auch die Bereitstellung des Einstellsignals erfolgen anhand des internen Bezugspotenzials, wobei die Ausgangssignale in Relation zum externen Bezugspotenzial ausgegeben werden.
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Die in 3 gezeigte Eingangsschaltung ES ist so ausgelegt, dass das Sensorsignal US von einem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP1 erfasst wird. Der Ausgang des OPs ist mit einer Basis eines Transistors T1 verbunden, bei dem die Kollektor-Basis-Strecke zwischen den Widerständen R5 und R6 eines Spannungsteilers zwischen der Versorgungsspannung +UB und dem internen Bezugspotenzial SM angeordnet ist.
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Die Rückkopplung für den Operationsverstärker OP1 der Eingangsschaltung ES erfolgt über einen zweiten Transistor T2 dessen Basis das am Emitter des ersten Transistors T1 anliegende Potenzial abgreift und abhängig davon, einen Strom über den Widerstand R9 fließen lässt und über die Widerstände R1, R2, R9 ein geeignetes Potenzial für die Rückkopplung erzeugt.
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Das Potenzial am Kollektor des ersten Transistors T1, einem Knotenpunkt K1, wird auf einen nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP2 der Ausgangsschaltung AS gelegt, wobei die Ausgangsschaltung AS das am Knotenpunkt K1 anliegende Potenzial über einen Transistor T3 als proportionalen Stromfluss in einem Strompfad zwischen Versorgungsspannung +UB und externem Bezugspotenzial –UB umsetzt. Dieser Strompfad ist als Spannungsteiler mit einer zwischengeschalteten Leuchtdiode ausgeführt, so dass die Leuchtstärke der Leuchtdiode dem am Knotenpunkt K1 anliegenden Potenzial folgt.
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In der dargestellten Schaltung erfasst der Operationsverstärker OP2 der Ausgangsschaltung am Knotenpunkt K1 den Spannungsabfall über den Widerstand R5. Mit zunehmender Eingangs- bzw. Sensorspannung US am OP1 der Eingangsschaltung nimmt auch die Spannung UK1 am Knotenpunkt K1 zu. Sind die Widerstände R5 und R6 gleich groß gewählt, so erreicht der Spannungsabfall UK1 über den Widerstand R5 bei (+UB – SM)/2 sein Maximum. Bei einer weiteren Erhöhung der Eingangsspannung US erhöht sich die Spannung am Ausgang des OP1 weiter, führt jedoch bei einem gesättigten Transistor T1 dazu, das auch am Knotenpunkt K1 die Spannung UK1(R6) bezogen auf das interne Bezugspotenzial SM, also hier der Spannungsabfall über R6, steigt. Dies führt jedoch dazu, dass der Spannungsabfall UK1(R5) über den Widerstand R5 fällt und somit auch der vom OP2 der Ausgangsschaltung AS gesteuerte Strom über die Leuchtdiode.
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Dieses Verhalten ist beispielhaft in 4 dargestellt. Die Lage des maximalen Spannungsabfalls UK1(R5)max über den Widerstand R5 in Bezug auf die Eingangsspannung US wird vornehmlich durch den Spannungsteiler R3, R4 am nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 festgelegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieses Maximum in einem Ruhezustand des Sensors, beispielsweise bei 0 Volt Sensorspannung US, festgelegt wird. Selbstverständlich kann dieses Maximum applikationsabhängig auch für andere Sensorspannungen US ausgelegt werden.
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Der Beginn und das Ende des Spannungsanstiegs am Knotenpunkt K1 in Relation zur Sensorspannung US wird durch das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 festgelegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Widerstandswert des Widerstands R2 mindestens 10x größer ausgelegt wird als der Widerstandswert vom Widerstand R1.
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Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Schaltung auch mehrfach aufgebaut werden, um beispielsweise mehrere Überwachungspunkte zu unterschiedlichen Spannungen zu realisieren. Wird diese Schaltung beispielsweise für einen Strömungssensor eingesetzt, kann mit einer ersten Schaltung die Ruhelage des Strömungssensors und mit einer zweiten Schaltung eine bevorzugte Strömung überwacht werden. Auch ist es denkbar den Widerstand R2 als Potentiometer auszubilden und das Maximum anhand des aktuell vorliegenden Sensorsignals US festzulegen, beispielsweise um einen aktuellen Strömungswert als bevorzugt festzulegen.
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Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Schaltung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008062538 A1 [0002]
