DE102016110680A1

DE102016110680A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers

Info

Publication number: DE102016110680A1
Application number: DE102016110680.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Müller
Original assignee: Techem Energy Services GmbH
Current assignee: Techem Energy Services GmbH
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Es werden eine Schaltungsanordnung (1, 50) und ein Verfahren zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers (2) mit dem piezo-elektrischen Schallgeber (2), einem Pulsgeber (3) zur Ansteuerung des piezo-elektrischen Schallgebers (2) und einer Messeinrichtung (4) zur Messung des Schwingungssignals des piezo-elektrischen Schallgebers (2) beschreiben. Es ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung (4) eine Recheneinheit (5), einen Analog-Komparator (6) und ein Zähler (7) aufweist, wobei eine Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers (2) auf einen ersten Eingang des Analog-Komparators (6) aufschaltbar ist und zweiter Eingang des Analog-Komparators (6) mit einer Referenzspannung (Uref) derart beaufschlagt ist, wobei der Zähler (6) zum Zählen von Wechseln in dem Ausgangssignal (103) des Analog-Komparators eingerichtet ist, und wobei die Recheneinheit (5) für eine Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers (2) dazu eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers. Neben dem piezo-elektrischen Schallgeber sind ein Pulsgeber zur Ansteuerung des piezo-elektrischen Schallgebers und eine Messeinrichtung zur Messung des Schwingungssignals des piezo-elektrischen Schallgebers nach und/oder während der Ansteuerung vorgesehen. Hierdurch kann eine Funktionsprüfung durchgeführt werden.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung und das mit dieser Schaltungsanordnung durchführbare Verfahren eignen sich für alle elektrischen oder elektronischen Geräte mit Piezo-Schallgebern, die im Rahmen dieser Offenbarung auch als piezo-elektrischer Alarm- oder Signalgeber bezeichnet werden.
Einen besonders bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung stellen Rauchwarnmelder dar, die von Gesetzes wegen regelmäßigen Kontrollen unterzogen werden müssen. Besonders bevorzugt eignet sich die Erfindung für Rauchwarnmelder mit einer Funktion zur Ferninspektion. Bei der Ferninspektion wird eine Funktionsprüfung vorzugweise durch das Gerät selbst oder einen andere autarke Prüfeinrichtung ohne Anwesenheit eines menschlichen Prüfers durchgeführt, und das Ergebnis der Funktionsprüfung bspw. an eine (hausinterne oder hausexterne) Zentrale übermittelt. Eine solche Ferninspektion kann erfindungsgemäß durchgeführt werden, wozu die nachfolgend näher beschriebene Schaltungsanordnung mit einer dem Fachmann für derartige Zwecke bekannten Kommunikationseinrichtung ausgestattet wird.
Die vorgeschlagene Erfindung betrifft daher auch einen mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung ausgestatteten Rauchwarnmelder.
Aus der EP 2 073 178 B1 ist Verfahren zur elektrischen Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines piezo-elektrischen Signalgebers eines Warnmelders bekannt. Das beschriebene Verfahren sieht vor, dass dem Signalgeber ein solches elektrisches Ansteuerungssignal zugeführt wird, das von der Zeitdauer und Höhe des Signals so bemessen ist, dass es eine weitgehend geräuschlose Aktivierung des Signalgebers gestattet. Das elektrische Antwortsignal des Signalgebers wird auf die Aktivierung hin erfasst und mit einem zuvor ermittelten Soll-Signal verglichen. Bei Übereinstimmung des Antwortsignals mit dem Soll-Signal wird auf die gegebene Funktionsfähigkeit des Signalgebers geschlossen. Eine konkrete Realisierung sieht vor, das Antwortsignal von einer Minimalspannung bis zu einer Maximalspannung in kleinen Schritten von 0.1 V über die Zeit aufzunehmen. In elektronischen Geräten mit Mikroprozessor wird dies mittels eines AD-Wandlers realisiert, der dann eine Auswertung des gesamten Signals ermöglicht. Als Kriterium für eine ordnungsgemäße Funktion werden bspw. auch die Werte der Maximalamplituden und die Werte der Minimalamplituden aufsummiert und für eine Bewertung verwendet.
Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass der Bauteilaufwand hoch ist, weil ein vollständiger Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) eingesetzt wird, um das an sich analoge Signal auszuwerten. Entsprechend hoch ist auch die für die Auswertung aufzuwendende Energie. Das schlägt insbesondere dann zu Buche, wenn der Strombedarf hierfür aus einer Batterie gedeckt werden muss, wie bei Rauchwarnmeldern üblich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Möglichkeit zur Überprüfung und Ansteuerung von Rauchwarnmeldern vorzusehen, die möglichst stromsparend ist und mit geringem Bauteilaufwand sowie niedrigen Bauteilkosten realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein mittels dieser Schaltungsanordnung durchgeführtes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung eine Recheneinheit, einen Analog-Komparator und ein Zähler aufweist.
Eine Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers ist auf einen ersten Eingang des Analog-Komparators aufschaltbar, und ein zweiter Eingang des Analog-Komparators ist mit einer Referenzspannung derart beaufschlagt, dass der Analog-Komparator einen Wechsel in seinem Ausgangssignal erzeugt, wenn ein von einer Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers ausgegebenes Signal an dem ersten Eingang des Analog-Komparators die an dem zweiten Eingang des Analog-Komparators beaufschlagte Referenzspannung überschreitet oder unterschreitet. In diesem Fall (d.h. bei Über- oder Unterschreiten) gibt der Analog-Komparator ein Ausgangssignal aus, andernfalls wird kein Ausgangssignal ausgegeben (bspw. indem der Ausgang des Analog-Komparators auf Ground gelegt oder deaktiviert wird). Der in der Schaltungsanordnung vorgeschlagene Zähler ist zum Zählen von solchen Wechseln in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators eingerichtet ist.
Ob bei Über- oder Unterschreiten der (durch die Referenzspannung erzeugten) Komparator-Schwelle ein Ausgangssignal ausgegeben wird, hängt davon ob, welcher der beiden Eingänge des Analog-Komparators ein invertierender Eingang ist, so dass das (angenommen) positive Signal an diesem Eingang von dem anderen (angenommen) positiven Signal abgezogen wird. Bei negativen Signalen ergibt sich eine entsprechend umgekehrte Situation. In der nachfolgenden Beschreibung wird – der Übersichtlichkeit halber – angenommen, dass der zweite Eingang des Analog-Komparators (mit der anliegenden Referenzspannung) ein invertierender Eingang ist, so dass ein positives Signal entsteht, wenn das (Spannungs-)Signal des piezo-elektrischen Schallgebers größer ist als die Referenzspannung.
Alle anderen Konstellationen ergeben sich in für den Fachmann bekannter Weise und sollen von der Erfindung mit erfasst sein.
Für eine Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, den Pulsgeber zum Anlegen mindestens eines Pulses an den piezo-elektrischen Schallgeber zu aktivieren und nach dem Anlegen einer definierten Anzahl von Pulsen (mindestens einem Puls) vorzugsweise zeitlich unmittelbar nachfolgend zu deaktivieren.
Zum Anlegen des mindestens einen Pulses (Spannungspulses) an den piezoelektrischen Schallgeber kann der Pulsgeber mit einer Elektrode des piezoelektrischen Schallgebers verbunden sein, wobei der Plusgeber aktivier- und deaktivierbar ist. Dies kann durch Ein- und Ausschalten des Pulsgebers als Einheit erfolgen. In diesem Fall würde der Pulsgeber unmittelbar die Spannungspulse generieren, mit denen die eine Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers beaufschlagt wird. Es ist auch möglich, und erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Pulsgeber einen Schalter zwischen einer Versorgungsspannung in der Schaltungsanordnung und der mit dem Puls beaufschlagten Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers ein- und ausschaltet, um so den Anregungspuls oder die Anregungspulse zu erzeugen.
Das Anlegen des Pulses kann an derselben Elektrode erfolgen, die auf den ersten Eingang des Analog-Komparators aufschaltbar ist, oder an einer davon verschiedenen Inputelektrode.
Piezo-elektrische Schallgeber weisen zumindest zwei Elektroden auf, eine Inputelektrode und eine Groundelektrode. Bei einem solchen piezo-elektrischen Schallgeber mit zwei Elektroden ist die Elektrode zum Anlegen des Pulses und die auf den ersten Eingang des Analog-Komparators aufschaltbare Elektrode insbesondere dieselbe Inputelektrode des Piezo-elektrischen Schallgebers. Wenn der piezo-elektrische Schallgeber in bekannter Weise zusätzlich eine weitere Feedbackelektrode aufweist, ist es auch möglich und erfindungsgemäß bevorzugt, dass diese Feedbackelektrode auf den ersten Eingang des Analog-Komparators aufschaltbar ist.
Das Aufschalten der einen Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers, insbesondere der Inputelektrode oder der Feedbackelektrode, auf den ersten Eingang des Analog-Komparators kann dadurch erfolgen, das zwischen der Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers und dem ersten Eingang des Analog-Komparators ein insbesondere durch die Messeinrichtung, bspw. die Recheneinheit der Messeinrichtung, ansteuerbarer Schalter angeordnet ist. Alternativ kann die Elektrode auch fest mit dem ersten Eingang des Analog-Komparators verbunden und der Analog-Komparator ein- und ausschaltbar bzw. aktivierbar und deaktivierbar sein. Auch hierdurch ist die Elektrode im Sinne dieser Offenbarung auf den Eingang des Analog-Komparators aufschaltbar.
Das zeitlich unmittelbar auf das Anlagen des mindestens einen Pulses folgende Deaktivieren des Pulsgebers versteht der Fachmann so, dass die durch die definierte Anzahl von Pulsen angeregte Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers nach der Anregung als freie gedämpfte Schwingung des piezoelektrischen Elements an dem ersten Komparatoreingang (Eingang des Analog-Komparators) abgetastet wird. Dieses Deaktivieren des Pulsgebers beinhaltet bei der Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers auch das Aufschalten der einen Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers auf den Eingang des Analog-Komparators. Mit anderen Worten kann die Recheneinheit der Messeinrichtung bei der Durchführung der Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers dazu eingerichtet sein, mit dem Deaktivieren des Pulsgebers vorzugsweise zeitgleich oder mit einem vorgegeben zeitlichen Versatz auch die Elektrode auf den ersten Eingang des Analog-Komparators aufzuschalten und damit die Messung zu starten. Sofern die Referenzspannung nicht dauerhaft an dem zweiten Eingang des Komparators anliegt, bspw. um Energie zu sparen und mögliche Kriechströme zu vermeiden, wird zum gleichen Zeitpunkt auch der zweite Eingang des Analog-Komparators mit der Referenzspannung beaufschlagt.
