DE19719633A1 - Meßwertaufbereitungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßwertaufbereitungssystem zur Auf­ bereitung des Meßsignals mindestens eines Sensors 1.

Bei Fahrzeugtests werden mitführbare Meßwertaufbereitungs­ systeme benötigt, für die nur geringer Raum im Fahrzeug zur Verfügung steht im Gegensatz zu Anwendungen in der industriel­ len Meßtechnik. Handelsübliche Meßsysteme in Kleingehäusen wei­ sen bisher jedoch unbefriedigende technische Daten oder gerin­ gen Bedienkomfort auf.

Typische Meßaufgaben sind die sensorielle Erfassung von Tempe­ ratur, pneumatischem Druck, Geschwindigkeit, Drehmoment, poten­ tiometrische oder induktive Wegmessungen, Frequenzmessungen, etc. Vorzugsweise werden modular aufgebaute, mehrkanalige Meß­ verstärkersysteme verwendet, bei denen durch die Wahl der ent­ sprechenden Einschübe oder Steckkarten eine Anpassung an die jeweilige Meßaufgabe erfolgt.

Leistungsfähigere Meßwertaufbereitungssysteme umfassen elektro­ nische Untereinheiten mit einem fest definierten Funktionsum­ fang: Aufnehmerspeisung für den Meßwertaufnehmer, Eingangsver­ stärker, Nullabgleich, Verstärkung mit oder ohne Triggerung, Filter, analoge oder digitale Ausgangsstufe, Stromversorgung etc. Das Ergebnis der Meßwertaufbereitung steht dann zur Wei­ terverarbeitung bereit an einer standardisierten Schnittstelle, an welche ein Speicher oder ein Rechner angeschlossen werden kann. Zu einem guten Bedienkomfort ist es ferner notwendig, daß sich die Meßverstärker in dem Meßwertaufbereitungssystem bezüg­ lich Kennlinienskalierung, insbesondere Nullabgleich, Verstär­ kung, Triggerpegel möglichst komfortabel vom Fahrersitz aus einstellen lassen.

Diese Hardewarefunktionen benötigen bisher ein verhältnismäßig großes Bauvolumen, wenn sie kostengünstig in diskreter Bauweise mit SMD-Bauelementen ausgeführt werden, weshalb derartige mobi­ le Meßsysteme üblicherweise in großen 19-Zoll-Gehäusen angebo­ ten werden. Für eine 8-Kanal Gehäuseeinheit wird typischerweise ein Bauvolumen von ca. 200 cm³ pro Kanal benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßwertaufbereitungssystem bereit zustellen, welches eine deutliche Reduzierung des Bauvo­ lumens ermöglicht, sich aber hinsichtlich Modularität, Funkti­ onsumfang, Meßgenauigkeit und Bedienkomfort an den Daten der 19-Zoll-Systeme messen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.

Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Meßwertaufberei­ tungssystem ist die interne Schnittstelle und die konsequente Aufteilung der Funktionalität in ein rein sensorbezogenes Sen­ soranpaßmodul und ein rein bedienungsbezogenes Abgleichmodul. Das Abgleichmodul umfaßt zumindest einen von einem Bediener einstellbaren Spannungsteilern zur Einstellung eines kontinu­ ierlich oder diskret veränderbaren Parameters, welcher aus­ gangsseitig eine Abgleichspannung U_OUT über die Schnittstelle an das Sensoranpaßmodul gibt, welche dort zu Zwecken des Null­ abgleichs oder der Einstellung des Triggerpegels etc. verwend­ bar ist. Erfindungsgemäß wird die am Spannungsteiler eingangs­ seitig anliegende Referenz-Abgleichspannung U_IN über die Schnittstelle von dem Sensoranpaßmodul vorgegeben. Damit ist der Wertebereich für die von dem Bediener einstellbare Ab­ gleichspannung durch das Sensoranpaßmodul in geeigneter Weise so vorgebbar, daß der gesamte Einstellbereich des von dem Be­ diener einstellbaren Spannungsteilers für einen sensorspezifi­ schen Wertebereich nutzbar ist, unabhängig von der absoluten Höhe der Abgleichspannung, was eine durchgängig für alle Sen­ sortypen gleichermaßen gute Genauigkeit der Einstellbarkeit er­ möglicht.

