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Die Erfindung betrifft eine mobile Steuerung für eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Anordnung zur Auswertung resistiver Messwertgeber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs Anspruchs 1. Unter einer mobilen Steuerung soll eine programmierbare Steuereinheit verstanden werden, die auch in einer mobilen Arbeitsmaschine einsetzbar ist. Als mobile Arbeitsmaschine werden Kranfahrzeuge, Müllfahrzeuge, Landmaschinen etc. verstanden, die größtenteils von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße mobile programmierbare Steuerung (Steuereinheit) auch in der Automatisierungstechnik zur Prozesssteuerung oder zu Fertigungssteuerung verwendet, wo neben den üblichen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) auch PC-basierte Steuerungen eingesetzt werden. An eine Steuerung für mobile Arbeitsmaschinen werden jedoch im Hinblick auf Umwelteinflüsse wie Temperatur, Vibrationen, schwankende Betriebsspannungen und elektromagnetische Störungen deutlich höhere Anforderungen gestellt als an eine stationär einsetzbare Steuereinheit. Die in Rede stehenden Steuerungen weisen mindestens einen 16-Bit oder 32-Bit-Microcontroller, sowie einen Programmspeicher für diverse Applikationsprogramme auf. Oftmals überwacht ein zweiter Microcontroller wichtige Systemfunktionen, so dass sie auch für sicherheitsgerichtete Applikationen einsetzbar sind. Neben digitalen Ein- und Ausgängen besitzt eine solche Steuerung auch analoge Ports. Zusätzlich können Eingänge für Signale im Bereich von einigen 10 kHz und eine Anzahl von PWM-Ausgänge zur Erzeugung von pulsweitenmodulierten Signalen mit Stromregelung zur Verfügung stehen. Sämtliche Ein- und Ausgänge sind gegen Störungen und Überlast geschützt. Zur Stromversorgung stehen in der Regel Weitspannungsnetzteile für den Betrieb an 12 oder 24-Volt Bordnetzen und auch darüber hinaus zur Verfügung. Die von der ifm electronic gmbh hergestellten Steuerungen „Classic Controller“ sind unter der Bezeichnung CR0032 und CR0411 im Handel, und bieten diverse Möglichkeiten zur Messwerterfassung. So können ihre Eingänge für die Betriebsmoden Digital, Analog-Strom, Analog-Spannung, Frequenz oder Analog-Widerstand konfiguriert werden.
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Der CR0032 weist einen 32 Bit-Mikroprozessor, 16 Eingänge, 16 Ausgänge und 2 H-Brücken auf.
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Am weitesten verbreitet sind sicherlich resistive Messwertgeber, die ihren ohmschen Widerstandswert in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Größe ändern. Diese Messwertgeber sind Widerstands-Temperatursensoren, welche als einfacher PTC oder als hochwertiger Platin-Temperaturfühler (PT100) ausgeführt sind, aber auch Füllstandsensoren oder Sensoren, die ähnlich wie ein Potentiometer Winkel oder Weglängen erfassen. Ausgewertet wird wie bereits erwähnt, der ohmsche Widerstand, und zwar über eine Gleichstrommessung bei bekannter Spannung oder eine Gleichspannungsmessung bei bekanntem Strom oder auch durch eine Kombination beider Messungen. Die Genauigkeitsanforderungen richten sich nach der Anwendung in Verbindung mit dem zur Verfügung stehenden Messwergeber. Für eine einfache Füllstandmesseinrichtungen ist eine Genauigkeit von 5% meist ausreichend, während bei Temperaturmessungen mit einem Platinthermometer sehr schnell Genauigkeiten von 0,1% erforderlich sind. Die bekannten Steuerungen liefern bei den Widerstandseingängen eine Genauigkeit von ±2% im Messbereich von 16..3000 Ω (Größere Widerstandswerte bis zu 10% Fehler). Was bei der Temperaturmessung mittels PT100 einem Messfehler von ca. 5°C entspricht.