Die Recheneinheit ist weiter dazu eingerichtet, den Zähler zum Zählen der Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparator zu aktivieren, nachdem der Pulsgeber deaktiviert wurde, d.h. wenn der piezo-elektrische Schallgeber nicht mehr mit Anregungspulsen beaufschlagt wird. Mit dem Deaktivieren des Pulsgebers beginnt also das Zählen der Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators. Das Aktivieren des Zählers kann auch darin liegen, Signalwechsel im Ausgangssignal des Analog-Komparators zu erzeugen bzw. zu ermöglichen.
Das Zählen der Wechsel erfolgt zumindest solange, solange mit einer bestimmten Frequenz Wechsel detektiert werden. Die Recheneinheit ist dann erfindungsgemäß bevorzugt dazu eingerichtet, den Zähler zu deaktivieren, wenn innerhalb einer definierten Zeit nach einem Wechsel kein weiterer Wechsel im dem Ausgangssignal des Analog-Komparators erzeugt wird. Die definierte Zeit kann durch eine bspw. bei der Herstellung und/oder Konfiguration der Schaltungsanordnung fest vorgegebene Zeitdauer, durch eine im Betrieb parametrierbare Zeitdauer oder eine aus der Frequenz der detektierten Wechsel abgeleitete Zeitdauer definiert sein. Dies kann durch die Recheneinheit erfolgen, die regelmäßig einen Taktgeber aufweist, aus dem ein Zeitsignal ableitbar ist. Diesem erfindungsgemäß bevorzugten Vorschlag liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein piezo-elektrischer Schallgeber nach einer Anregung durch einen Pulsgeber mit seiner Eigenfrequenz in einer gedämpften Schwingung ausschwingt. Die Schwingungssignale, und damit die Wechsel im Ausgangssignal des Komparators, erfolgen also in einem durch die Eigenfrequenz vorgegebenen zeitlichen Abstand. Bleibt zu einem erwarteten Zeitpunkt das Signal aus, kann davon ausgegangen werden, dass die Schwingung soweit gedämpft ist, dass die Komparator-Schwelle nicht mehr über- oder unterschritten wird. Die Komparator-Schwelle ist durch die an dem zweiten Komparator-Eingang anliegende Referenzspannung definiert.
Damit kann bei einer in etwa erwarteten oder einer ermittelten Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers der definierte Zeit für das Feststellen eines Wechsels genau vorgeben werden, bspw. als das 1-fache einer Schwingungsdauer (insbesondere wenn jede Halbschwingung durch den damit verbundenen Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators festgestellt wird) oder bspw. auf das 1,2- bis 1,5- einer Schwingungsdauer (insbesondere wenn nur jede Vollschwingung durch den damit verbundenen Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators festgestellt wird).
Sofern die Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers ausgewertet bspw. ermittelt wird, kann erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, dass die definierte Zeit für Beenden des Zählens der Wechsel das 2-fache einer vollen Schwingungsperiode nicht übersteigt. Hierdurch kann insgesamt Strom für die Funktionsprüfung gespart werden, was insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten, wie bspw. Rauchwarnmeldern oder sonstigen Warnmeldern, von hohem Vorteil ist.
Das Deaktivieren des Zählers bedeutet nicht unbedingt, dass der Zähler ausgeschaltet wird. Unter Deaktivieren des Zählers wird im Rahmen dieser Offenbarung der Erfindung auch verstanden, dass mögliche Zählimpulse des Zählers bei einem Wechsel in dem Ausgangssignal nicht mehr durch das in der Recheneinheit implementierte Programm für die Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers erfasst werden. Das Deaktivieren des Zählers kann auch (alleine oder zusätzlich) durch ein Deaktivieren des Analog-Komparators erfolgen, der dann kein durch den Zähler zählbares Ausgangssignal mehr erzeugt.
Die Recheneinheit ist weiter dazu eingerichtet, die Ist-Anzahl der gezählten Wechsel mit einer vorgegebenen Soll-Anzahl von Wechseln zu vergleichen, wobei die Recheneinheit vorzugsweise dazu eingerichtet ist, eine ordnungsgemäße Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers festzustellen, wenn die Ist-Anzahl der Wechsel größer bzw. größer oder gleich der der Soll-Anzahl der Wechsel ist. Falls keine ordnungsgemäße Funktion festgestellt werden kann, ist die Recheneinheit der Schaltungsanordnung dazu eingerichtet, ein Fehlersignal auszugeben.
Gegenüber dem Stand der Technik wird ein wesentlicher Vorteil der Erfindung dadurch erreicht, dass das (freie gedämpfte) Schwingungssignal des piezoelektrischen Schallgebers nach dem Anlagen des Anregungspulses nicht mehr vollständig digitalisiert werden muss, um die Funktionsfähigkeit des piezoelektrischen Schallgebers festzustellen, weil lediglich die Anzahl der Schwingungen gezählt werden müssen. Eine vollständige Analyse des Schwingungssignals, wie für den Vergleich mit einem zuvor ermittelten Sollsignal und Summenbildung von aufeinander folgenden maximalen und minimalen Spannungswerten benötigt, muss also nicht mehr stattfinden. Auch muss kein geeignetes Sollsignal erzeugt und in für den Vergleich geeigneter Form gespeichert werden.
Dies reduziert die Anzahl und die Kosten der für die Schaltungsanordnung zur Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers benötigten elektronischen Komponenten und vereinfacht die Analyse des Schwingungssignals. Neben der Kosteneinsparung reduziert sich auch die für eine Prüfung benötigte Energie. Dies wirkt sich insbesondere bei batteriebetriebenen Schaltungen, bspw. in Rauchwarnmeldern oder anderen Warnmeldern aus, insbesondere wenn eine bestimmte Betriebsdauer garantiert werden muss. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird die Funktionsfähigkeit anhand einfach ermittelter Parameter bestimmt. Dies können die Dämpfung (entsprechend der Anzahl der gezählten Wechsel) und/oder die Mitten- oder Eigenfrequenz des piezoelektrischen Schallgebers sein.
Die definierte Anzahl von Pulsen, die bei dem Aktivieren des Plusgebers der die Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers an diesem angelegt werden, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform genau eins betragen. Das Anlegen nur eines Pulses zur Anregung des piezo-elektrischen Schallgebers (d.h. eines Anregungspulses) hat den Vorteil, dass dieser nur ein durch das menschliche Ohr kaum hörbares, sehr kurzes akustisches Signal erzeugt, so dass die Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers als Alarmmelder in einem Rauchwarnmelder oder sonstigen Warnmelder ohne Beeinträchtigung des Nutzers (Lärm) erfolgen kann. Es ist in jedem Fall bevorzugt, die Anzahl der Anregungspulse auf kleiner zehn, vorzugsweise auf maximal drei bis fünf, zu beschränken. Außerdem kann die Amplitude der Anregung so gewählt, d.h. insbesondere reduziert, werden, dass einerseits keine Beeinträchtigung des Nutzers durch Lärm erfolgt, andererseits die Amplitude (sicher) oberhalb der Komparatorschwelle liegt, um eine erfindungsgemäße Messung zu ermöglichen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, die an dem zweiten Eingang des Analog-Komparators beaufschlagte Referenzspannung derart zu bemessen, dass zwischen vier bis sechs, besonders bevorzugt fünf, Wechsel in dem Ausgangssignal des Komparators gezählt werden, wenn der piezo-elektrische Schallgeber vollständig funktionsfähig ist. Mit anderen Worten wird die Komparatorschwelle des Analog-Komparators durch die Referenzspannung also derart festgelegt, dass bei einer durch Anlegen des mindestens einen Pulses angeregten freien gedämpften Schwingung bei voll funktionsfähigem piezo-elektrischen Schallgeber zwischen vier und sechs, insbesondere fünf, Wechsel in dem Ausgangssignal des Komparators gezählt werden. Erst danach erreicht die Amplitude des Schwingungssignals aufgrund der Dämpfung der Schwingung die Referenzspannung nicht mehr. Hierdurch lässt sich im Vergleich zum Stand der Technik bei der Funktionsprüfung signifikant Strom sparen, weil die Anzahl der benötigten Schwingungen von acht auf vier bis sechs reduziert werden kann. Dies verkürzt die Messzeit im Vergleich zum Stand der Technik weiter, und damit auch den Strombedarf für die Funktionsprüfung. Es hat sich gezeigt, dass eine Anzahl zwischen vier und sechs gemessenen Schwingungen sicher ausreichend ist, um die Funktionsfähigkeit des piezoelektrischen Schallgebers zu beurteilen.
Es kann erfindungsgemäß, insbesondere durch Einrichten der Recheneinheit, vorgegeben werden, in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators einen Wechsel durch den Zähler nur dann zu zählen, wenn eine aufsteigende Flanke oder wenn eine absteigende Flanke in dem Signal bzw. Signalverlauf detektiert wird.
Eine aufsteigende Flanke ist definiert durch den Übergang von einem relativ niedrigeren Signalwert zu einem relativ höheren Signalwert im Ausgangssignal des Analog-Komparators. Entsprechend ist eine absteigende Flanke definiert durch den Übergang von einem relativ höheren Signalwert zu einem relativ niedrigeren Signalwert im Ausgangssignal des Analog-Komparators.
Eine Schwingung in dem Signal der freien Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers nach der Anregung durch Anlegen des mindestens einen Pulses ist durch ein sinusförmiges Signal charakterisiert. (Genau) eine Schwingung ist durch einen Signalverlauf mit genau einer maximalen Amplitude und einer minimalen Amplitude definiert, die in der einen oder anderen Reihenfolge aufeinander folgen. In dem Ausgangssignal des Analog-Komparators folgen während dieser genau einen Schwingung also ein Wechsel in einer aufsteigenden Flanke (bei dem Übergang zu der maximalen Amplitude) und einer absteigenden Flanke (bei dem Übergang zu der minimalen Amplitude). Wenn ein Wechsel also nur zwischen aufsteigenden bzw. zur zwischen absteigenden Flanken gezählt wird, wird durch die Zählung automatisch die Anzahl der (vollen) Schwingungen gezählt. Würde dagegen jeder Wechsel gezählt, müsste die Anzahl der gezählten Wechsel durch zwei geteilt werden, um die Anzahl der (vollen) Schwingungen zu ermitteln.
