DE19919084C2 - Zweidrahtsensoreinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweidrahtsensoreinrichtung mit einem Messsensor, welcher zwei Anschlüsse sowohl zur Messsignalübertragung als auch zur gleichzeitigen Stromversorgung aufweist.

Zweidrahtsensoren sind aus einem Messsensor, der eine physikalische Größe wie zum Bei­ spiel die Temperatur, den Druck oder die Feldstärke eines Magnetfeldes misst, und elektro­ nischen Bauteilen zur Verarbeitung der vom Messsensor gelieferten Signale aufgebaut. So­ wohl die Stromversorgung als auch die Weiterleitung der gemessenen und verarbeiteten Messsignale erfolgt über nur zwei Leitungen, worauf der Name Zweidrahtsensor zurückzu­ führen ist. Ein Zweidrahtsensor hat deshalb nur zwei Anschlüsse, die gleichzeitig der Strom­ versorgung und der Weiterleitung der gemessenen und verarbeiteten Messsignale dienen.

Aus DE 38 28 428 C1 ist es bekannt, dass der Schaltausgang eines als Zweidrahtsensor ausgeführten Näherungsschalters einen elektronischen Schalter steuert, der die beiden Gleichspannungsausgänge eines Brückengleichrichters miteinander verbindet. An den Wechselspannungseingängen des Brückengleichrichters liegt eine Reihenschaltung aus einer Wechselspannung und einer Last, z. B. ein Schaltschütz. Die Gleichspannungsaus­ gänge des Brückengleichrichters sind über einen Spannungsregler mit einem Komparator mit den Versorgungsspannungseingängen des Näherungsschalters verbunden, zu denen ein Speicherkondensator parallel liegt. Das Ausgangssignal des Komparators, in welchem die Versorgungsspannung am Näherungsschalter mit einer Referenzspannung verglichen wird, steuert neben dem Näherungsschalter ebenfalls den elektronischen Schalter. Wenn der Näherungsschalter ein Objekt erkennt, schließt er den elektronischen Schalter, damit der Schaltschütz abfällt. Wenn die Versorgungsspannung am Näherungsschalter unter die Refe­ renzspannung sinkt, öffnet der Komparator den elektronischen Schalter, um die Ausgangs­ spannung des Brückengleichrichters an die Versorgungsspannungseingänge des Nähe­ rungsschalters und den parallel dazu geschalteten Speicherkondensator zu legen. Wenn die Versorgungsspannung am Näherungsschalter wieder über die Referenzspannung steigt, schließt der Komparator den elektronischen Schalter. Die vom Komparator festgelegte Schließzeit des elektronischen Schalters ist so kurz bemessen, dass der Schaltschütz nicht abfällt.

In DE 691 29 189 T2 ist ein als Zweidrahtsensor ausgebildeter Näherungsschalter beschrie­ ben, der aus einem Geber, einer Umschaltvorrichtung und einem Verwendungskreis, beste­ hend aus einer Last und einer Spannungsquelle, aufgebaut ist. Die beiden Ausgänge des Gebers sind mit den Anschlüssen eines ersten steuerbaren Schalters verbunden, der von einem Komparator gesteuert wird. Der eine Anschluss einer Reihenschaltung aus der Span­ nungsquelle und der Last ist mit dem einen Ausgang des Gebers verbunden, während der andere Anschluss der Reihenschaltung über einen zweiten steuerbaren Schalter mit dem anderen Ausgang des Gebers verbunden ist. Durch Öffnen und Schließen des zweiten steu­ erbaren Schalters wird die an den Ausgängen des Gebers anliegende Versorgungsspan­ nung geregelt. Gleichzeitig gibt aber der Geber an seinen Ausgängen dem Messergebnis entsprechend eine erste oder eine zweite Spannung ab, die im Komparator mit einer Refe­ renzspannung verglichen wird. Je nach dem Ergebnis des Spannungsvergleichs schließt oder öffnet der Komparator den ersten steuerbaren Schalter, um die Last an die Span­ nungsquelle anzuschließen oder von ihr zu trennen.

