DE10326989A1 - Measurement device with a measurement sensor, especially for use with railway rolling stock, has a circuit board with a flexible section or area linking two adjoining rigid circuit board areas - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung mit wenigstens einem Messfühler. Solche Messvorrichtungen werden beispielsweise bei Schienenfahrzeugen als Hallsensor ausgebildet, die im Bereich eines Zahnrads angebracht sind. Der Hallsensor ist dabei so im Bereich der Zähne des Zahnrads angebracht, dass die durch die Zähne verursachte Flussänderung eines Magnetfelds vom Hallsensor detektiert wird.The The invention relates to a measuring device with at least one sensor. Such Measuring devices are used, for example, in rail vehicles Hall sensor formed, which is mounted in the region of a gear are. The Hall sensor is so in the teeth of the Gear wheel attached, that caused by the teeth flow change a magnetic field is detected by the Hall sensor.
Dabei
ist es wünschenswert,
im Betrieb zusätzliche
Informationen über
ein ordnungsgemäßes Funktionieren
der Messeinrichtung bzw. der Messfühler der Messeinrichtung zu
erhalten. Die
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Messfühler und eine Messvorrichtung mit einem solchen Messfühler bereitzustellen.It Object of the invention, an improved sensor and to provide a measuring device with such a sensor.
Der erfindungsgemäße Messfühler weist eine Leiterplatte mit einem ersten und mit einem zweiten starren Leiterplattenbereich auf. Dazwischen erstreckt sich ein flexibler Leiterplattenbereich, wobei auf dem flexiblen Leiterplattenbereich wenigstens ein Sensorbauteil angeordnet ist. Der erste und der zweite starre Leiterplattenbereich sind aneinander liegend angeordnet. Mit einem solchen Messfühler lässt sich eine besonders genaue winklige Anordnung eines Sensorbauteils bezüglich der beiden starren Leiterplattenbereiche erreichen. Durch die Länge des flexiblen Leiterplattenbereichs und durch die Anord nung des Sensorbauteils auf dem flexiblen Leiterplattenbereich lässt sich nämlich mit dessen Winkel bezüglich der starren Leiterplattenbereiche sehr genau vorherbestimmen. Wenn die starren Leiterplattenbereiche aneinander liegen, dann bildet der dazwischen liegende flexible Leiterplattenbereich nämlich einen Bogen mit sehr genau vorherbestimmbarer Biegelinie aus. Durch die Position des Sensorbauteils auf dieser Biegelinie ergibt sich die winklige Verdrehung des Sensorbauteils bezüglich der flexiblen Leiterplattenbereiche.Of the inventive sensor has a Printed circuit board with a first and a second rigid printed circuit board area on. In between, there is a flexible circuit board area, wherein on the flexible printed circuit board area at least one sensor component is arranged. The first and second rigid circuit board area are arranged next to each other. With such a sensor can be a particularly accurate angular arrangement of a sensor component with respect to reach both rigid circuit board areas. By the length of the flexible printed circuit board area and by the Anord tion of the sensor component on the flexible circuit board area can namely namely with its angle with respect to the Predict rigid PCB areas very accurately. If the rigid circuit board areas lie together, then forms the intermediate flexible printed circuit board area namely one Bow with very precisely predeterminable bending line. By the Position of the sensor component on this bending line results in the angular twisting of the sensor component with respect to the flexible printed circuit board areas.
Zur Verbesserung der Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Leiterplattenbereich sind dabei Verbindungselemente vorgesehen, die ein Verrutschen der starren Leiterplattenbereiche gegeneinander verhindern.to Improvement of the connection between the first and second printed circuit board area are fasteners provided which slipping the prevent rigid PCB areas from each other.