Die vorstehend beschriebene, bevorzugte Anzahl von vier bis sechs Wechseln bezieht insbesondere sich auf das Zählen voller Schwingungen. Es hat sich herausgestellt, dass eine Anzahl von etwa fünf erfassten vollen Schwingungen vorteilhaft ist, weil sich der piezo-elektrischen Schallgeber dann stabil eingeschwungen hat und das analysierte Signal so eine erhöhte Aussagekraft hat. Wenn dieselbe Aussagekraft bei dem Zählen eines Wechsel in jeder (sowohl der aufsteigenden als auch der absteigenden) Flanke erreicht werden soll, kann die Zahl der Wechsel für das Festlegen der Referenzspannung (respektive des Komparator-Schwellwerts) auf insbesondere acht bis zwölf, und vorzugsweise zehn, festgelegt, also verdoppelt, werden. Erfindungsgemäß kann aber auch dann mit vier bis sechs Wechseln gezählt werden, wobei im Falle des Zählens der Wechsel in jeder vorzugsweise eine gerade Anzahl von Wechseln eingestellt wird. Dies kann durch entsprechende Anpassung der Referenzspannung erfolgen und führt dazu, dass gleich viele erste und zweite Halbwellen der freien gedämpften Schwingung erfasst werden. Dies führt zu einer vereinfachten erweiterten Analyse des Signals.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung kann die Schaltungsanordnung einen Zeitgeber aufweisen und die Recheneinheit dazu eingerichtet sein, die Zeitpunkte der Wechsel bzw. von ausgewählten Wechseln in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators zu erfassen und daraus die Periodendauer oder respektive die sich daraus ergebende Frequenz der freien Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers nach der Anregung mit einem oder mehreren Anregungspulsen zu ermitteln.
Dies kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass die Zeitpunkte der aufeinander folgenden Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators bei aufsteigender Flanke des Ausgangssignals oder die Zeitpunkte der aufeinander folgenden Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators bei absteigender Flanke des Ausgangssignals erfasst und durch Differenzbildung in eine Periodendauer umgerechnet werden, wozu der Zeitpunkt des ersten Wechsels von dem Zeitpunkt des zweiten Wechsels abgezogen wird.
Sofern die Zeitdauer zwischen jedem Wechsel in dem Ausgangssignal, d.h. sowohl einem Wechsel mit aufsteigender Flanke als auch einen Wechsel mit absteigender Flanke, ermittelt wird, kann erfindungsgemäß jeweils die Zeitdauer zweier aufeinander folgender Wechsel addiert werden, um die Periodendauer zu erhalten.
Ferner kann die Periodendauer dadurch ermittelt werden, dass jeweils der Zeitpunkt des ersten und die letzten Wechsels in der aufsteigenden oder der absteigenden Flanke gemessen, und auf die beschriebene Weise dann eine Zeitdifferenz gebildet wird. Die Zeitdifferenz wird anschließend durch die ermittelte Anzahl der vollen Schwingungen gebildet.
Aufgrund der gedämpften Schwingung mit sich verringernder maximaler Amplitude und der im Vergleich dazu konstanten Referenzspannung (respektive Komparatorschwellwert) sind die Zeitdauern der Schwingung mit einem Amplitudenwert oberhalb und unterhalb des durch die Referenzspannung festgelegten Komparatorschwellwerts für aufeinander folgende Schwingungen unterschiedlich lang. Die gesamte Periodendauer (definiert als die Summe der Zeitdauer oberhalb und der Zeitdauer unterhalb des Komparatorschwellwerts) ist aber konstant, wenn der piezo-elektrische Schallgeber funktionsfähig ist. Auch die Konstanz der Periodendauer (respektive der Eigenfrequenz) kann also als Entscheidungskriterium mit herangezogen werden, ob der piezo-elektrische Schallgeber funktionsfähig ist.
Die Frequenz f ergibt sich aus der Periodendauer T jeweils durch die Beziehung f = 1/T.
Erfindungsgemäß kann die Recheneinheit dazu eingerichtet sein, die so ermittelte Periodendauer (oder respektive die sich daraus ergebende Frequenz) der Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers mit einer empirisch ermittelten und/oder aus einem Datenblatt entnommenen Referenzperiodendauer bzw. Referenzfrequenz zu vergleichen, um so ggf. ergänzend die Funktion des piezoelektrischen Schallgebers zu überprüfen.
Die auf diese Weise ermittelte Eigen-Periodendauer (auch verkürzt nur als Periodendauer bezeichnet) oder respektive die sich daraus ergebenden Eigen-Frequenz (auch verkürzt nur als Frequenz bezeichnet) der freien gedämpften Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers ist ein sehr empfindliches Maß für die Funktionsfähigkeit des piezo-elektrischen Schallgebers. In einer Einbausituation hat der piezo-elektrischen Schallgeber jeweils eine Eigenfrequenz, die von der Eigenfrequenz als freies (d.h. nicht eingebautes) Bauteil abweicht, weil sich das Resonanzverhalten durch die Anbindung an ein Gehäuse als Resonator ändert. Diese Eigenfrequenz lässt sich für den korrekten Einbau bspw. empirisch ermitteln und als Referenzfrequenz hinterlegen. Die Ermittlung und das Hinterlegen dieser Eigenfrequenz kann bspw. im Rahmen von Produktions- und/oder Funktionstests geräteindividuell erfolgen. Stimmt die gemessene Eigenfrequenz (d.h. die aus den Zeitpunkten der Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators bestimmte Periodendauer) mit der Referenzfrequenz (innerhalb vorgegebener Toleranzwerte, die durch den Fachmann geeignet gewählt werden) überein, kann von einer ordnungsgemäßen Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers ausgegangen werden, insbesondere wenn auch die Anzahl der erfassten Schwingungen respektive der gezählten Wechsel größer oder gleich der vorgegebenen Soll-Anzahl von Wechseln ist.
Verspannungen beim Einbau des piezo-elektrischen Schallgebers oder mechanische Einflüsse auf den Warnmelder mit dem piezo-elektrischen Schallgeber führen häufig zu einer signifikanten Verschiebung der Eigenfrequenz (quasi einer Verstimmung des piezo-elektrischen Schallgebers) und ggf. auch zu Funktionsstörungen. Diese können durch Ermittlung der Eigenfrequenz und Vergleich mit einer hinterlegten Referenzfrequenz erkannt werden, bspw. durch Überprüfung, ob die ermittelte Eigenfrequenz in einem geeignet gewählten Toleranzbereich um die Referenzfrequenz liegt. Ein geeigneter Toleranzbereich kann bspw. durch Vorgabe von Abweichungswerten, bspw. +/–1% oder +/–5%, von der Referenzfrequenz festgelegt werden. Die hier beispielhaft genannten Abweichungswerte können von dem Fachmann geeignet gewählt werden. Dies kann bspw. empirisch erfolgen, indem der Warnmelder mit dem piezo-elektrischen Schallgeber mechanischen Einflüssen ausgesetzt wird, bis die Funktionsfähigkeit des piezo-elektrischen Schallgebers beeinträchtigt ist, und dann die Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers gemessen wird. Hierdurch, ggf. bei verschiedenen mechanischen Beeinflussungen, kann der Fachmann geeignete Abweichungswerte/Toleranzen festlegen.
In dem vorstehenden Abschnitt wurden die Begriffe "Frequenz" und "Periodendauer" synonym verwendet. Der Fachmann wird jeweils die zueinander passenden Größen auswählen und ggf. wie vorstehend erläutert ineinander umrechnen.
Üblicher Weise ist die Recheneinheit der Schaltungsanordnung auch dazu eingerichtet ist, den Pulsgeber bspw. in einem Alarmfall oder nach einem sonstigen auslösenden Ereignis für eine Alarmdauer zum Anlegen eines gepulsten Dauersignal an dem piezo-elektrischen Schallgeber zu aktivieren, bei dem Pulse an dem piezo-elektrischen Schallgeber mit einer Alarm-Anregungsfrequenz angelegt werden. Hierdurch wird der piezo-elektrische Schallgeber in eine dauerhaft angeregte Schwingung versetzt und erzeugt einen lauten Alarmton. Erfindungsgemäß wird die Alarm-Anregungsfrequenz dabei vorzugsweise an die ermittelte Periodendauer (d.h. die Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers) angepasst. Dies führt zu einem optimal lauten Alarmton.
Im Falle einer analogen Oszillatorschaltung zum Anlegen der Pulse kann die Eigenfrequenz des Schwingkreises bspw. durch Beeinflussen eines Widerstands, einer Induktivität (Spule) und/oder einer Kapazität (Kondensators) in an sich bekannter Weise angepasst werden. Dies kann durch die Recheneinheit im Rahmen vorgegebener Möglichkeiten zur Widerstands-, Induktivitäts- und/oder Kapazitätsänderung erledigt werden.
Bei einem piezo-elektrischen Schallgeber mit Feedbackelektrode kann das Signal von der Feedbackelektrode auch an die Basis eines Transistors, ggf. über einen Widerstand, rückgekoppelt werden, wobei der Transistor als Schalter die Spannung zwischen der Inputelektrode und der Groundelektrode zum Erzeugen der Anregungspulse an- und ausschaltet. Durch die geeignet eingestellte Rückkopplung wird die Alarm-Anregungsfrequenz automatisch an die Eigenfrequenz angepasst.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Pulsgeber und die Recheneinheit in einen (vorzugsweise denselben) Mikrokontroller integriert sind, wobei der Pulsgeber derart implementiert ist, dass ein Port des Mikrokontrollers durch die Recheneinheit zur Ausgabe von Spannungspulsen aktivierbar ist. Der Vorteil einer solchen bevorzugten Ausgestaltung der Schaltung liegt darin, dass für den Pulsgeber keine gesonderten elektrischen und/oder elektronischen Bauteile notwendig sind, und dass die Alarm-Anregungsfrequenz erfindungsgemäß mittels eines in der Recheneinheit implementierten Programms an die Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers anpassbar ist bzw. im Rahmen der Ansteuerung des piezo-elektrischen Schallgebers angepasst wird.