In DE 30 02 668 A1 ist eine Messschaltung offenbart, die über eine erste Leitung, in welcher ein Galvanometer liegt, mit dem einen Pol und über eine zweite Leitung mit dem anderen Pol einer Spannungsquelle, z. B. einer Autobatterie, verbunden ist. In der Messschaltung erzeugt ein von der Spannungsquelle gespeister Spannungsregler eine Referenzspannung für eine Schaltung zur Erzeugung eines Steuersignals für eine erste steuerbare Stromquelle. An die Schaltung zur Erzeugung des Steuersignals ist ein Messfühler angeschlossen. Um die vom Spannungsregler verursachten Stromschwankungen zu kompensieren, ist eine zweite steuerbare Stromquelle vorgesehen.

In US 4 374 333 ist ein Spannungsregler beschrieben, der über zwei Adern mit Strom ver­ sorgt wird und für einen Hallsensor und einen Schwellwertschalter, z. B. ein Schmitt-Trigger, eine konstante Vorsorgungsspannung erzeugt. Der Hallsensor steuert in Abhängigkeit der gemessenen Feldstärke eines Magnetfeldes den Schwellwertschalter, der die beiden Adern mit einander verbindet oder von einander trennt und auf diese Weise zwei unterschiedliche aber definierte Ströme in den beiden Adern erzeugt, selbst wenn die Stromversorgung in einem großen Bereich schwankt.

Aus EP 0 883 097 A2 ist es bekannt, eine Geberstelle über eine Zweidrahtleitung mit einer Empfangsstelle zu verbinden. In der Geberstelle erzeugt eine Spannungsquelle eine Span­ nung für einen Spannungsregler, der eine geregelte Spannung an eine Messschaltung lie­ fert, an die ein Sensor angeschlossen ist. Die Messwandlerschaltung steuert in Abhängigkeit der von Sensor erfassten Messwerte eine steuerbare Stromquelle, die den über die Zwei­ drahtleitung zur Empfangsstelle fließenden Strom in Abhängigkeit von den vom Sensor er­ fassten Messwerten steuert.

Aus EP 0 660 089 B1 ist eine Schnittstelle zum Anschluss eines Zweidraht- oder Dreidraht­ sensors bekannt, die mit ersten Mitteln zur Stromerfassung und mit zweiten Mitteln zur Überwachung der ersten Mittel ausgerüstet ist, um feststellen zu können, ob ein Zwei- oder ein Dreidrahtsensor angeschlossen ist.

In EP 0 363 001 B1 ist beschrieben, dass ein Drehzahlaufnehmer über Anschlüsse Mess­ signale an eine Lastschaltung liefert. Der Drehzahlmesser ist im wesentlichen aus aktiven Elementen, einem Spannungsregler zur Spannungsversorgung der aktiven Elemente sowie einer Ausgangsschaltungseinrichtung mit einem Leistungspuffer, der einen bipolaren Transi­ stor umfasst, aufgebaut. Die Ausgangsschaltungseinrichtung liefert Ausgangssignale an die Lastschaltung, zu deren Verarbeitung eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist. Zur Anpassung der Lastschaltung an eine Versorgungsspannungsquelle dient eine Impe­ danzeinrichtung.

Weil die bekannten Zweidrahtsensoren aber die Eigenschaften geschalteter Stromquellen haben, können sie nur parallel geschaltet werden. Daher sind zur Zusammenschaltung zweier Zweidrahtsensoren, die an verschiedenen Orten positioniert sind, bereits vier Leitun­ gen erforderlich. Werden n Zweidrahtsensoren, die an unterschiedlichen Orten angeordnet sind, parallel geschaltet, so sind neben zwei n Kabelsträngen noch zusätzlich 4n - 2 Stecker erforderlich.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Zweidrahtsensoren liegt deshalb darin, dass bei Parallel­ schaltung mehrerer Zweidrahtsensoren viele Leitungen erforderlich sind, was hohe Kosten verursacht und einen hohen Verbrauch an wertvollen Rohstoffen bedingt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Zweidrahtsensor so zu gestalten, dass mehrere derartige Zweidrahtsensoren in Serie schaltbar sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass eine Endstufe an die beiden Anschlüsse angeschlossen ist zur Bereitstellung eines Spannungssignals, das im Betrieb der Zweidraht­ sensoreinrichtung stets größer als ein vorgegebenes Referenzspannungssignal und dessen Amplitude ein Maß für die vom Messsensor erfasste physikalische Größe ist, dass die Messausgänge des Messsensors mit den Eingängen eines Vergleichers verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Steuereingang eines steuerbaren Umschalters verbunden ist, dass der Eingang des steuerbaren Umschalters mit dem einen Eingang eines Operations­ verstärkers sowie über einen ersten Widerstand sowohl mit dem Ausgang des Operations­ verstärkers als auch mit dem einen Anschluss zur Stromversorgung verbunden ist, dass die beiden Ausgänge des steuerbaren Umschalters über je einen Widerstand mit dem anderen Anschluss zur Stromversorgung und mit dem einen Anschluss einer Refernzspannungs­ quelle verbunden sind, deren anderer Anschluss mit dem anderen Eingang des Operations­ verstärkers verbunden ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zweidrahtsensors hat der Zweidrahtsensor nun nicht mehr die Eigenschaft einer Stromquelle, sondern vielmehr die einer Spannungs­ quelle; es lassen sich daher beliebig viele erfindungsgemäße Zweidrahtsensoren in Reihe schalten. In einer Reihenschaltung mit n Zweidrahtsensoren werden n + 1 Leitungen und 2n Stecker benötigt, während in einer Parallelschaltung 2n Leitungen und 4n - 2 Stecker, also doppelt so viele Komponenten benötigt werden, wenn n < 1 ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors,