Das Messfühlergehäuse weist Vorteilhafterweise Führungsschienen für den ersten und den zweiten starren Leiterplattenbereich auf, in denen diese geführt werden. Auf diese Weise lässt sich eine besonders genaue winklige Anordnung des Sensorbauteils bezüglich des Messfühlergehäuses erreichen.The Sensor housing points Advantageously, guide rails for the first and the second rigid circuit board area in which this guided become. That way a particularly accurate angular arrangement of the sensor component in terms of reach the sensor housing.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung mit aneinander liegenden starren Leiterplattenbereichen lässt sich auf besonders einfache Weise eine Kontaktierung mit einem Anschlussstecker oder einer Anschlussbuchse erreichen. Dazu werden im Bereich eines Kontaktrandes der Leiterplatte offen liegende Leiterbahnen auf dem ersten oder auf dem zweiten starren Leiterplattenbereich vorgesehen. Auf diese offen liegenden Leiterbahnen kann dann eine elektrische Anschlussbuchse aufgesteckt werden, wobei die Anschlussbuchse wenigstens einen Federkontaktbereich aufweist. Dieser Federkontaktbereich tritt einerseits mit einem der beiden starren Leiterplattenbereiche und andererseits mit einer Leiterbahn auf dem anderen starren Leiterplattenbereich in Kontakt. Es ist auch möglich, im Federkontaktbereich zwei Kontaktfedern vorzusehen, von denen je eine eine Leiterbahn auf einer der beiden starren Leiterplattenbereichen kontaktiert.With the training of the invention with adjacent rigid PCB areas can be in a particularly simple way contacting with a connector or reach a connection socket. This will be in the area of a Kontaktrandes the circuit board exposed traces on the provided on the first or on the second rigid circuit board area. On these exposed tracks then an electric Connection socket are plugged, the socket at least having a spring contact area. This spring contact area occurs on the one hand with one of the two rigid PCB areas and on the other with a trace on the other rigid circuit board area in contact. It is also possible, to provide two contact springs in the spring contact area, of which one each a trace on one of the two rigid circuit board areas contacted.
Der
Federkontaktbereich weist dabei je zwei gegenüberliegende Klammerkontakte
auf, die gegen eine dazwischen eingeschobene Leiterplatte federnverschieblich
ausgebildet sind. Auf diese Weise lässt sich eine besonders gute
und dauerhafte Kontaktierung erreichen. Diese Aspekte der Erfindung
sind gut in
Bei allen folgenden Schaltungsbeschreibungen werden für das Verständnis der Funktion der betreffenden Schaltung nicht notwendige Bauteile weggelassen. Hierzu zählen beispielsweise passive Bauteile, die einer Überlastung der anderen Bauteile entgegenwirken, wie beispielsweise Strombegrenzungswiderstände, EMV-Komponenten, Siebkondensatoren, Verpolungsschutzdioden u.ä.at All the following circuit descriptions are for the understanding of Function of the circuit concerned unnecessary components omitted. Which includes For example, passive components that overload the other components counteract such as current limiting resistors, EMC components, Filter capacitors, reverse polarity protection diodes and the like
Der
Messfühler
In
einer hier nicht gezeigten Ausführungsform
sind nur zwei Schnittstellenanschlüsse vorgesehen. Dann wird das
Ausgangssignal als Funktion der Gesamtstromaufnahme gebildet In
dieser Ansicht ist nicht dargestellt, dass der Messfühler
Der
zentrale Teil der Schaltung wird durch einen Sensor
Um
die Zähne
eines nicht-magnetischen Zahnrads, das im wesentlichen kein Magnetfeld
erzeugt, detektieren zu können,
wird ein hier nicht gezeigter Dauermagnet auf der Rückseite
des Hall-Sensors IC101 aufgeklebt wird. Der Dauermagnet ist so groß, dass
er gleich alle beide Hall-Sensoren IC101 abdeckt (z.B. Doppelgeber),
nämlich
das IC101 und eine hier nicht dargestelltes weiteres IC einer weiteren
Schaltung. Dies erfolgt so, weil bei zwei Einzelmagneten eine gegenseitige
Beeinflussung erfolgen könnte
(Abstoßung
oder Verzerrung des magnetischen Feldes). Das Zahnrad ist so im
Bereich von Hall-Probes
Mittels des Kondensators C108 wird die untere Grenzfrequenz des Sensorelements festgelegt. Es sollen Impulse bis zu 1Hz erkannt werden. Also wurde die Grenzfrequenz auf 1 Hz gelegt.through of the capacitor C108 becomes the lower limit frequency of the sensor element established. It should be recognized pulses up to 1Hz. So it was the cutoff frequency is set to 1 Hz.
Mit einer hier nicht gezeigten Tiefpaßschaltung aus einem am Anschluss Vs angeordneten Widerstands und einem zwischen den Anschlüssen "1" und "3" bzw. "4" angeordneten Kondesator wird ggf. ein EMV-Schutz für das Sensorelement IC101 vorgesehen.With a low-pass circuit, not shown here from one at the port Vs arranged resistor and a between the terminals "1" and "3" or "4" arranged condenser is possibly a EMC protection for provided the sensor element IC101.