Im Zuge einer weiteren Einsparung von separaten elektrischen Bauteilen kann erfindungsgemäß auch der Analog-Komparator und der Zähler in den Mikrokontroller integriert sein. Der Analog-Komparator kann dabei zwei Eingangsports mit dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang aufweisen, an die respektive die eine Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers und eine Referenzspannungsversorgung anschließbar bzw. angeschlossen sind.
Insbesondere kann die gesamte Messeinrichtung in den Mikrokontroller integriert sein, so dass sämtliche Messfunktionen in dem Mikrokontroller durchführbar sind. Dies reduziert von dem Mikrokontroller verschiedene elektronische Bauteile und erleichtert die Ansteuerung der Messfunktionen durch in dem Mikrokontroller implementierte Programme, weil die Ansteuerung der einzelnen Messfunktionen schon im Mikrokontroller selbst als Standardfunktionen vorgesehen sind und entsprechend einfach angesteuert werden können.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann der Eingangsport des ersten und/oder des zweiten Eingangs des Komparators durch den Mikrokontroller (bspw. mittels eines in der Recheneinheit implementierten Programms) ein- und ausschaltbar sein. Hierdurch ist es einfach möglich, den Analog-Komparator zu aktivieren und zu deaktivieren. In aktiviertem Zustand ist insbesondere das an dem ersten Eingang des Analog-Komparator anliegende Signal des piezo-elektrischen Schallgebers auf den ersten Eingang aufgeschaltet, indem der erste Eingang eingeschaltet ist. Im deaktivierten Zustand ist das Signal nicht aufgeschaltet, so dass der Analog-Komparator insbesondere auch kein Ausgangssignal ausgibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der erste Eingang des Analog-Komparators ein positiver (nicht-invertierender) Eingang und der zweite Eingang das Analog-Komparator ein negativer (invertierender) Eingang, so dass das an dem zweiten Eingang anliegende Signal von dem an dem ersten Eingang anliegenden Signal abgezogen wird. Der Analog-Komparator ist dann dazu eingerichtet, ein Ausgangssignal auszugeben, wenn das resultierende Gesamtsignal positiv ist.
Grundsätzlich kann eine entsprechende Funktion auch durch einen Analog-Komparator als separates elektronisches Bauteil der Schaltungsanordnung realisiert werden. Die erfindungsgemäß bevorzugte Integration in den Mikrokontroller hat dagegen den Vorteil einer einfacheren Parametrierbarkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Schaltungsanordnung derart ausgebildet sein, dass der Pulsgenerator mit seinen Pulsen verschiedene Schalter (bevorzugt bipolare oder MOSFET-Transistoren) einer als Brückenschaltung (auch Vollbrückenschaltung genannt) mit Schaltelementen ausgeführten Anregungsschaltung betätigt, die den piezo-elektrischen Schallgeber abwechselnd an der Inputelektrode und der Groundelektrode mit einer (positiven bzw. von dem Ground-Level verschiedenen) Spannung versorgen, wobei die jeweils andere Elektrode abwechselnd auf den Ground-Level geschaltet wird. Die Schaltelemente der Brückenschaltungen können bevorzugt auch bipolare oder MOSFET-Transistoren sein.
Dies wird erfindungsgemäß insbesondere bei dem Erzeugen eines Alarmsignals verwendet. Hierdurch wird die Amplitude (Spannungshub) der Anregungspulse verdoppelt. Dies führt zu einer vierfachen Leistung, so dass das Alarmsignal des piezo-elektrischen Alarmgebers entsprechend lauter ist.
Bei der Vollbrückenschaltung sind je zwei Schaltelemente (üblicher Weise Transistoren) zwischen der Versorgungsspannung und Ground in Reihe geschaltet, und zwei in zwei parallelen Reihen bzw. Strängen. Die Schaltelemente und deren Ansteuerung durch die Schalter wird so gewählt, dass jeweils ein mit der Versorgungsspannung verbundenes Schaltelement der einen (ersten) Reihe und ein mit Ground verbundenes Schaltelement der anderen (zweiten) Reihe bei einer Halbwelle gleichzeitig durchschalten, während die jeweils anderen Schaltelemente der beiden Reihen sperren. Bei der folgenden Halbwelle anderer Polarität verhalten sich die Schaltelemente genau umgekehrt. Die Groundelektrode und die Inputelektrode des Schallgebers sind jeweils mit einem Mittelabgriff eines der beiden Stränge (Reihen) zwischen den Schaltelementen verbunden. Hierdurch kommt es an dem Schallgeber zu einer Spannungsumkehr zwischen den Elektroden (Ground- und Inputelektrode), die den doppelten Spannungshub erzeugt.
Diese Ansteuerung kann mit Halbwellen gleicher Dauer oder mit unterschiedlichem Anteil an der Periodendauer (d.h. pulsbreiten-moduliert PWM) erfolgen, um Asymmetrien in der Ansteuerung aufgrund von Bauteilschwankungen auszugleichen. Um keinen unnötigen zeitlichen Versatz in der Ansteuerung der beiden Stränge (Reihen) zu erhalten, die auch als Halbbrücken bezeichnet werden, wird die jeweilige Ansteuerung jeder Halbbrücke mit einem jeder Halbrücke zugeordneten Schalter möglichst identisch, bspw. angestoßen durch denselben Puls des Pulsgebers, ausgeführt.
Die Schaltelemente (Transsitoren) jeder Reihe sind an einem ihrer Anschlüsse vorzugsweise direkt elektrisch leitend miteinander verbunden. Ihre jeweils anderen Anschlüsse sind direkt oder mittelbar der der Versorgungsspannung Uref und Ground verbunden. Mittelbar bedeutet, dass bspw. zur Anpassung des Spannungsniveaus auch noch Widerstände oder andere Bauelemente zwischen Versorgungsspannung Uref bzw. Ground und Schaltelement vorgesehen sein können.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers mittels einer Schaltungsanordnung, wie sie zuvor in verschiedenen Varianten und Ausführungsformen beschrieben wurde. Für die Durchführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens ein Puls an den piezo-elektrischen Schallgeber angelegt wird, dass nach dem mindestens einen Puls eine Elektrode des piezoelektrischen Schallgebers auf dem ersten Eingang des Analog-Komparators aufgeschaltet und mit einer an dem zweiten Eingang des Analog-Komparators anliegenden Referenzspannung verglichen wird, wobei ein Wechsel in dem Ausgangssignal des Analog-Komparators gezählt wird, und dass die Ist-Anzahl der gezählten Wechsel mit einer vorgegebenen Soll-Anzahl von Wechseln verglichen wird.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können sämtliche der zuvor mit der Schaltungsanordnung beschriebenen Funktionen gemeinsam oder in beliebiger Kombination realisiert werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Zeitpunkte von Wechseln in dem Ausgangsignal des Analog-Komparators zu ermitteln und aus den Zeitpunkten die Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers zu ermitteln. Diese Eigenfrequenz kann dann in der bereits beschriebenen Weise verwendet werden, um sie mit einer Referenzfrequenz zu vergleichen.
In Fortführung dieses Erfindungsgedankens kann eine Alarm-Anregungsfrequenz, mit der Pulse eines gepulsten Dauersignals zur Anregung des piezoelektrischen Schallgebers zur Erzeugung eines Signals erzeugt und an dem piezo-elektrischen Schallgeber angelegt werden, auf die – wie bereits ausführlich beschrieben ermittelte – Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers eingestellt werden. Dies bedeutet, dass die Alarm-Anregungsfrequenz – bspw. durch die Recheneinheit des Mikrokontrollers – so eingestellt wird, dass sie gleich der ermittelten Eigenfrequenz ist oder innerhalb eines definierten Toleranzbereichs um die ermittelte Eigenfrequenz liegt. Hierdurch wird ein möglichst lauter Alarm-Signalton erreicht, weil die Lautstärke des piezo-elektrischen Schallgebers dann am Höchsten ist, wenn die Frequenz der Anregungspulse in dem gepulsten Dauersignal gerade der Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Signalgebers entspricht. Mit anderen Worten kann der piezo-elektrische Alarmgeber zum Erreichen seiner maximalen Schwingungsamplitude, und damit zum Erreichen maximaler Lautstärke, in Resonanz (d.h. mit einer seiner Eigenfrequenz entsprechenden Alarm-Anregungsfrequenz) betrieben werden.
Optional kann das vorgeschlagene Verfahren zur Überprüfung der Funktion des piezo-elektrischen Schallgebers in vorgegebenen oder vorgebbaren zeitlichen Abständen wiederholt werden. Die zeitlichen Abstände können in der Recheneinheit bspw. als Parameter fest vorgegeben und/oder veränderbar sein. Bspw. können zu einem fest vorgegebenen zeitlichen Überprüfungszyklus (wie er bspw. gesetzlich vorgeschrieben ist)
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltungsanordnung und das mit dieser Schaltungsanordnung durchführbare Verfahren ist die Funktionsprüfung des piezo-elektrischen Schallgebers stromsparend und kostengünstig realisierbar. Dies liegt auch daran, dass die Erfindung lediglich direkt gemessene (d.h. mittels des Analog-Komparators direkt in dem analogen Schwingungssignal des piezo-elektrischen Schallgerbers) messbare und aus den Messgrößen rechnerisch ableitbarere) Parameter einer gedämpften Schwingung zur Ermittlung der Mittenfrequenz und Dämpfung nutzt, die keinen AD-Wandler, sondern lediglich einen Komparator sowie einen Timer (auch als Zeitgeber bezeichnet) benötigen, wie sie bspw. in einem Mikrokontroller kostengünstig realisiert sein können. Ein Analog-Komparator hat einen deutlich geringeren Stromverbrauch als ein AD-Wandler, der ein analoges Signal für eine nachfolgende detaillierte Auswertung vollständig digitalisiert.
Da ähnlich wie im Stand der Technik insbesondere ein einzelner Anregungspuls zum Anregen der freien gedämpften Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers ausreichen kann, wird auch mit dieser Erfindung das elektrische Antwortsignal des Signalgebers weitgehend geräuschlos generiert, indem ein positiver oder negativer Puls an den piezo-elektrischen Schallgeber angelegt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen und deren Rückbezügen.