Ein Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik be­ steht darin, daß aufgrund der eingangs beschriebenen Aufteilung der Funktionalität in eine sensor- und eine bedienungsbezogene Funktionsgruppe die Sensoranpaßmodule sehr einfach aufgebaut sind, weil alle für die komfortable Bedienung erforderlichen Komponenten auf das Abgleichmodul ausgelagert sind. Daher kön­ nen die Sensoranpaßmodule zu verschiedenen Anwendungen kosten­ günstig bereitgestellt werden, was die modulare Verwendung des Systems unterstützt. Es wird auch der Entwicklungsaufwand für neue Sensorapplikationen erheblich reduziert, weil nur noch das entsprechende Anpaßmodul entwickelt werden muß und nicht eine vollständige Meßsteckkarte inklusive allen bedienungsbezogenen Funktionen.

Durch die Abtrennung der bedienungsbezogenen Funktionsgruppe wird eine einheitliche Bedienoberfläche geboten. Wenn bei­ spielsweise an einem Steckplatz eines Mehrkanalgerätes in einem ersten Meßaufbau mit einem Gleichspannungsmeßverstärker ein Druck gemessen und anschließend an dem gleichen Steckplatz, nach Austausch des Sensoranpaßmoduls durch ein Sensoranpaßmodul mit einer Pt100-Aufbereitung eine Temperatur gemessen wird, ist dank einer einheitlichen Bedienoberfläche der Abgleich z. B. bei der Sensorinbetriebnahme deutlich erleichtert.

Ein weiterer Vorteil ist, daß bei mehrkanaligen Meßwertaufbe­ reitungssystemen Komponenten des Abgleichmoduls auf einer Pla­ tine oder in einen integrierten Schaltkreis zusammengefaßt wer­ den können. Die Skalierung der Einstellfunktionen auf den sen­ sortypischen Wertebereich ermöglicht darüberhinaus die über­ greifende Verwendung von kostengünstigen Standardkomponenten. Insgesamt ist auf diesem Wege eine deutliche Reduzierung des Bauvolumens des Meßwertaufbereitungssystems erzielbar, nämlich auf typischerweise ca. 100 cm³ pro Kanal.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen des er­ findungsgemäßen Meßwertaufbereitungssystems ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Be­ schreibung. In den Weiterbildungen wird der allgemeine Erfin­ dungsgedanke, demzufolge das Sensoranpaßmodul eine analoge Masterfunktion auf das Abgleichmodul ausübt, konkretisiert und auf weitere Funktionen ausgedehnt. Je nach Ausführung bestimmt das Sensoranpaßmodul die Wertebereiche kontinuierlich einstell­ barer Parameter für z. B. Nullabgleich oder Triggerpegel aber auch die Kalibriertestspannung und die funktionale Zuordnung von Schaltelementen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird nachstehend erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Meßwertaufbereitungssystems. Die klassische Gesamtfunk­ tion ist in zwei Funktionsgruppen 2, 4 unterteilt, welche über eine interne Schnittstelle 3 elektrisch miteinander verbunden sind.

Die erste Funktionsgruppe wird gebildet durch ein in die Schnittstelle 3 steckbares Sensoranpaßmodul 2, welches alle sensorbezogenen Funktionen umfaßt. Ein Meßsignal eines an eine Eingangsbuchse 2.1 angeschlossenen Sensors 1 wird in dem Sen­ soranpaßmodul 2 aufbereitet und das aufbereitete Meßsignal über die Schnittstelle 3 zur weiteren Verarbeitung an eine nachge­ ordnete Aufbereitungsstufe 4.1 gegeben. Das Sensoranpaßmodul 2 umfaßt typischerweise eine sensorspezifische Eingangsstufe 2.2 und einen nachgeschalteten Eingangsverstärker 2.3, dessen Aus­ gang auf eine Summationsstufe 2.4 für den Nullabgleich geführt ist. In der Eingangsstufe 2.2 können Funktionen wie Halbbrüc­ kenergänzung, Hochpaß- oder Tiefpaßfilterung, Eingangswider­ standsvorwahl, Differentialdrosselumschaltung etc. vorgesehen sein. Es können auch weitere Stufen beispielsweise zur Polari­ tätsumkehr oder zur Triggerung mit einstellbarem Triggerpegel vorgesehen sein. Gegebenenfalls ist auch eine Sensorspeisung 2.6 vorgesehen. Das Sensoranpaßmodul 2 wird über die Schnitt­ stelle 3 gespeist von einer oder mehreren Versorgungsspannungen 4.5 sowie von einer stabilisierten Referenzspannung U_Ref, wel­ che auch durch eine der Versorgungsspannungen 4.5 gebildet sein kann.