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Bei der Widerstandsmessung wird der resistive (ohmsche) Messwertgeber (Sensor) über eine Leitung mit den Messeingang der Steuerung verbunden. Um den Stromkreis zu schließen, muss der Sensor mit der Masseleitung (GND) verbunden werden. Diese GND-Verbindung ist jedoch nicht exklusiv für jeden Messwertgeber vorhanden, sondern wird üblicherweise von anderen ebenfalls an die Steuerung angeschlossenen Sensoren oder Aktoren mit benutzt. Besonders beim Betrieb von Aktoren, welche anwendungsspezifisch meist in Form von Hydraulikventilen oder Gleichstrommotoren anzutreffen sind, fließen durch die GND-Leitungen hohe Rückströme, welche erschwerend meist noch dynamischen Charakter haben. Diese Rückströme erzeugen in den GND-Leitungen, bedingt durch deren Leitungs- und Übergangswiderstände, dem fließenden Strom proportionale Störspannungen.
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Bei gemeinsamer Nutzung der GND-Leitung oder auch nur von Leitungsabschnitten beeinflussen diese die Messung an den Widerstandseingängen also erheblich. Diesem Problem kann man durch sternpunktförmiges Verlegen der GND Leitungen begegnen, was jedoch mit einem Mehraufwand verbunden ist. Da die bekannten mobilen Steuerungen eine größere Anzahl von zum Anschluss von Messwertgebern und Aktoren geeignete Ein- und Ausgängen besitzen, würde eine konsequente sternpunktförmige Verkabelung bedeuten, dass zu jeden Signalanschluss auch ein eigener GND-Anschluss an der Steuerung vorgesehen werden müsste. Das würde die Zahl der Anschlussklemmen am Gehäuse der Steuerung beinahe verdoppeln, was weder vom Kunden akzeptiert noch vom Hersteller gewünscht würde. Eine schwächere Form der sternpunktförmigen Ausprägung wäre ein Sternpunkt direkt an der Steuerung, was für den Kunden einen deutlichen Mehraufwand in der Verkabelung bedeutet.
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Die
DE 10 2012 107 090 A1 zeigt eine Mehrleiter-Messvorrichtung für einen fehlerhaften temperaturabhängigen Widerstand. Sie benötigt wenigstens zwei wechselweise ansteuerbare Stromerzeugungseinrichtungen, zwei Spannungsmesseinrichtungen und drei Anschlussklemmen. Die Anordnung und das Verfahren werden als zu aufwändig angesehen.
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Die
DE 10 2005 029 045 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung und / oder Überwachung der Temperatur für mindestens zwei Temperatursensoren, die über insgesamt 5 Leitungen mit einem Messumformer verbunden sind. Diese Anordnung wird auch als zu aufwändig angesehen.
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Die
DE 10 2005 032 134 A1 zeigt eine Messvorrichtung zur Bestimmung oder zur Überwachung einer Prozessgröße und ein Verfahren zur Überwachung derselben, wobei der elektrische Widerstand einer Sensoreinheit unter rauen Umgebungsbedingungen gemessen wird. Hier misst eine Impedanzmesseinrichtung den elektrischen Widerstand eines resistiven Sensors und des zugehörigen Kabels. Um auch die Reaktanz zu erfassen, wird mit wechselnder Frequenz zwischen 100 Hz und 300 kHz gemessen. Zur Prüfung werden Impedanzspektren der Anordnung in diesem Frequenzbereich aufgezeichnet und mit gespeicherten Daten verglichen. Auch dieses Verfahren wird als zu material- und zeitaufwändig angesehen, zumal der imaginäre Wechselstromwiderstand in vielen Fällen nicht benötigt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mobile Steuerung für eine mobile Arbeitsmaschine zu verbessern. Insbesondere soll der Einsatz der beschriebenen mobilen Steuerungen in mobilen Arbeitsmaschinen erleichtert werden. Dazu soll eine Steuerung angeben werden, mit der ein ohmscher Messwertgeber auch bei elektromagnetischen Störungen mit hoher Genauigkeit ausgewertet werden kann, ohne den Verkabelungsaufwand zu erhöhen. Es sollen sowohl statische als auch dynamische Störungen ausgeblendet werden und außerdem die Grundgenauigkeit der unbeeinflussten Messung verbessert werden. Die Anordnung soll kostengünstig sein und ohne größeren Kalibrieraufwand auskommen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Anwendungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, zwar die übliche Messschaltung mit einem zum Messwergeber in Reihe geschalteten Referenzwiderstand zu verwenden, die Störsignale aber mit einem aus der Wechselstrom-Messtechnik prinzipiell bekannten phasenempfindlichen (Synchron-)Gleichrichter auszublenden.