Es zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 schematisch das freie gedämpfte Schwingungssignal eines funktionsfähigen piezo-elektrischen Schallgebers;
3 schematisch das freie gedämpfte Schwingungssignal eines nicht funktionsfähigen piezo-elektrischen Schallgebers;
4 schematisch den Aufbau eines piezo-elektrischen Schallgebers aus der Schaltungsanordnung gemäß 1;
5 schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers gemäß einer dritten Ausführungsform, und
7 schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers gemäß einer ersten Ausführungsform.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1, mit der ein piezoelektrischer Schallgeber 2 angesteuert und dessen Funktion überprüft werden kann. Die Schaltungsanordnung 1 weist dazu den piezo-elektrischen Schallgeber 2 auf, der beispielsweise als Alarmgeber eines Rauchwarnmelders verwendet werden kann.
Der in dieser Ausführungsform dargestellte piezo-elektrische Schallgeber 2 weist neben der obligatorischen Groundelektrode G und der Inputelektrode I eine dritte Elektrode auf, die als Feedbackelektrode F bezeichnet wird. Über die Inputelektrode I und die Groundelektrode G wird ein Anregungspuls auf den piezo-elektrischen Schallgeber 2 aufgegeben, durch den der piezo-elektrische Schallgeber 2 in Schwingung versetzt wird. Das Schwingungssignal des piezoelektrischen Schallgebers 2 kann über die Feedbackelektrode F abgegriffen werden.
Ferner sind ein Pulsgeber 3 zur Ansteuerung des piezo-elektrischen Schallgebers 2 (nachfolgend auch vereinfacht als "Schallgeber 2" bezeichnet) und eine Messeinrichtung 4 zur Messung des Schwingungssignals des Schallgebers 2 vorgesehen. Die Messeinrichtung Ziffer 4 umfasst eine Recheneinheit 5, einen Analog-Komparator 6 und einen Zähler 7.
Zum Abgreifen des Schwingungssignals des Schallgebers 2 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Feedbackelektrode F des Schallgebers 2 auf einen ersten Eingang des Analog-Komparators 6 (nachfolgend auch vereinfacht als "Komparator 6" bezeichnet) aufschaltbar. Dazu ist die Feedbackelektrode F über einen Schalter 8 mit dem ersten Eingang des Komparators 6 verbunden, wobei der Schalter 8 beispielsweise durch die Recheneinheit 5 geöffnet und geschlossen werden kann. Ein zweiter Eingang des Analog-Komparators 6 ist bzw. wird mit einer Referenzspannung Uref beaufschlagt.
In dem hier besprochenen Beispiel ist der erste Eingang des Komparators 6 ein nicht-invertierender Eingang. Der zweite Eingang des Komparators 6 ist ein invertierender Eingang. Dies hat zur Folge, dass das Signal des zweiten Eingangs (Referenzspannung Uref) von dem Signal des ersten Eingangs (Schwingungssignal des Schallgebers 2) abgezogen wird. Immer wenn das verbleibende Signal positiv ist, wird an dem Ausgang des Analog-Komparators 6 ein (positives) Signal ausgegeben. Wenn das verbleibende Signal dagegen negativ ist, wird kein Signal (Ground-Signal) ausgegeben. Wie bereits erwähnt, lässt sich die Erfindung auch mit einer anderen Ausführung der invertierenden und nichtinvertierenden Eingänge des Komparators 6 ausführen.
Wenn in einer anderen Ausführungsform ein Schallgeber 2 mit nur zwei Elektroden, nämlich der Groundelektrode G und der Inputelektrode I, vorgesehen ist, wird das Schwingungssignal des Schallgebers 2 bspw. direkt von der Inputelektrode I abgegriffen. Bis auf einen Phasenversatz, auf den es bei der vorliegenden Erfindung nicht ankommt, entsprechen sich die an einer Inputelektrode I oder einer Feedbackelektrode F abgegriffenen Signale. Die Variante mit einem Signalabgriff an der Inputelektrode I ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Anstelle des Schalters 8 in der elektrischen Verbindung zwischen der Elektrode des Schallgebers 2 (insbesondere Feedbackelektrode F oder Inputelektrode I) zu dem Komparator 6 kann auch durch einen an- und ausschaltbaren Komparator 6 ersetzt werden, so dass der Komparator 6 aktivierbar und deaktivierbar ist.
In dem hier dargestellten Beispiel sind die gesamte Messeinrichtung 4 mit der Recheneinheit 5, dem Komparator 6 und dem Zähler 7 sowie der Pulsgeber 3 in einem Mikrokontroller 9 integriert. Mikrokontroller 9 mit derartigen Funktionen sind auf dem Markt verfügbar und in der Regel günstiger, als eine Nachbildung dieser Funktionen mit einer gesonderten elektrischen Schaltung, die erfindungsgemäß jedoch auch möglich wäre.
Aufgrund der an seinen Eingängen anliegenden Signale erzeugt der Komparator 6 einen Wechsel in seinem Ausgangssignal, d.h. einen Wechsel zwischen dem Ground-Signal und dem positiven Signal, wenn das an dem ersten Eingang des Komparators anliegende Schwingungssignal des Schallgebers 2 die Referenzspannung Uref über- oder unterschreitet. Der Ausgang des Komparators 6 ist mit einem Zähler 7 verbunden, der als Teil der Recheneinheit 5 ausgebildet sein kann. Der Zähler 7 ist zum Zählen von Wechseln in dem Ausgangssignal des Komparators 2 eingerichtet, wie später im Zusammenhang mit den 2 und 3 noch näher erläutert.
Für die Überprüfung der Funktionen des Schallgebers 2 ist die Recheneinheit 5 dazu eingerichtet, den Pulsgeber 3 zum Anlegen mindestens eines Pulses an den Schallgeber 2 zu aktivieren. Der Pulsgeber 3, der ebenso in die Recheneinheit 5 integriert oder von dieser angesteuert werden kann, erzeugt über eine Anregungsschaltung 10, die später noch im Detail erläutert wird, einen oder mehrere Anregungspulse, die an der Inputelektrode I und der Groundelektrode G des Schallgebers 2 angelegt werden. Hierdurch wird der Schallgeber 2 in Schwingung versetzt. Nach dem Anlegen von vorzugsweise genau einem Puls (oder ggf. auch mehreren Pulsen) an den Schallgeber 2 wird der Pulsgeber 3 durch die Recheneinheit 5 deaktiviert, so dass der Pulsgeber 3 über die Anregungsschaltung 10 keine Pulse mehr an dem Schallgeber 2 abgibt. Nach Deaktivieren des Pulsgebers 3 geht der Schallgeber 2 also in eine freie gedämpfte Schwingung über, die nachfolgend durch die Messeinrichtung 4 ausgewertet wird.
Dazu wird der Zähler 7 zum Zählen der Wechsel in dem Ausgangssignal des Komparators 6 nach oder zusammen mit dem Deaktivieren des Pulsgebers 3 aktiviert. Dies erfolgt in dem hier dargestellten Beispiel durch Schließen des Schalters 8. Damit vergleicht der Komparator 6 das an dem Schallgeber 2 abgegriffene Schwingungssignal der freien gedämpften Schwingung mit der Referenzspannung Uref, welche den Schwellwert des Komparators 6 einstellt. Wenn das Schwingungssignal am ersten Eingang des Komparators 6 die Referenzspannung Uref am zweiten Eingang des Komparators 6 überschreitet, gibt der Komparator ein positives Signal als Ausgangssignal. Ist dies nicht der Fall, schaltet der Komparator 6 sein Ausgangssignal auf den Ground-Level (kein Signal bzw. Ground-Signal).
Diese Wechsel in dem Ausgangssignal des Komparators 6 werden durch den Zähler 7 gezählt.
Die Messeinrichtung 5 vergleicht anschließend die Ist-Anzahl der gezählten Wechsel mit einer vorgegebenen Soll-Anzahl von Wechseln der freien gedämpften Schwingung, um eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2 abzuleiten. Dies wird nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert, die das freie gedämpfte Schwingungssignal des Schallgebers 2 nach Deaktivieren des Pulsgebers 3 zeigen.
In 2 sind das Schwingungssignal 100 des Schallgebers 2 als Spannungssignal U sowie die Referenzspannung Uref relativ zueinander eingezeichnet. Zum Zeitpunkt T0 erzeugt der Pulsgeber 3 einen Anregungspuls, der zu einer Anregungsschwingung 101 führt, von der in den 2 und 3 zumindest noch ein Teil dargestellt ist. Nach dem Erzeugen des Anregungspulses wird der Pulsgeber 3 deaktiviert, so dass die Anregungsschwingung 101 in eine freie gedämpfte Schwingung 102 des Schallgebers 2 übergeht. Mit dem Deaktivieren des Pulsgebers 3 wird die Messeinrichtung 4 mit dem Zähler 7 aktiviert, in dem dargestellten Beispiel durch Schließen des Schalters 8. Dies erfolgt zum Zeitpunkt T1.
Ab diesem Zeitpunkt T1 erzeugt der Komparator 6 dann auch ein Ausgangssignal 103, das durch den Zähler 7 ausgewertet wird, solange das Messzeitfenster geöffnet ist. In dem dargestellten Beispiel wird dies zum Zeitpunkt T2, gesteuert durch die Recheneinheit 5, geschlossen. Während der Dauer des Messzeitfensters von T1 bis T2 zählt der Zähler 7 die in dem Ausgangssignal 103 des Komparators auftretenden Wechsel zwischen dem niedrigen Spannungslevel (Ground-Signal bzw. kein Signal) und dem hohen Spannungslevel (positives Signal).
In dem hier beschriebenen Beispiel ist der Zähler 7 dazu eingerichtet, nur Wechsel in einer aufsteigenden Flanke, d.h. bei dem Übergang zur maximalen Amplitude, zu messen. Der Übergang zur maximalen Amplitude findet immer dann statt, wenn das Ausgangssignal 103 von dem Ground-Level (kein Signal) auf das Signal-Level (positives Signal) umschaltet. Die Zählzeitpunkte sind den 2 und 3 mit Pfeilen Z1, Z2, ... über dem Ausgangssignal 103 gekennzeichnet. Diese Zählzeitpunkte Z(i) korrelieren mit den Zeitpunkten, in denen die freie gedämpfte Schwingung 102 eine Amplitude oberhalb der Referenzspannung Uref erreicht, und zwar ausgehend von einer Amplitude niedriger als die Referenzspannung Uref. Wenn der Spannungswert der freien gedämpften Schwingung 102 wieder unter die Referenzspannung Uref fällt, erfolgt ein Wechsel in dem Ausgangssignal 103 des Komparators von dem Signal-Level (postivies Signal) auf den Ground-Level (Ground-Signal bzw. kein Signal). In dem hier besprochenen Ausführungsbeispiel wird dieser Wechsel in der absteigenden Flanke des Ausgangssignals 103 durch den Zähler 7 jedoch nicht gezählt.