Das Sensoranpaßmodul 2 umfaßt ferner eine Bereichsvorgabestufe 2.5, welche aus der über die Schnittstelle 3 eingespeisten Re­ ferenzspannung U_Ref (z. B. 2,5 V) eine Referenz-Abgleichspannung U_IN ableitet, die abhängig von dem für den Abgleich (z. B. Nullabgleich) benötigten Wertebereich und dem verwendeten Sen­ sortyp passend gewählt ist. Diese Spannung wird über die Schnittstelle 3 dem vom Bediener einstellbaren Spannungsteiler 4.2 eingangsseitig vorgegeben. Die am Spannungsteiler 4.2 aus­ gangsseitige anliegende Abgleichspannung U_OUT wird über die Schnittstelle 3 zurück zum Sensoranpaßmodul 2 gegeben, um dort zu Zwecken des Nullabgleichs oder der Einstellung des Trigger­ pegels etc. verwendet werden zu können. Damit ist der Wertebe­ reich der vom Bediener einstellbaren Abgleichspannung durch das Sensoranpaßmodul 2 in einer auf den verwendeten Sensortyp ange­ paßten Weise vorgebbar. In der Beschreibungseinleitung sind die mit dieser Maßnahme verbundenen Vorteile dargestellt.

In dem Ausführungsbeispiel weist das Sensoranpaßmodul 2 eine Summationsstufe 2.4 für den Nullabgleich auf, deren Ausgang über die Schnittstelle 3 mit der nachgeordneten Aufbereitungs­ stufe 4.1 verbunden ist. An einem Eingang der Summationsstufe 2.4 liegt das mit der sensorangepaßte Eingangstufe 2.2 und dem Vorverstärker 2.3 aufbereitete Meßsignal an. An einem anderen Eingang liegt die über die Schnittstelle 3 eingespeiste Ab­ gleichspannung U_OUT an. Damit dient die Abgleichspannung U_OUT dem Nullpunktsabgleich, womit der vom Bediener einstellbare Spannungsteiler 4.2 die Funktion der Nullpunktseinstellung zu­ gewiesen bekommt. Typische Werte für die von der Bereichsvorga­ bestufe 2.5 vorgegebenen Referenz-Abgleichspannung U_IN sind z. B. 2,5 V bei einem Wechselspannungsverstärker oder 100 mV bei einem Thermoelementverstärker zur Temperaturmessung.

Ferner weist das Sensoranpaßmodul 2 eine Testspannungsvorgabe­ stufe 2.7 auf, mit der über einen spannungsgesteuerten Umschal­ ters 2.8 eine auf den verwendeten Sensortyp angepaßte Kali­ briertestspannung auf den Eingang der nachgeordneten Aufberei­ tungsstufe 4.1 gelegt werden kann. Die die Umschaltung steuern­ de Steuerspannung TEST wird über die Schnittstelle 3 von dem Abgleichmodul 4 vorgegeben. Damit ist wiederum das der Erfin­ dung zugrundeliegende Konzept der Funktionsaufteilung reali­ siert, indem die Höhe der Testspannung durch das sensorspezifi­ sche Sensoranpaßmodul 2 bestimmt wird, die Veranlassung der Vorgabe der Testspannung zu Kalibrierzwecken aber über die Schnittstelle 3 durch das bedienungsbezogene Abgleichmodul 4 gesteuert wird.

Die in Teilen bereits dargestellte zweite Funktionsgruppe wird gebildet durch das mit der Schnittstelle 3 verbundene Abgleich­ modul 4, welches alle bedienungsbezogenen Funktionen umfaßt.

Der einstellbarer Spannungsteiler 4.2 auf dem Abgleichmodul 4 dient der Festlegung einer kontinuierlich einstellbaren Ab­ gleichspannung, wie z. B. einer Nullpunktskompensationsspannung oder einer Triggerpegelspannung durch den Bediener. Der Span­ nungsteiler 4.2 kann als Präzisionspotentiometer ausgebildet sein.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der einstellbare Spannungsteiler 4.2 durch einen multiplizierenden Digital-Ana­ log-Converter (multiplying DAC) gebildet, welcher die Refe­ renz-Abgleichspannung (U_IN) auf den gewünschten Wert herunter­ dividiert und von einem Mikro-Computer 4.3 ansteuerbar ist. Der Mikro-Computer 4.3 generiert die Bedieneroberfläche und ermög­ licht z. B. mittels einer Fernbedienung 5 eine vom Fahrersitz aus fernsteuerbare Kennlinienskalierung für kontinuierlich ein­ stellbare Parameter wie Nullabgleich, Verstärkung, Triggerpegel sowie eine fernbedienbare Zuschaltung der Kalibriertestspannung mittels der bereits erwähnten Steuerspannung TEST.