Fig. 5 eine Serienschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Zweidrahtsensoren,

Fig. 6 eine Parallelschaltung mehrerer Zweidrahtsensoren,

Fig. 7 die Kennlinie der Endstufe des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spiels,

Fig. 8 die Kennlinie des dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Es wird nun das in der Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild der Erfindung beschrieben und erläu­ tert.

In der Fig. 1 sind die Messausgänge M1 und M2 eines Messsensors (S) mit den Eingängen E1 und E2 eines Strom-Spannungs-Wandlers (W) verbunden, an dessen Ausgang eine Ausgangsspannung UA anliegt, die ein Maß für die vom Messsensor (S) erfasste physikali­ sche Größe darstellt und stets größer ist als ein vorgebbares Referenzspannungssignal Uref.

Im Folgenden wird das in der Fig. 2 abgebildete erste Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und erläutert.

In der Fig. 2 wird der Versorgungsstrom IV für den Zweidrahtsensor dem einen Anschluss A1 zur Stromversorgung und dem anderen Anschluss A2 zur Stromversorgung des Mess­ sensors S zugeführt, dessen Messausgänge M1 und M2 mit den Eingängen eines Verglei­ chers VL verbunden sind. Der Ausgang des Vergleichers VL ist mit dem Steuereingang ei­ nes steuerbaren Umschalters U verbunden, dessen Eingang mit dem einen Eingang eines Operationsverstärkers OP und über einen Widerstand R0 mit dem einen Anschluss A1 zur Stromversorgung sowie mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP verbunden ist. Die Ausgänge des steuerbaren Umschalters U sind über je einen Widerstand R1 und R2 mit dem anderen Anschluss A2 zur Stromversorgung sowie mit dem Eingang einer Referenz­ spannungsquelle Uref verbunden, deren Ausgang mit dem anderen Eingang des Operati­ onsverstärkers OP verbunden ist.

Der steuerbare Umschalter U wird vom Vergleicher VL in Abhängigkeit von den Messsigna­ len am Eingang des Vergleichers VL gesteuert. In einem ersten Zustand liegt der Eingang des steuerbaren Umschalters U über den Widerstand R1 am anderen Anschluss A2 für die Stromversorgung, während er beim zweiten Zustand über den Widerstand R2 mit dem ande­ ren Anschluss A2 zur Stromversorgung verbunden ist. Der Operationsverstärker OP gibt daher an seinem Ausgang im einen Fall eine erste Spannung ab, während er im zweiten Fall eine zweite Spannung abgibt. Die Spannung UA am Ausgang des Operationsverstärkers OP ist daher ein Maß für die vom Messsensor S erfasst physikalische Größe und stets größer als ein vorgebbares Referenzspannungssignal Uref. Die im einen Schaltzustand am Span­ nungsteiler aus den Widerständen R0 und R1 abfallende Spannung wird im Operationsver­ stärker OP mit der Referenzspannung Uref verglichen. Im zweiten Schaltungszustand wird die am Spannungsteiler aus den Widerständen R0 und R2 abfallende Spannung im Operati­ onsverstärker OP mit der Referenzspannung Uref verglichen.