Wie eingangs bereits beschrieben kann der Fachmann die Erfindung jedoch auch dann realisieren, wenn auch diese Wechsel mitgezählt werden. Im Folgenden wird jedoch der besonders bevorzugte Fall beschrieben, in dem jeweils nur die Wechsel der aufsteigenden Flanke (bzw. allgemeiner Wechsel in derselben Flanke, d.h. der aufsteigenden Flanke oder der absteigenden Flanke) gezählt werden.
Dies hat zur Folge, dass in dem beschriebenen Beispiel jeweils genau eine volle Schwingung des Signals der freien gedämpften Schwingung 102 gezählt wird. Für den in 2 dargestellten Fall eines funktionsfähigen Schallgebers 2 ist die den Schwellwert des Komparators vorgebende Referenzspannung Uref relativ zu dem Signal der freien gedämpften Schwingung 102 so gewählt, dass die Amplitude der freien gedämpften Schwingung 102 nach der Anregungsschwingung 101 insgesamt fünf Mal die Referenzspannung Uref überschreitet. Entsprechend gibt es fünf Zählzeitpunkte Z1 bis Z5 mit insgesamt fünf gezählten Wechseln.
Dies entspricht auch der Soll-Anzahl von Wechseln, so dass die Messeinrichtung 5 nach einem Vergleich der Ist-Anzahl der gezählten Wechsel (hier fünf Wechsel) mit der Soll-Anzahl von Wechseln (hier fünf Wechseln) zu dem Schluss kommen kann, dass der Schallgeber 2 funktionsfähig ist. Dies kann durch die Recheneinheit 5 der Messeinrichtung 4 entsprechend ausgegeben werden, bspw. durch eine Signalisierung am Gerät oder über ein geeignetes Kommunikationsmodul auch vorzugsweise über eine Funkübertragung an eine Zentralstelle zur Fernüberwachung oder ein mobiles Gerät bspw. einen „mobile Computer“ (MC)..
Wie nachfolgend erläutert, können vor einer tatsächlichen Feststellung der Funktionsfähigkeit jedoch noch weitere Überprüfungen vorgenommen werden.
Wie in Mikrokontrollern 9 üblich, weist dieser auch einen Zeitgeber 11 auf, so dass also in der Schaltungsanordnung 1 ein Zeitgeber 11 vorhanden ist. Die Recheneinheit 5 kann dann die Zeitpunkte der Wechsel, die in dem dargestellten Beispiel mit den Zählzeitpunkten Zi zusammenfallen, in dem Ausgangssignal 103 des Komparators 6 erfassen und daraus die Periodendauer der Schwingung 102 des Schallgebers zu ermitteln. Die Periodendauer der Schwingung 102 entspricht der Zeit, die für eine volle Schwingung benötigt wird. Diese Schwingung entspricht gerade der Differenz der aufeinanderfolgenden Zählzeitpunkte Z(i + 1) – Z(i), d.h. konkret Z2 – Z1, Z3 – Z2, usw..
Diese Schwingungs- bzw. Periodendauer der freien gedämpften Schwingung 102 sollte für jede volle Schwingung gleich sein, da sich die Resonanz des Schallgebers 2 während der Messung nicht ändern sollte. Dies ergibt ein weiteres Kriterium für Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2, das neben der Anzahl der gezählten Wechsel für die Feststellung der Funktionsfähigkeit herangezogen werden kann.
So ist es möglich, die Periodendauer der Schwingung, die in der bereits beschriebenen Weise auch in eine Schwingungsfrequenz umgerechnet werden kann, mit einer empirisch ermittelten oder aus einem Datenblatt entnommenen Referenzfrequenz des Schallgebers zu vergleichen. Zur Abgrenzung gegenüber der Referenzfrequenz wird die ermittelte Periodendauer bzw. Frequenz der freien gedämpften Schwingung 102 auch als Eigen-Periodendauer bzw. Eigen-Frequenz bezeichnet. Im Folgenden wird der Einfachheit halber nur die Begriffe Eigenfrequenz und Referenzfrequenz verwendet. Die Aussagen gelten jedoch in entsprechender Weise auch für die jeweilige Periodendauer.
Liegt die Eigenfrequenz in einem geeigneten Toleranzbereich um die bekannte Referenzfrequenz, ist dies ein weiterer Hinweis darauf, dass der Schallgeber 2 funktionsfähig ist. Der Toleranzbereich ergibt sich durch übliche Bauteiltoleranzen, die der Fachmann geeignet festlegen kann.
Verschiebungen der Eigenfrequenz gegenüber einer bekannten Referenzfrequenz für den Schallgeber 2 können sich bspw. durch einen verspannten Einbau des Schallgebers 2 mit dem piezo-elektrischen Element ergeben, die zu mechanischen Spannungen innerhalb des Schallgebers 2 führen und dessen Funktionsfähigkeit im Hinblick auf das Erzeugen eines Alarmsignals beeinträchtigen können, selbst wenn die Anzahl der gezählten Wechsel in dem Signal der freien gedämpften Schwingung mit der vorgegebenen Soll-Anzahl von Wechseln übereinstimmen sollte. Da die Eigenfrequenz bzw. Periodendauer der Schwingung 102 des Schallgebers 2 für jede der aufeinanderfolgenden Schwingungen gleich sein sollte, ist es grundsätzlich ausreichend, die Periodendauer einmal zu ermitteln.
Es ist jedoch auch möglich, die Periodendauer für jede der gezählten vollen Schwingungen zu bestimmen und miteinander zu vergleichen. Abweichungen der Periodendauer über übliche Messtoleranzen hinaus deuten auch auf einen Funktionsfehler des Schallgebers hin, weil sich die Resonanzfrequenz dann von Schwingung zu Schwingung unterscheidet.
Vor diesem Hintergrund ist es möglich, die Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2 nur anzuzeigen, wenn sämtliche der durchgeführten Prüfungen, d.h. das Zählen der Wechsel in dem Ausgangssignal 103 des Komparators 6, sowie ggf. der Vergleich der ermittelten Eigenfrequenz mit einer bekannten Referenzfrequenz und/oder ein Vergleich der für jede volle Schwingung ermittelten Eigenfrequenzen, das erwartete Ergebnis liefern.
Sofern die Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2 festgestellt wird, kann die Recheneinheit 5 die ermittelte Eigenfrequenz auch dazu verwenden, eine Alarm-Anregungsfrequenz an diese ermittelte Eigenfrequenz anzupassen.
Üblicher Weise ist die Recheneinheit 5 – unabhängig von der Durchführung der Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2 – auch dazu eingerichtet, den Pulsgeber 3 für eine Alarmdauer zum Anlegen eines gepulsten Dauersignals an dem Schallgeber 2 zu aktiveren, wenn ein Alarmsignal ausgegeben werden soll. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Pulse des gepulsten Dauersignals an dem Schallgeber 2 in der Eigenfrequenz (ermittelte Periodendauer) des Schallgebers 2 anzuregen, da der akustische Alarmgeber (Schallgeber 2) dann in Resonanz betrieben wird. Dies führt zu einem maximal lauten Alarmsignal.
3 entspricht der Darstellung des Schwingungssignals des Schallgebers 2 entsprechend 2, aber für den Fall, dass der Schallgeber 2 nicht funktionsfähig ist. Die nachfolgende Diskussion beschränkt sich daher auf die Darstellung der Unterschiede des Schwingungssignals eines nicht funktionsfähigen Schallgebers 2.
Aufgrund der fehlenden Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2, die insbesondere auf sein Resonanzverhalten einwirkt, ist das Signal der freien gedämpften Schwingung 102 wesentlich stärker gedämpft als bei einem funktionsfähigen Schallgeber 2, wie es in 2 dargestellt ist. Dies führt dazu, dass die Amplitude der freien gedämpften Schwingung 102 (und damit die Einhüllende der Schwingung 102) wesentlich schneller die Referenzspannung Uref nicht mehr erreicht, die den Schwellenwert für den Komparator 6 vorgibt.
Nach dem Aufschalten der Anregungsschwingung 101 zum Zeitpunkt T0 beginnt – in gleicher Weise wie bei der 2 – die Messeinrichtung 4 bei dem Deaktivieren des Pulsgebers 3 zum Zeitpunkt T1 mit der Messung des Schwingungssignals 102. Die Zeitpunkte T0 und T1 sind in den beiden den beiden in den 2 und 3 dargestellten Fällen vergleichbar. Allerdings übersteigt in dem in 3 dargestellten Fall die Amplitude der freien gedämpften Schwingung 102 die Referenzspannung Uref nur bei der ersten und zweiten vollen Schwingung der freien gedämpften Schwingung 102. Bei den weiteren vollen Schwingungen ist die Amplitude bereits soweit gedämpft, dass sie die Referenzspannung Uref nicht mehr übersteigt. Entsprechend zählt der Zähler 7 in dem Ausgangssignal 103 des Komparators 6 auch nur zwei Wechsel zu den Zählzeitpunkten Z1 und Z2. Das Messzeitfenster wird zum Zeitpunkt T2 wieder geschlossen.
Für das Schließen des Messzeitfensters wird der Zeitpunkt T2 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart bestimmt, dass das Zeitfenster dann geschlossen wird, wenn etwa 1,5 Periodendauern nach dem letzten Wechsel kein neuer Wechsel festgestellt wird. Da bei einem funktionsfähigen Schallgeber 2 die Periodendauer für jede der vollen Schwingungen konstant sein sollte, kann eine Zeit von etwa 1,5 Periodendauern ohne Messen des nächsten Wechsels als Abbruchkriterium für das Zeitfenster verwendet werden, da in jedem Fall eine Funktionsstörung vorliegt: entweder liegt die Funktionsstörung in einer zu starken Dämpfung des Signals der freien gedämpften Schwingung 102, wie in 3 dargestellt, oder in einer Störung der Eigenfrequenz (nicht dargestellt), die auch zu einem Fehlerfall führt, selbst wenn aufgrund starker Schwankungen der Eigenfrequenz auch nach Beenden des Messzeitfensters zum Zeitpunkt T2 die Amplitude der freien gedämpften Schwingung 102 die Referenzspannung Uref noch einmal übersteigen sollte.