Die
Stromquelle
Der
Strom durch die Stromquelle
Mit
den vorbeschriebenen Komponenten, fachgerechte Umsetzung und Vorsehen
von zusätzlichen üblichen
passiven Bauteilen vorausgesetzt, ist der Messfühler
Zur
Erkennung eines Defekts im Bereich einer Sensorspitze, in der der
Sensor
Nach
dem Einschalten des Messfühlers durch
Anlegen der Versorgungsspannung Vs ist ein npn-Transistor T110 des
Flip-Flops
Kommt
es nun vor, daß der
Messfühler
beschädigt
wird, indem ihn das sich drehende Polrad bzw. Zahnrad „abfräst", so wird die Sens-Leiterbahn
Der
Transistor T110 bleibt fortan leitend. Daher wird der pnp-Transistor T109 über einen
hier nicht dargestellten Widerstand ebenfalls leitend und schließt die Z-Diode
D114 kurz, wodurch der FET T108 sperrt. Die nachfolgenden Schaltungsblöcke, insbesondere
die Stromquelle
Bereits
ein kurzzeitiges Unterbrechen der Sens-Leiterbahn
Der
Messfühler
Mittels
dieser Magnetfeldstimulation läßt sich der
Sensor
Im Testbetrieb wird die Versorgungsspannung von 15V (Normalbetrieb) zeitweise auf 21V hochgeschaltet. Die Sensortestschal tung erkennt dies und leitet selbstständig die Aktivierung der Spule ein, was zu einer Magnetfeldänderung führt.In test mode, the supply voltage of 15V (normal operation) is temporarily switched up to 21V. The sensor test circuit detects this and independently initiates the activation of the coil, resulting in a magnetic field change.
Die Referenz-Z-Diode D111 erzeugt eine von der Versorgungsspannung Vs unabhängige Referenzspannung Vref. Mittels dieser Referenzspannung Vref wird der Schaltpunkt für den OP IC102 – Typ rail-to-rail – festgelegt. Der OP IC 102 vergleicht diese Spannung am „+"-Eingang "5" mit der sich durch den Spannungsteiler R117/R118 ergebenden und von der Versorgungsspannung Vs abhängigen Spannung am „-"-Eingang "6". Er wird hier als „Komparator" eingesetzt, der sowohl nach 0V (Low) wie auch nach Ub (High) schalten kann.The reference Zener diode D111 generates a reference voltage Vref independent of the supply voltage Vs. This reference voltage Vref defines the switching point for OP IC102 - type rail-to-rail. The OP IC 102 compares this voltage at the "+" input "5" with the voltage at the "-" input "6" resulting from the voltage divider R117 / R118 and dependent on the supply voltage Vs. It is used here as a "comparator", which can switch both to 0V (low) as well as to U b (high).
Je nach Gesamttoleranz (Toleranz, Temperatur, Lebensdauer) der verwendeten Bauteile liegt – bezogen auf die Versorgungsspannung – die Schaltschwelle bei ca. 18V. Dies bedeutet, daß bei der Versorgungsspannung im Normalbetrieb von 15,2V der Ausgang des OP IC102 aufgrund seiner rail-to-rail Eigenschaften annähernd den Wert der Versorgungsspannung annimmt. Liegt der Testfall vor, d.h. dass die Versorgungsspannung auf 21,2V hochgeschaltet wird, so schaltet der Ausgang "7" des OP IC102 auf 0V.ever according to total tolerance (tolerance, temperature, service life) of the used Components lies - related to the supply voltage - the Switching threshold at approx. 18V. This means that at the supply voltage in normal operation of 15.2V the output of the OP IC102 due to its rail-to-rail characteristics approximate takes the value of the supply voltage. If the test case is i.e. that the supply voltage is switched up to 21.2V, the output "7" of the OP IC102 switches to 0V.
Im
Testbetrieb (21,2V) ist der OP-Ausgang "7" von
IC102 zeitweise auf 0V. Über
einen hier nicht gezeigten Widerstand wird der pnp-Transistor T104 angesteuert
und er schaltet die Versorgungsspannung Vs durch. Dadurch liegt
an der Basis des npn-Transistor
T101 eine Spannung an – Z-Diode D105.
Gleichzeitig wird über
einen hier nicht gezeigten Widerstand der npn-Transistor T102 (T202) leitend gesteuert
und er legt das GND-Potentil
an die Stimulusspule
Der Spulenstrom bewirkt eine Flußdichteänderung zwischen den beiden Hallelementen des Sensors IC 101 von ≥ 2,5mT.Of the Coil current causes a flux density change between the two Hall elements of the sensor IC 101 of ≥ 2.5mT.