Aufgrund der sensorbezogenen Vorgabe der Referenz-Abgleich­ spannung U_IN von z. B. 100 mV bei einem Thermoelementverstärker kann mit einem handelsüblichen 12-Bit-DAC bezogen auf den Meß- bereichsendwert (1200°C = 12 V) eine Auflösung für den Nullab­ gleich von 24 µV, das entspricht 2,44 mK oder 19 Bit erzielt werden. Ohne die sensorbezogene Vorgabe der Referenz-Abgleich­ spannung würde ein weitaus größeres und kostspieligeres DAC von mindestens 19 Bit benötigt, um die gleiche Genauigkeit zu er­ reichen, wenn die Abgleichspannung von einer einheitlichen Spannungsrefenz von z. B. 10 V abgeleitet würde.

Die nachgeordnete Aufbereitungsstufe 4.1, an deren Eingang das in dem Sensoranpaßmodul 2 bereits vorab aufbereitete Meßsignal gelegt ist, wird in dem Ausführungsbeispiel durch einen Ver­ stärker 4.1 gebildet, dem eine Filterstufe 4.4 nachgeschaltet ist. Der Verstärker 4.1 weist eine vom Bediener einstellbare Verstärkungsfaktor-Einstellung 4.5 auf, welche im einfachsten Fall durch ein Präzisionspotentiometer gebildet sein kann. In vorteilhafter Weise wird die Verstärkungsfaktor-Einstellung 4.5 mittels eines multiplizierenden Digital-Analog-Converters (multiplying DAC) ausgeführt, welcher in der Rückkopplungs­ schleife des Verstärkers, angeordnet ist und über den Mikro-Com­ puter 4.3 mittels einer Fernbedienung 5 komfortabel vom Fah­ rersitz aus ansteuerbar ist.

In vorteilhafter Weise wird auf jedem Sensoranpaßmodul 2 der Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers 2.3 entsprechend dem verwendeten Sensortyp so gewählt, daß das an den nachgeordneten Verstärker 4.1 gegebene Signal bereits ungefähr der benötigten Größenordnung für ein skaliertes Ausgangssignal 4.6 ergibt. Dann kann die Verstärkungsfaktor-Einstellung 4.5 zur Feinein­ stellung des Verstärkungsfaktors ausgelegt werden. Damit ist eine für alle Meßanwendung gleichermaßen genaue Feineinstellung der Verstärkung und damit Kalibrierung möglich, welche unabhän­ gig von der absoluten Höhe des Ausgangssignals 4.6 ist. Bereits mit einfachen, handelsüblichen 12-Bit-DACs lassen sich gute Er­ gebnisse erzielen.

Ferner kann auf dem Abgleichmodul 4 ein Bedienfeld 4.7 mit meh­ reren Schaltern vorgesehen sein, welche ihre Funktion über die Schnittstelle 3 von dem Sensoranpaßmodul 2 zugewiesen bekommen. So kann ein Schalter zur Polaritätsumkehr, ein anderer Schalter zur Verstärkungs-Grobeinstellung etc.

Bei einem 8-kanaligen Meßwertaufbereitungssystem kann durch Verwendung von integrierten 2-fach DACs für Abgleich und Ska­ lierung, einem gemeinsamen Mikro-Computer für die Ansteuerung der DACs und einer gemeinsamen Referenz-Spannungsquelle bereits mit handelsüblichen Komponenten eine deutliche Verringerung des Bauvolumens erzielt werden.

Mit der Fernbedienung 5 kann sehr komfortabel, bei einem mitge­ führten Meßwertaufbereitungssystem auch während der Fahrt ein Sensorabgleich z. B. von Dehnmeßstreifen vorgenommen werden. Die Fernbedienung 5 umfaßt Bedienelemente zur Kennlinienskalierung und Vorgabe einer Kalibriertestspannung, ein beleuchtetes Digi­ talvoltmeter mit Minimum/Maximum-Speicher für dynamische Ab­ gleichvorgänge, einen Texteditor zur Darstellung von Meßstel­ leninformationen. Sämtliche Parameterwerte für Nullabgleich, Verstärkung und Texte werden im Grundgerät nicht flüchtig ge­ speichert, so daß die Fernbedienung 5 nach Einstellung der Pa­ rameter zum eigentlichen Meßbetrieb nicht mehr benötigt wird. Hierbei dient sie nur noch als Service- oder Anzeigegerät.

Insgesamt kann mit der Erfindung ein mehrkanaliges, modulares Meßwertaufbereitungssystem mit äußerst kompakter Bauform reali­ siert werden, welches für jeden daran angeschlossenen Sensor eine auf diesen bezogene Meß- und Einstellgenauigkeit bietet.