In diesem Fall führt schon der Vergleich der Anzahl der gezählten Wechsel (hier zwei Wechsel) mit der Soll-Anzahl von Wechseln (hier fünf Wechsel) dazu, dass die Recheneinheit 5 der Messeinrichtung 4 eine Funktionsstörung des Schallgebers 2 erkennt und diese anzeigt.
4 zeigt schematisch einen piezo-elektrischen Schallgeber 2, wie er in der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 dargestellt ist, in seiner geometrischen Form in einer Aufsicht. Der in 4 dargestellte Schallgeber 2 weist eine Groundelektrode G auf, auf der das eigentliche Piezo-Element 12 (vgl. 1) montiert ist, das in 4 nicht erkennbar ist. Über diesem Piezo-Element 12 befindet sich gegenüberliegend zu der Groundelektrode G die Inputelektrode I des Schallgebers 2, die auch den größten Teil des Piezo-Elements 12 kontaktiert. Die Feedbackelektrode F ist flächenmäßig deutlich kleiner ausgebildet als die Inputelektrode I und kontaktiert das Piezeo-Element 12 von derselben Seite.
Diese in 4 dargestellten Groundelektrode G und Inputelektrode I werden von der Anregungsschaltung 10 entsprechend der Vorgabe des Pulsgebers 3 mit Spannungspulsen angesteuert, indem diese Spannungspulse zwischen der Inputelektrode I und der Groundelektrode G angelegt werden.
Dies wird nachfolgend mit Bezug auf 1 näher erläutert. Die Anregungsschaltung 10 ist eine Brückenschaltung mit vier Transistoren 13a, 13b, 13c, 13d, von denen jeweils zwei Transistoren 13a, 13b und zwei Transistoren 13c, 13d) in zwei als auch Halbbrücken Reihen 14, 15 zwischen einer Versorgungsspannung U und Ground in Serie geschaltet sind. Die Transistoren 13a, 13b und 13c, 13d jeder Reihe 14, 15 werden durch Schalter 16, 17 geschaltet, die durch den Pulsgeber 3 betätigt werden. Die Schalter 16, 17 können selbst als Transistoren ausgebildet sein. Eine entsprechende Schaltung wird mit Bezug auf 6 noch als besonders bevorzugte Ausführungsform beschrieben.
Der Mittelabgriff 18 zwischen den beiden Transistoren 13a, 13b der ersten Reihe 14 ist mit der Grundelektrode G verbunden. Der Mittelabgriff 19 zwischen den beiden Transistoren 13c, 13d der zweiten Reihe 15 ist mit der Inputelektrode I verbunden. Die Ansteuerung der Transistoren 13a, 13b, 13c, 13d durch den Pulsgeber 3 erfolgt – wie bereits beschrieben – kreuzweise, so dass in dem einen Schaltzustand an der Grundelektrode G der Ground-Level und an der Inputelektrode I die Versorgungsspannung U anliegt sowie in dem anderen Schaltzustand an der Grundelektrode G die Versorgungsspannung U und an der Inputelektrode I der Ground-Level anliegt. Hierdurch wird ein doppelter Spannungshub an dem Schallgeber 2 erreicht. Dies führt zu einer vierfachen Leistung, d.h. in einem Alarmfall zu einem entsprechen lauten Alarmsignal. Entsprechend ist eine solche Anregungsschaltung 10 erfindungsgemäß besonders bevorzugt. Die Frequenz des Pulsgebers 3 kann in dieser Ausführungsform durch die Recheneinheit 5 des Mikrokontrollers 9 gesteuert bzw. geregelt werden.
5 zeigt dagegen eine Schaltungsanordnung 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers 2, mit einer anderen Anregungsschaltung 51. Der piezo-elektrische Schallgeber 2, die Messeinrichtung 4 und deren Anschluss an den Schallgeber 2 sind identisch, und werden daher an dieser Stelle nicht mehr im Detail beschrieben. Es werden für diese im Aufbau und in ihrer Funktion identischen Komponenten auch dieselben Bezugszeichen verwendet.
Bei der Anregungsschaltung 51 gemäß 5 ist die Feedbackelektrode F, die ein phasenversetztes Signal liefert, in einer Oszillatorschaltung 52 ohne externe Frequenzregelung geschaltet. Dazu ist ein Transistor 53 zwischen Ground und der Versorgungspannung U angeordnet, der Transistor 53 wird durch das von der Feedbackelektrode F rückgekoppelte Signal leitend geschaltet. Die Inputelektrode I ist mit der Versorgungsspannung U verbunden. Hierdurch werden Pulse zur Anregung des Schallgebers 2 immer wieder neu zwischen der Groundelektrode G und der Inputelektrode I erzeugt, wenn der Transistor 53 durch des Signal der Feedbackelektrode F leitend geschaltet wird. Aufgrund der Rückkopplung des Signals von der Feedbackelektrode F erfolgt dies gerade mit der Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers, so dass hier eine Regelung der Alarm-Anregungsfrequenz ohne Eingreifen der Recheneinheit 5 automatisch erfolgt.
Der Pulsgeber 3 schließt zum Aktivieren der Anregungspulse gesteuert durch die Recheneinheit 5 einen Schalter 54, der die Oszillatorschaltung 52 mit der Versorgungsspannung U verbindet. Solange der Schalter 54 geschlossen ist, erzeugt die Oszillatorschaltung mit der sich automatisch einstellenden Eigenfrequenz des Schallgebers 2 Anregungspulse, und zwar solange, bis der Schalter 54 wieder geöffnet wird.
Für das Erzeugen eines Anregungspulses wird der Schalter 54 also für eine Zeitdauer geschlossen, die nicht länger als die Eigen-Periodendauer einer Schwingung des Schallgebers 2 ist.
Nach dem Schließen des Schalters 54 wird die Messung der freien gedämpften Schwingung 102 durch die Messeinrichtung 4 in genau der gleichen Weise durchgeführt, wie für die Schaltungsanordnung 1 entsprechend 1 beschrieben. Dies wird nicht mehr beschrieben, weil die Ausführungen zu den 1 bis 3 entsprechend gelten.
6 zeigt die Schaltungsanordnung 1 zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers 2 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform. In dieser Schaltungsanordnung 1 werden die Schaltelemente, d.h. die Transistoren 13a, 13b, 13c, 13d durch MOSFET-Transistoren 16' und 17' (als besondere Form der Schalter 16, 17 der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1) angesteuert. Die Unterschiede Anschlüsse der Schalter 16, 17 zu den MOSFET-Transistoren (16', 17') ergeben sich aus einem Vergleich der 1 und 6. Diese sind für den Fachmann aus den Zeichnungen heraus verständlich, so dass auf eine weitere Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird.
Die Ansteuerung dieser Schaltelemente, d.h. der Transistoren 13a bis 13d, erfolgt derart, dass die Transistoren 13a und 13d jeweils bei einer Halbwelle gleichzeitig durchschalten, während die Transistoren 13b und 13c sperren. Bei der folgenden Halbwelle anderer Polarität ist dies genau umgekehrt, d.h. die Transistoren 13b und 13c werden gleichzeitig durchgeschaltet, während die Transistoren 13a und 13d sperren. Diese Ansteuerung kann mit Halbwellen gleicher Dauer oder mit unterschiedlichem Anteil an der Periodendauer, als puls-weiten-modulierte (PWM) Ansteuerung erfolgen. Eine auf die Schaltungsbedingten Toleranzen abgestellte Puls-Weiten-Modulation ermöglicht es, die Asymmetrien in der Ansteuerung, die aufgrund von Bauteilschwankungen vorhanden sind, auszugleichen.
Ferner wird zur Vermeidung eines zeitlichen Versatzes zwischen der Ansteuerung der Halbbrücke 14 und der Halbbrücke 15, wie in 6 dargestellt, die jeweilige Ansteuerung einer Halbbrücke 14, 15 mit den MOSFET-Transitor 16' bzw. 17' in der Schaltungsteilanordnung identisch ausgeführt.
Das mit den Schaltungsanordnungen 1 (gemäß den 1 oder 6) und 50 (gemäß 5) durchführbare Verfahren 500 wird nachfolgend anhand von 7 noch erläutert, wobei lediglich die Abfolge der Verfahrensschritte beschrieben wird. Die technische Durchführung der Verfahrensschritte selbst wurde bereits beschrieben.
Zu Beginn der Überprüfung wird in einem ersten Verfahrensschritt 501 durch den Pulsgeber 3 vorzugsweise genau ein Puls, ggf. aber auch eine definierte Anzahl mehrerer Pulse, zur Anregung an dem Schallgeber 2 angelegt und danach der Pulsgeber 3 ausgeschaltet. Dieser Schritt 501 erfolgt nach einem START-Signal, das bspw. bei der Aktivierung der Schaltungsanordnung 1, 50 erfolgen kann oder von außen bspw. durch einen Tastendruck an dem Gerät mit der Schaltungsanordnung vorgebbar ist. Mittels geeigneter Kommunikationseinrichtungen ist auch eine Fernüberwachung von einer Zentrale aus möglich. Eine Fernüberwachung kann im Falle einer bidirektionalen Kommunikationsschnittstelle auch das Fernauslösen der Prüfunktion beinhalten. Das Prüfergebnis wird in der beschrieben Art ausgegeben oder über eine Kommunikationsschnittstelle an eine Empfängereinheit übertragen Ein erfindungsgemäß besonders bevorzugtes Gerät, das die Schaltungsanordnung aufweist, ist ein Rauchwarnmelder.
In einem nachfolgenden Schritt 502 wird eine Elektrode auf den ersten Eingang des Analog-Komparators 6 aufgeschaltet, mit einer an dem zweiten Eingang des Analog-Komparators 6 anliegenden Referenzspannung Uref verglichen und ein Ausgangssignal ausgegeben, dessen Signalhöhe von dem Vergleich der an dem ersten und dem zweiten Eingang anliegenden Signalen abhängt. Aufgrund der freien (gedämpften) Schwingung 102 des Signals des Schallgebers 2 treten Wechsel auch in der Amplitude des Ausgangssignals 103 des Komparators 6 auf. Diese Wechsel werden in dem Zähler 7 gezählt, wobei in den beispielhaft beschriebenen Schaltungsanordnungen 1, 50 jeweils nur Wechsel in der aufsteigenden Flanke des Ausgangssignals 103, und respektive der freien Schwingung 102, gezählt werden. Der Fachmann kann im Rahmen seines fachmännischen Könnens aber auch entsprechend andere Zählweisen umsetzen, wie eingangs bereits beschrieben. Dieses Zählen der Wechsel erfolgt so lange, bis für eine bestimmte Zeit keine Wechsel mehr gezählt werden. Dann wird die Messung beendet.