Um
eine Beschädigung
der Stimulusspule
Im
Normalbetrieb, bei dem Vs ca. 15,2V ist, ist der OP-Ausgang "7" von IC102 auf Ub. Somit wird über einen
nicht gezeigten Widerstand der npn-Transistor T103 leitend. Dies
bewirkt, dass der für
die Abschaltung der Spulenansteuerung notwendige Kondensator C112
entladen wird. Der pnp-Transistor T104 sperrt. Die Stimulsspule
Der
Stromfluß der
Stimulusspule wird im Normalbetrieb unterbunden. Die GND-Anbindung der
Spule wird mit dem npn-Transistor
T102 aufgehoben. Dieser sperrt, da der pnp-Transistor T104 sperrt. Aufgrund des
Sperrens des Transistors T104 sperrt auch der npn-Transistor T101.
Zudem kann eine Diode vor der Stimulusspule ebenfalls einen ungewollten Stromfluß durch
die Stimulusspule
Das
Testsignal hat zwei Funktionen. Zum einen wird dem Sensor
Die
Platine
Die
Polyimidfolie
Auf
der Oberseite der Platine
Außerdem sind
noch weitere Bauelemente der Schaltungen gemäß
Dabei
ist in den Kappenschalen
Wie
man in dieser Ansicht besonders gut sieht, wird in der Haltekappe
Es
bleibt noch zu erwähnen,
dass auf der Innenseite des Außenrohrs
An
der Oberseite des Außenrohrs
Durchtrittskanäle
Über ein
hier nicht gezeigtes Kodierelement in Form einer Kodiernut an der
der Platine
Zur
Montage des Messfühlers
Anschließend wird
die Platine
In
einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
kann die Anschlusskappe
Hinter
der Kunststoffkappe
Das Ausgangssignal des Sensorbausteins IC101 ist das Eingangssignal eines als nicht-invertierenden Verstärker beschaltenen OP IC102 mit rail-to-rail Ausgang. Hier nicht gezeigte Widerstände bestimmen die Verstärkung des OP IC102. Außerdem ist ein Widerstand als Schutzwiderstand gegen EMV-Störungen und zur Leistungsreduzierung des Verstärkers im Fall eines Kurzschlußes an den Ausgangspins vorgesehen.The Output signal of the sensor chip IC101 is the input signal an OP IC102 connected as a non-inverting amplifier with rail-to-rail exit. Determine resistors not shown here the reinforcement of the OP IC102. Furthermore is a resistor as a protective resistor against EMC interference and for reducing the power of the amplifier in the event of a short to the Output pins provided.
Schaltet
der Ausgangstransistor des Sensorbauteils IC101 aufgrund einer Anregung
an den Hall-Probes
Sperrt der Ausgangstransistor des Hall-Sensors IC101, so schaltet der OP IC102 aufgrund eines nicht gezeigten pull-up Widerstands auf „High". Somit liegt am Ausgangsspannungspin X102 des Gebers „High"-Signal (Ub).If the output transistor of the Hall sensor IC101 blocks, the OP IC102 switches to "High" due to a pull-up resistor (not shown) .Thus, the output voltage pin X102 of the encoder has a "High" signal (U b ).
Der
OP IC102 (IC202) bietet die Möglichkeit, einen
begrenzten Strom am Ausgangspin X102 des Messfühlers
Der
Messfühler
Eine
weitere Anwendung ergibt sich dann, wenn ausgehend vom Messfühler
Im Normalbetrieb (Zug fährt) wird vom Impulsgeber ein Frequenzsignal abgegeben, dessen Spannungswert zwischen 0V und der Versorgungsspannung wechselt.in the Normal operation (train drives) the pulse generator outputs a frequency signal whose voltage value between 0V and the supply voltage changes.
Da ein Teil der Schaltung für die Mittenspannungserzeugung, nämlich das Monoflop IC105 und der analoge Schalter bzw. MUX/Switch IC104, mit 5V arbeitet, wird mittels des Widerstands R116 und der 5V Referenz-Z-Diode D111 aus der Versorgungsspannung Vs für diese Bauelemente eine Versorgungsspannung von 5V erzeugt.There a part of the circuit for the center voltage generation, namely the monoflop IC105 and the analog switch or MUX / switch IC104, works with 5V, using the resistor R116 and the 5V reference Zener diode D111 from the supply voltage Vs for these devices a supply voltage generated by 5V.