Die in der Fig. 7 gezeigte Kennlinie des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels entspricht der einer Zenerdiode.

Durch die Maßnahme, die am Ausgang des Operationsverstärkers OP anliegende Span­ nung UA an die Stromversorgungsleitungen anzulegen, hat der erfindungsgemäße Zwei­ drahtsensor nun nicht mehr die Eigenschaft einer Stromquelle, sondern vielmehr die einer Spannungsquelle, so dass mehrere erfindungsgemäße Zweidrahtsensoren in Reihe schalt­ bar sind.

In der Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsen­ sors gezeigt, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass n Ver­ gleicher VL1 bis VLn vorgesehen sind, deren Ausgänge mit den Eingängen einer digitalen Auswerteschaltung D verbunden sind. Der Ausgang der digitalen Auswerteschaltung D ist mit dem Steuereingang des steuerbaren Umschalters U verbunden, dessen n Ausgänge über je einen Widerstand R1 bis Rn mit dem anderen Anschluss A2 zur Stromversorgung und dem Eingang der Referenzspannungsquelle Uref verbunden ist.

In Abhängigkeit von der vom Messsensor S gemessenen physikalischen Größe geben nacheinander der Vergleicher VL1, der Vergleicher VL2 u. s. w. bis unter Umständen zum Vergleicher VLn ein Signal an ihren Ausgängen ab. Die digitale Auswerteschaltung D schal­ tet in Abhängigkeit von der Anzahl der ein Ausgangssignal abgebenden Vergleicher den steuerbaren Umschalter U vom Widerstand R1 weiter bis schließlich zum Widerstand Rn.

Der Operationsverstärker OP gibt daher an seinem Ausgang n unterschiedliche Spannungen UA ab, die ein Maß für die vom Messsensor S erfasste physikalische Größe und stets grö­ ßer als ein vorgebbares Referenzspannungssignal Uref sind.

Es wird nun das in der Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrie­ ben und erläutert.

Das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom ersten in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Widerstand R1 durch eine Diode D oder eine programmierbare digitale Schaltung zum Beispiel ein Digital-Analog-Wandler ersetzt ist. Die digitale Schaltung D kann beispielsweise durch ein Datenprotokoll gesteuert werden, das durch eine Strommodulation übertragen wird.

In der Fig. 7 ist die Kennlinie der Endstufe des zweiten Ausführungsbeispiels abgebildet. Diese Kennlinie entspricht der Kennlinie einer Zenerdiode mit variabler Zenerspannung.

In der Fig. 5 sind n erfindungsgemäße Zweidrahtsensoren S in Serie geschaltet.

Es sind n + 1 Leitungen und 2n Stecker erforderlich.

In der Fig. 6 sind zum Vergleich n Zweidrahtsensoren parallel geschaltet. In der Parallel­ schaltung sind zwei 2n Leitungen und 4n - 2 Stecker ST erforderlich.

Die Anzahl aller Verbindungskomponenten - Leitungen und Stecker - betragen bei einer Parallelschaltung 2n + 4n - 2 = 6n - 2 Komponenten, während sie bei einer Serienschaltung n + 1 + 2n = 3n + 1 Komponenten betragen. Für großes n benötigt die Parallelschaltung da­ her doppelt so viele Verbindungskomponenten wie die Serienschaltung.

Wie in den Unteransprüchen 8, 9, und 10 angegeben ist, kann als Messsensor ein Hallsen­ sor, ein Drucksensor oder zum Beispiel ein Temperatursensor eingesetzt werden.

Um einen niedrigen Stromverbrauch zu erzielen, ist es vorteilhaft, wie im Anspruch 11 an­ gegeben ist, die Ruhestromaufnahme durch Kurzzeittaktung zu reduzieren.

Besonders vorteilhaft ist es, die Referenzspannungsquelle Uref in SI-Technologie herzu­ stellen, weil diese Technologie eine Referenzspannung hoher Konstanz und ohne Drift durch Alterung des Bauteils erzielt. Zweidrahtsensoren mit derartigen Referenzspannungsquellen können daher an unterschiedlichen Orten mit stark differierenden Temperaturen angeordnet werden, was zum Beispiel häufig im Kraftfahrzeugbau der Fall ist.

Aus diesem Grunde und weil sich die erfindungsgemäßen Zweidrahtsensoren in Reihe schalten lassen, sind sie besonders für den Einbau in Kraftfahrzeuge geeignet.