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Erfindungsgemäß werden ein unbekannter ohmscher Widerstand und ein bekannter Referenzwiderstand in Reihe geschaltet und mit sinusförmiger Wechselspannung beaufschlagt. Die Spannung über dem unbekannten ohmschen Widerstand wird vorteilhaft mittels eines phasenselektiven Gleichrichters oder einer synchronen Demodulation bestimmt. Da die Spannung über dem Referenzwiderstand auf die gleiche Weise gemessen wird, kann auf einfache Weise das Verhältnis der beiden Widerstände und damit auch die gesuchte Größe bestimmt werden. Das hat den Vorteil, dass Störungen in Form von fremden Gleich- und Wechselspannungen ausgeblendet werden. Das an sich bekannte Verfahren der phasenselektiven Gleichrichtung wird auch als Lock-In-Verfahren bezeichnet und findet bisher breite Anwendung in der Wechselstromtechnik bei der Bestimmung von Impedanzen mit Blindwiderständen.
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Derartige Anordnungen und Messverfahren sind in der
DE 32 00 362 C2 , der
DE 43 31 520 C1 , der
DE 93 12 517 U1 und in der
CH 652 215 A offenbart. Diese Schriften betreffen allerdings ausschließlich die Auswertung von Impedanzen, d.h. von komplexen Widerständen. Zur Messung rein ohmscher Widerständen wurde dieser Aufwand bisher offenbar abgelehnt.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße mobile Steuerung in einem Kraftfahrzeug,
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2 zeigt eine mobile Steuerung mit sternförmiger Erdung als Stand der Technik,
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer analogen Messanordnung,
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4 zeigt ein Ausführungsbespiel einer digitalen Messanordnung.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäß weiterentwickelte mobile Steuerung auf der Grundlage des oben genannten CR0032 der ifm electronic in einem Kraftfahrzeug. Die Darstellung wurde extrem vereinfacht und auf das Wesentliche beschränkt. Die nicht gezeigten Baugruppen und Anschlüsse sind der Fachwelt bekannt, und können aus dem Datenblatt oder der Betriebsanleitung des Controllers CR0032 entnommen werden. Als Messwertgeber 1 sind zur Temperaturmessung geeignete PTC-Widerstände gezeigt. Sie sind mit den beiden beispielhaft dargestellten Messeingänge 21 und 22, verbunden. Der Classic Controller CR0032 besitzt wie oben erwähnt 16 Eingänge. Der von den Messwertgebern 1 kommende Rückstrom fließt über die Kfz-Masse zum Masseanschluss der mobilen Steuerung. Als Aktoren dienen zwei Elektromotoren, wobei der erste beispielhaft digital und der zweite pulsweitenmoduliert (PWM) gesteuert wird. Sie sind mit den Ausgängen 23 und 24, sowie auch mit der Kfz-Masse verbunden. Der CR0032 besitzt insgesamt 16 Ausgänge. Wie man leicht sieht, können die Rückströme der Motoren zu Störungen bei der Temperaturmessung führen. Erfindungsgemäß vorteilhaft können diese Störungen zu einen großen Teil durch die Auswerte-Anordnung 20 mit den Baugruppen 2 bis 11 ausgeblendet werden.
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Um den Einfluss der Störungen auf das Ergebnis der Temperaturmessung möglichst gering zu halten, kann die Widerstandsmessung zeitlich entkoppelt werden, indem zu Zeitpunkten gemessen wird, wenn keine oder wenigstens geringe Ströme durch die Aktoren fließen. Außerdem besteht die Möglichkeit, zu den bekannten Störspektren der Aktoren orthogonale Messfrequenzen zu verwenden.