Über den Widerstand R101 und der Z-Diode D110 wird das Ausgangssignal des Sensors IC101 (open collector – Ausgang "2") auf einen Pegel zwischen 4,7V (Ausgangstransistor des Sensors sperrt) und 0V (Ausgangstransistor des Sensors leitet) begrenzt. Dadurch wird der npn-Transistor T107 angesteuert. Über einen nicht gezeigten Widerstand wird der Kondensator C112 entladen. Dies geschieht bei jeder ansteigenden Flanke des vom IC101 abgegebenen Frequenzsignals. Eine hier nicht gezeigte Diode begrenzt negative Schaltspitzen, die bei der fallenden Flanke des Frequenzsignals entstehen. Bleibt die Ansteuerung des npn-Transistors T107 aus, so kann sich der Kondensatoren C112 über den Widerstand R127 aufladen.On the Resistor R101 and Zener diode D110 will be the output of the Sensor IC101 (open collector - output "2") to a level between 4.7V (output transistor the sensor locks) and 0V (output transistor of the sensor conducts) limited. As a result, the npn transistor T107 is driven. About one not shown resistor, the capacitor C112 is discharged. This occurs on each rising edge of the IC101 delivered Frequency signal. A diode not shown here limits negative Switching peaks at the falling edge of the frequency signal arise. If the drive of the npn transistor T107 remains off, thus, the capacitor C112 can charge via the resistor R127.
Die
Schaltzeit t1 des Monoflops ergibt sich aus
dem Wert R127 und C112 nach der Gleichung
Wird
der Transistor T107 vor Ablauf der Zeit t1 wieder
leitend, so ist das Monoflop wieder zurückgesetzt (retriggerbar). Im
Normalfall (Fahrbetrieb) wird das Monoflop ständig regetriggert, so daß der Ausgang
des IC105 auf „High" (5V) bleibt. Erfolgt kein
retriggern (Zugstillstand), so geht der Ausgang auf „Low" (0V), wie in
Das
Ausgangssignal des Monoflops IC105 steuert den Analogschalters IC104
an. Bei einem „High"-Signal (d.h. Fahrbetrieb
detektiert) am Steuereingang "1" des Analogschalters
IC104 dessen Eingang "6" bzw. das Frequenzsignal
des Sensors
Wie
man besonders gut in
- 1',1''1 ', 1' '
- Messfühlerprobe
- 22
- Sensorsensor
- 33
- Hall-ProveHall-Prove
- 44
- Stromquellepower source
- 55
- Zerstörungsdetektordestruction detector
- 66
- Sens-LeiterbahnSens-conductor track
- 77
- Flip-FlopFlip-flop
- 88th
- SensortestschaltungSensor test circuit
- 99
- Stimulusspulestimulus coil
- 1010
- SicherheitsSecurity
- abschaltungshutdown
- 1111
- Schutzabschaltungprotection shutdown
- 1212
- Platinecircuit board
- 1313
- erster starrer Leifirst rigid lei
- terplattenbereichterplattenbereich
- 1414
- zweiter starrersecond rigid
- LeiterplattenbeLeiterplattenbe
- reichrich
- 1515
- flexibler Leiterflexible ladder
- plattenbereichplate area
- 1616
- Polyimidfoliepolyimide film
- 1717
- Leiterbahnconductor path
- 1818
- erster Glasfaserfirst glass fiber
- kartenbereichcard business
- 1919
- zweiter Glasfasersecond glass fiber
- kartenbereichcard business
- 2020
- Zentriernoppencentering knobs
- 2121
- Zentrieröffnungcentering
- 2222
- Sensor-StimulatorSensor stimulator
- 2323
- Lötstoplackschichtsolder resist layer
- 2424
- Deckfoliecover sheet
- 2525
- Kontaktzungecontact tongue
- 2626
- Außenrohrouter tube
- 2727
- Abschlusskappeend cap
- 2828
- O-RingO-ring
- 2929
- Haltekapperetaining cap
- 3030
- Kappenschalecap shell
- 3131
- Rastnaselocking lug
- 3232
- Rastöffnunglatching opening
- 3333
- Dauermagnetpermanent magnet
- 3434
- KantenschutzstegEdge protection bar
- 3535
- Führungsschieneguide rail
- 3636
- Börtelbereichrollover
- 3737
- DurchtrittskanalPassageway
- 3838
- Kabelelectric wire
- 3939
- Anschlusskappeconnection cap
- 4040
- O-RingO-ring
- 4141
- Börtelbereichrollover
- 4242
- Kontaktfedercontact spring
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