Nach einer Messung wird im folgenden Verfahrensschritt 503 überprüft, ob die Ist-Anzahl der gezählten Wechsel kleiner ist als die vorgegebene Soll-Anzahl von Wechseln. Ist dies der Fall, wird in einem Verfahrensschritt 550 eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben. Nach Ausgabe der Fehlermeldung kann in einen Verfahrensschritt 560 durch eine Zeitsteuerung optional eine definierte Wartezeit abgewartet werden, bis in Verfahrensschritt 501 eine neue Überprüfung begonnen wird, bspw. bevor eine Fehlermeldung an eine Empfängereinheit bspw. in einer Fernüberwachungszentrale übertragen wird oder der Fehlerzustand am Rauchwarnmelder bspw. über eine optische Anzeige (LED) signalisiert wird. Alternativ kann das Verfahren in Verfahrensschritt 560 auch beendet werden. Dann kann es durch ein neues START-Signal erneut gestartet werden.
Sofern dagegen die Ist-Anzahl der gezählten Wechsel gleich den oder größer als die vorgegebene Soll-Anzahl von Wechseln ist, kann durch die Recheneinheit 5 ein Signal ausgegeben werden, das die Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2 bestätigt.
In einem optionalen Verfahrensschritt 504 kann aber vorher zusätzlich aus während des Verfahrensschritts 502 ermittelten Zeitpunkten von (gezählten) Wechseln in dem Ausgangssignal 103 des Komparators 6 die Eigenfrequenz (bzw. die Periodendauer) des Schallgebers 2 ermittelt werden.
Danach wird in einem auf den Verfahrensschritt 504 folgenden (entsprechend ebenso optionalen) Verfahrensschritt 505 überprüft, ob diese Eigenfrequenz innerhalb der Bauteiltoleranzen mit einer bekannten Referenzfrequenz übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren in dem Verfahrensschritt 550 mit Ausgabe einer entsprechenden Fehlermeldung fortgesetzt, wie bereits beschrieben.
Andernfalls, d.h. bei Übereinstimmung der Eigenfrequenz mit der Referenzfrequenz, können in zwei weiteren, optionalen Verfahrensschritten 506 bis 507 für jede volle in der Messung erfasste Schwingung des Schwingsignals aus den ermittelten Zeitpunkten der (gezählten) Wechsel die Eigenfrequenzen bestimmt und miteinander verglichen werden. Stimmen die Eigenfrequenzen der einzelnen vollen Schwingungen nicht überein, erfolgt die Ausgabe einer entsprechenden Fehlermeldung in Verfahrensschritt 550.
Andernfalls kann nach einer positiven Überprüfung in den Verfahrensschritten 503, 505 und/oder 507 in dem Verfahrensschritt 530 eine positive Meldung über die Funktionsfähigkeit des Schallgebers 2 ausgegeben werden. Dies kann durch die Recheneinheit 5 des Mikrokontrollers 9 an eine geeignete Ausgabeeinrichtung erfolgen, bspw. ein Display oder eine Signalleuchte.
Dem Verfahrensschritt 530 kann optional ein Verfahrensschritt 540 folgen, in dem die Alarm-Anregungsfrequenz, mit der Pulse eines gepulsten Dauersignals zur Anregung des Schallgebers 2 bei der Erzeugung eines Alarmsignals angesteuert werden, auf die ermittelte Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers eingestellt wird.
Nach dem Verfahrensschritt 540 kann zu der Zeitsteuerung in Verfahrensschritt 560 übergegangen werden.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung 1, 50 und/oder das vorgeschlagene Verfahren 500 mit den Verfahrensschritten 501 bis 560 können besonders vorteilhaft in einem Rauchwarnmelder integriert sein und dort verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: piezo-elektrischer Schallgeber
3: Pulsgeber
4: Messeinrichtung
5: Recheneinheit
6: Analog-Komparator
7: Zähler
8: Schalter
9: Mikrokontroller
10: Anregungsschaltung
11: Zeitgeber
12: Piezo-Element
13a, b, c, d: Transistor
14: Reihe mit zwei in Serie geschalteten Transistoren
15: Reihe mit zwei in Serie geschalteten Transistoren
16: Schalter
16': MOSFET Transistor
17: Schalter
17': MOSFET Transistor
18: Mittelabgriff
19: Mittelabgriff
50: Schaltungsanordnung
51: Anregungsschaltung
52: Oszillatorschaltung
53: Transistor
100: Schwingungssignal des Schallgebers
101: Anregungsschwingung durch Anregungspuls
102: Freie gedämpfte Schwingung des Schallgebers
103: Ausgangssignal des Komparators
500: Verfahren zur Überprüfung des piezo-elektrischen Schallgebers in einer Schaltungsanordnung
501 bis 560: Verfahrensschritte
G: Groundelektrode des Schallgebers
I: Inputelektrode des Schallgebers
F: Feedbackelektrode des Schallgebers
Uref: Referenzspannung
U: Versorgungspannung
Zi: Zählzeitpunkte i = 1, 2, ...

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2073178 B1 [0005]

Claims

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezo-elektrischen Schallgebers (2) mit dem piezo-elektrischen Schallgeber (2), einem Pulsgeber (3) zur Ansteuerung des piezo-elektrischen Schallgebers (2) und einer Messeinrichtung (4) zur Messung des Schwingungssignals des piezo-elektrischen Schallgebers (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (4) eine Recheneinheit (5), einen Analog-Komparator (6) und ein Zähler (7) aufweist, wobei – eine Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers (2) auf einen ersten Eingang des Analog-Komparators (6) aufschaltbar ist und zweiter Eingang des Analog-Komparators (6) mit einer Referenzspannung (Uref) derart beaufschlagt ist, dass der Analog-Komparator (6) einen Wechsel in seinem Ausgangssignal (103) erzeugt, wenn ein von einer Elektrode des piezoelektrischen Schallgebers (2) ausgegebenes Signal an dem ersten Eingang des Analog-Komparators (6) die an dem zweiten Eingang des Analog-Komparators (6) beaufschlagte Referenzspannung (Uref) überschreitet oder unterschreitet, – der Zähler (6) zum Zählen von Wechseln in dem Ausgangssignal (103) des Analog-Komparators eingerichtet ist, und – die Recheneinheit (5) für eine Überprüfung der Funktion des piezoelektrischen Schallgebers (2) dazu eingerichtet ist, – den Pulsgeber (3) zum Anlegen mindestens eines Pulses an den piezoelektrischen Schallgebers (2) zu aktivieren, – den Pulsgeber (3) nach dem Anlegen einer definierten Anzahl von Pulsen zu deaktivieren, – den Zähler (7) zum Zählen der Wechsel in dem Ausgangssignal (103) des Analog-Komparators (6) nach dem Deaktivieren des Pulsgebers (3) zu aktivieren, und – die Ist-Anzahl der gezählten Wechsel mit einer vorgegebenen Soll-Anzahl von Wechseln zu vergleichen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem zweiten Eingang des Analog-Komparators (6) beaufschlagte Referenzspannung (Uref) derart bemessen ist, dass zwischen vier bis sechs Wechsel in dem Ausgangssignal (103) des Analog-Komparators (6) gezählt werden, wenn der piezo-elektrische Schallgeber (2) funktionsfähig ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (5) dazu eingerichtet ist, in dem Ausgangssignal (103) des Analog-Komparators (6) ein Wechsel durch den Zähler (7) nur dann zu zählen, wenn eine aufsteigende Flanke oder wenn eine absteigende Flanke in dem Signal detektiert wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1, 50) einen Zeitgeber (11) aufweist und die Recheneinheit (5) dazu eingerichtet ist, die Zeitpunkte (Z1, Z2, ... Zi) der Wechsel in dem Ausgangssignal (103) des Analog-Komparators (6) zu erfassen und daraus die Periodendauer der Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers (2) zu ermitteln.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (5) dazu eingerichtet ist, die Periodendauer der Schwingung des piezo-elektrischen Schallgebers (2) mit einer empirisch ermittelten und/oder aus einem Datenblatt entnommenen Referenzfrequenz zu vergleichen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (5) dazu eingerichtet ist, den Pulsgeber (3) für eine Alarmdauer zum Anlegen eines gepulsten Dauersignals an dem piezoelektrischen Schallgeber (2) zu aktivieren, wobei durch das gepulste Dauersignal Pulse an dem piezo-elektrischen Schallgeber (2) mit einer Alarm-Anregungsfrequenz angelegt werden, die an die ermittelte Periodendauer angepasst ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgeber (3) und die Recheneinheit (5) in einen Mikrokontroller (9) integriert sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Komparator (6) und der Zähler (7) in den Mikrokontroller (9) integriert sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgenerator (3) mit seinen Pulsen Schalter in einer Anregungsschaltung (10) betätigt, die den piezo-elektrischen Schallgeber (2) abwechselnd an der Inputelektrode (I) und der Groundelektrode (G) mit Spannung versorgen.
Verfahren zur Ansteuerung und Überprüfung der Funktion eines piezoelektrischen Schallgebers () mittels einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Puls an den piezo-elektrischen Schallgeber (2) angelegt wird, – nach dem mindestens einen Puls eine Elektrode des piezo-elektrischen Schallgebers (2) auf den ersten Eingang des Analog-Komparators (6) aufgeschaltet und mit einer an dem zweiten Eingang des Analog-Komparators (6) anliegenden Referenzspannung (Uref) verglichen wird, wobei ein Wechsel in dem Ausgangssignal (103) des Analog-Komparators (6) gezählt wird und – die Ist-Anzahl der gezählten Wechsel mit einer vorgegebenen Soll-Anzahl von Wechseln verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte von Wechseln in dem Ausgangsignal (103) des Analog-Komparators (6) ermittelt werden, und aus den Zeitpunkten die Eigenfrequenz des piezoelektrischen Schallgebers (2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alarm-Anregungsfrequenz, mit welcher Pulse eines gepulsten Dauersignals bei Anregung des piezo-elektrischen Schallgebers (2) zur Erzeugung eines Alarmsignals erzeugt werden, auf die ermittelte Eigenfrequenz des piezo-elektrischen Schallgebers (2) eingestellt wird.