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Die 2 zeigt den Stand der Technik mit dem bekannten CR0032 mit sternförmiger Erdung. Wie man sieht, ist der Verkabelungsaufwand hier erheblich höher.
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Die 3 zeigt das Blockschaltbild einer ersten Messanordnung, wobei der resistive Messwertgeber 1 wird mit einem sinusförmigen Signal beaufschlagt wird. Das Signal wird von einem Generator 2 erzeugt, einem Treiber 3 verstärkt und einem Referenzwiderstand 4 zugeführt. Die Spannungen an den Knotenpunkten werden vom ersten Messwertaufnehmer 5 und vom zweiten Messwertaufnehmer 6 erfasst und den beiden Multiplizierern 7 und 8 zugeführt, die außerdem das Signal des Generators 2 erhalten. Das Produkt der beiden Sinussignale liefert wegen der bekannten Beziehung sin2x + cos2x = 1 jeweils eine Gleichspannung, die nach Filterung der Wechselstromanteile durch die Tiefpässe 9 und 10 einer Recheneinheit 11 zugeführt werden können, wo sie in digitale Signale umgewandelt und weiterverarbeitet werden. Wie in der 4 gezeigt wird, können die Multiplikatoren und die Tiefpassfilter nach einer Digitalisierung der Messwerte durch die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) ersetzt werden.
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Die 4 zeigt das Blockschaltbild einer zweiten, wesentlich einfacher aufgebauten Messanordnung. Auch hier ist der Messwertgeber 1 mit einem Referenzwiderstand 4 in Reihe geschaltet. Allerdings werden nahezu sämtliche Funktionen der oben beschriebenen Anordnung von der Recheneinheit 11, vorzugsweise vom einem Mikrocontroller übernommen. Die Funktion des Treibers 3 wird von einem zur Recheneinheit 11 gehörenden Digital-Analog-Wandler 12 übernommen. Die beiden Analog-Digital-Wandler sind mit 13 und 14 bezeichnet. Die Kommunikation mit der übergeordneten Steuereinheit erfolgt hier mit einem Serial Peripheral Interface (SPI), was einen besonders geringen Aufwand bei der Verkabelung ermöglicht. Die Multiplikationen und die Tiefpassfilterung erfolgen numerisch, und können leicht von der CPU (Central Processing Unit) der Recheneinheit 11 übernommen werden, was wegen der Programmierbarkeit eine hohe Flexibilität bei der Auswertung erlaubt.
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Selbst einfache Mikrocontroller beinhalten die notwendigen Komponenten, nämlich Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler, wobei letztere auch durch Pulsweitenmodulation (PWM) mit einem binären Schaltausgang realisierbar sind. Die Frequenz des Messsignals ist so zu wählen, dass die Abtastgeschwindigkeit der A/D-Wandler im Mikrocontroller die punktweise Abtastung der Sinussignale mit ausreichender zeitlicher Auflösung erlaubt.