Claims (11)

1. Meßwertaufbereitungssystem zur Aufbereitung des Meßsignals mindestens eines Sensors (1) mindestens umfassend

• a) eine interne Schnittstelle (3),
• b) ein mit der Schnittstelle (3) kontaktierbares Sensoranpaßmo­ dul (2), welches
  • - mit einer Eingangsbuchse (2.1) zum Anschluß des Sensors (1) verbunden ist,
  • - über die Schnittstelle (3) eine Referenzspannung (U_Ref) ein­ gespeist bekommt,
  • - das Meßsignal in einer für den Sensortyp geeigneten Weise aufbereitet und
  • - das aufbereitet Meßsignal über die Schnittstelle (3) zur wei­ teren Verarbeitung an eine nachgeordnete Aufbereitungsstufe (4.1) gibt,
• c) ein Abgleichmodul (4), welches über die Schnittstelle (3) mit dem Sensoranpaßmodul elektrische verbunden ist und minde­ stens umfaßt einen von einem Bediener einstellbaren Spannungs­ teiler (4.2), welcher
  • - ausgangsseitig über die Schnittstelle (3) eine Abgleichspan­ nung (U_OUT) an die Sensoranpaßschaltung (2) gibt und
  • - eingangsseitig gespeist wird von einer für den Sensortyp ge­ eigneten Referenz-Abgleichspannung (U_IN), welche über die Schnittstelle (3) von dem Sensoranpaßmodul (2) eingespeist wird.

2. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensoranpaßmodul (2) eine Bereichsvorgabestufe (2.5) aufweist, welche die Referenz-Abgleichspannung (U_IN) aus der über die Schnittstelle (3) eingespeisten Referenzspannung (U_Ref) ableitet, wobei die Referenz-Abgleichspannung (U_IN) so gewählt ist, daß die Abgleichspannung (U_OUT) den für die Art des Abgleichs und den verwendeten Sensortyp benötigten Wertebe­ reich erhält.

3. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensoranpaßmodul (2) eine Summationsstufe (2.4) für den Nullabgleich aufweist,

• - deren Ausgang über die Schnittstelle (3) mit der nachgeordne­ ten Aufbereitungsstufe (4.1) verbindbar ist,
• - an deren einen Eingang das Meßsignal oder das zuvor in einer sensorangepaßte Eingangstufe (2.2) und einem Vorverstärker (2.3) aufbereitete Meßsignal anliegt und
• - an dessen zweiten Eingang die Abgleichspannung (U_OUT) an­ liegt.

4. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensoranpaßmodul (2) eine Testspannungsvorgabestufe (2.7) zur Vorgabe einer Kalibriertestspannung aufweist, deren Ausgang über die Schnittstelle (3) mit der nachgeordneten Auf­ bereitungsstufe (4.1) über einen Umschalter (2.8) verbindbar ist.

5. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (2.8) mittels einer Steuerspannung (TEST) schaltbar ist, welche von dem Abgleichmodul (4), insbesondere von einem Mikro-Computer (4.3) vorgebbar ist.

6. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Spannungsteiler durch ein Präzisionspoten­ tiometer gebildet wird.

7. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Spannungsteiler (4.2) einen multiplizie­ renden Digital-Analog-Converter (multipling DAC) umfaßt, wel­ cher die Referenz-Abgleichspannung (U_IN) auf den gewünschten Wert herunterdividiert (U_OUT) und von einem Mikro-Computer (4.3) ansteuerbar ist.

8. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeordnete Aufbereitungsstufe (4.1) durch einen Ver­ stärker gebildet wird, dessen Verstärkungsfaktor mittels eines von einem Mikro-Rechner (4.3) angesteuerten multiplizierenden Digital-Analog-Converter (DAC) (4.5) von einem Bediener, inbe­ sondere über eine Fernbedienung (5) einstellbar ist.

9. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikro-Computer (4.3) eine Bedieneroberfläche, insbeson­ dere eine Bedienoberfläche in einer Fernbedienung (5) generiert oder verwaltet.

10. Meßwertaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Abgleichmodul (4) ein Bedienfeld (4.7) mit minde­ stens einem Schalter vorgesehen ist, welcher seine Funktion über die Schnittstelle (3) von dem Sensoranpaßmodul (2) zuge­ wiesen bekommt.

11. Meßwertaufbereitungssystem nach einem der Ansprüche 5, 7, 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Meßwertaufbereitungssystem mehrkanalig aufgebaut ist und einen gemeinsamen Mikro-Computer (4.3) und eine gemeinsamen Referenz-Spannungsquelle (U_Ref) aufweist.