Claims (11)

1. Zweidrahtsensoreinrichtung mit einem Messsensor (S), welcher zwei Anschlüsse (A1, A2) sowohl zur Messsignalübertragung als auch zur gleichzeitigen Stromversor­ gung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endstufe (E) an die beiden An­ schlüsse (A1, A2) der Zweidrahtsensoreinrichtung angeschlossen ist zur Bereitstel­ lung eines Spannungssignals (UA), das im Betrieb der Zweidrahtsensoreinrichtung stets größer als ein vorgebbares Referenzspannungssignal (Uref) und dessen Amplitude ein Maß für die vom Messsensor (S) erfasste physikalische Größe ist, dass die Messausgänge (M1, M2) des Messsensors (S) mit den Eingängen eines Vergleichers (VL) verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Steuereingang eines steuerbaren Umschalters (U) verbunden ist, dass der Eingang des steuerbaren Um­ schalters (U) mit dem einen Eingang eines Operationsverstärkers (OP) sowie über einen ersten Widerstand (R0) sowohl mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (OP) als auch mit dem einen Anschluss (A1) zur Stromversorgung verbunden ist, dass die beiden Ausgänge des steuerbaren Umschalters (U) über je einen Wider­ stand (R1, R2) mit dem anderen Anschluss (A2) zur Stromversorgung und mit dem einen Anschluss einer Referenzspannungsquelle (Uref) verbunden sind, deren ande­ rer Anschluss mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist.

2. Zweidrahtsensoreinrichtung mit einem Messsensor (S), welcher zwei Anschlüsse (A1, A2) sowohl zur Messsignalübertragung als auch zur gleichzeitigen Stromversor­ gung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endstufe (E) an die beiden An­ schlüsse (A1, A2) der Zweidrahtsensoreinrichtung angeschlossen ist zur Bereitstel­ lung eines Spannungssignals (UA), das im Betrieb der Zweidrahtsensoreinrichtung stets größer als ein vorgebbares Referenzspannungssignal (Uref) und dessen Amplitude ein Maß für die vom Messsensor (S) erfasste physikalische Größe ist, dass die Messausgänge (M1, M2) des Messsensors (S) an die Eingänge von n Ver­ gleichern (VL1, VL2, . . . . VLn) angeschlossen sind, deren Ausgänge mit den Eingän­ gen einer digitalen Auswerteschaltung (D) verbunden sind, deren Ausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Umschalters (U) über je einen Widerstand (R1, R2, Rn) mit dem anderen Anschluss (A2) zur Stromversorgung verbunden sind.

3. Zweidrahtsensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe eine Kennlinie nach Art ei­ ner Zenerdiode aufweist.

4. Zweidrahtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messausgänge (M1, M2) des Mess­ sensors (S) mit den Eingängen eines Vergleichers (VL) verbunden sind, dessen Aus­ gang mit dem Steuereingang eines steuerbaren Umschalters (U) verbunden ist, dass der Eingang des steuerbaren Umschalters (U) mit dem einen Eingang eines Operati­ onsverstärkers (OP) sowie über einen ersten Widerstand (R0) sowohl mit dem Aus­ gang des Operationsverstärkers (OP) als auch mit dem einen Anschluss (A1) zur Stromversorgung verbunden ist, dass der eine Ausgang des steuerbaren Umschal­ ters (U) über eine Diode (DS) oder eine programmierbare digitale Schaltung und der andere Ausgang des steuerbaren Umschalters (U) über einen Widerstand (R1) mit dem anderen Anschluss (A2) zur Stromversorgung und mit dem einen Anschluss ei­ ner Referenzspannungsquelle (Uref) verbunden sind, deren anderer Anschluss mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist.

5. Zweidrahtsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die programmierbare digitale Schaltung (DS) ein Digital-Analog-Wandler ist.

6. Zweidrahtsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Schaltung (DS) mittels eines Datenprotokolls gesteuert wird.

7. Zweidrahtsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenprotokoll für die digitale Schaltung (DS) durch Strommodulation übertragen wird.

8. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor (S) ein Hallsensor vor­ gesehen ist.

9. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor (S) ein Drucksensor vorgesehen ist.

10. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor (S) ein Temperatursen­ sor vorgesehen ist.

11. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhestromaufnahme durch Kurzzeit­ taktung reduziert ist.