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Die Erfindung betrifft eine auch als Controller bezeichnete mobile Steuerung für eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Anordnung 20 zur Auswertung resistiver, rein ohmscher Messwertgeber 1 mit einem Sinusgenerator 2, einem Treiber 3 zur Verstärkung des Sinussignals, einem Referenzwiderstand 4, einem ersten Messwertaufnehmer 5, einem zweiten Messwertaufnehmer 6, einem ersten Multiplizierer 7, einem zweiten Multiplizierer 8, einem ersten Tiefpass 9, einen zweiten Tiefpass 10 und einer Recheneinheit 11 zur Signalauswertung, wobei der Ausgang des Treibers 3 mit dem ersten Anschluss des Referenzwiderstands 4 und dem ersten Messwertaufnehmer 6 verbunden ist, der zweite Anschluss des Referenzwiderstands 4 mit dem zweiten Messwertaufnehmer 6 und dem andererseits auf Bezugspotential (Masse) befindlichen Messwertgeber 1 verbunden ist, die beidem Multiplizierer 7, 8 jeweils mit einem der beiden Messwertaufnehmer 5, 6 und die Ausgänge der Multiplizierer 7, 8 über Tiefpässe 9, 10 mit der Recheneinheit 11 verbunden sind.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung 20 zur Auswertung des Messwertgebers 1 mit einem Referenzwiderstand 4 und einem Recheneinheit 11 wobei die Funktion des Treibers 3 von einem zur Recheneinheit 11 gehörigen Digital-Analog-Wandler 12, und die übrigen Funktionen ebenfalls von der Recheneinheit 11 übernommen werden. Die Recheneinheit 11 ist in beiden Fällen Bestandteil der mobilen Steuerung, d. h. alle Rechenoperationen werden vom Controller der mobilen Steuerung ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Messungen mit verschiedenen Frequenzen nacheinander erfolgen und aus den Messergebnissen ein Mittelwert gebildet werden. Die Ergebnisse können auch aus Teilergebnissen verschieden Messungen unter Nutzung statistischerer Verfahren ermittelt werden.
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Weil die Recheneinheit 11 oder selbst die Aktoren steuern, oder mit einem weiteren in der Steuereinheit vorhanden Mikrocontroller kommunizieren kann, ist sie in der Lage, die Widerstandsmessung zeitlich zu entkoppeln, d. h. soweit möglich nur bei ausgeschalteten Aktoren (Motoren) oder nicht aktiven Hydraulikventilen messen.
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In einer weiteren Ausgestaltung können bei abgeschalteten Signalquellen 3 oder 12 die Störspektren der Anordnung gemessen, und anschließend nach geeigneten, möglichst orthogonalen Messfrequenzen zur Widerstandsmessung gesucht werden
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Darüber hinaus können, auch zu bekannten äußeren Störspektren, beispielsweise aus dem Kraftfahrzeug, orthogonale Messfrequenzen verwendet werden, um auch deren Einfluss auf das Ergebnis der Temperaturmessung möglichst gering zu halten.
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Die Recheneinheit 11 kann natürlich auch zur Steuerung und Auswertung der Messung, sowie für weitere Aufgaben eingesetzt werden.
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Die Auswertung und/oder die Steuerung der Anordnung 20 kann ganz oder teilweise in einer programmierbarer Logik (FPGA / CPLD) oder in einem kundenspezifischen IC (ASIC) realisiert sein.
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Der Sinusgenerator 2 und der Treiber 3, oder der Digital-Analog-Wandler 12 können als Spannungs- oder Stromquelle ausgeführt sein, und natürlich auch für mehrere Messeingänge 21, 22 genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Resistiver Messwertgeber, z. B. Platin-Widerstand
- 2
- Sinusgenerator zur Erzeugung des Messsignals
- 3
- Treiber (Verstärker) zur Verstärkung des Messsignals
- 4
- Referenzwiderstand
- 5
- Erster Messwertaufnehmer
- 6
- Zweiter Messwertaufnehmer
- 7
- Erster Multiplizierer
- 8
- Zweiter Multiplizierer
- 9
- Erster Tiefpass
- 10
- Zweiter Tiefpass
- 11
- Recheneinheit, optional auch Bestandteil des Controllers der mobilen Steuerung
- 12
- DA-Wandler, Digital-Analog-Umsetzer, ersetzt den Treiber 3
- 13
- Erster AD-Wandler, Analog-Digital-Umsetzer
- 14
- Zweiter AD-Wandler, Analog-Digital-Umsetzer
- 15
- Serial Peripheral Interface (SPI)
- 20
- Anordnung zur Auswertung resistiver Messwertgeber
- 21
- Erster Messeingang
- 22
- Zweiter Messeingang
- 23
- Erster Aktorausgang
- 24
- Zweiter Aktorausgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012107090 A1 [0006]
- DE 102005029045 A1 [0007]
- DE 102005032134 A1 [0008]
- DE 3200362 C2 [0013]
- DE 4331520 C1 [0013]
- DE 9312517 U1 [0013]
- CH 652215 A [0013]
