DE4421906A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandes eines Widerstandssensors - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandes eines Widerstandssensors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandes eines Widerstandssensors, beispielsweise eines Feuchtesensors, über die Änderungsgeschwindigkeit der Ladung eines Kondensators, wobei jeweils ein Meßzyklus aus einem Laden des Kondensators, einem unvollständigen Entladen des Kondensators über den Widerstandssensor und einer anschließenden Messung der im Kondensator verbliebenen Ladung besteht.
Beispielsweise zur Messung der Feuchte auf einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs werden Sensorwiderstände in Form von ineinander verkämmten streifenförmigen Elektroden verwendet. Berühren Wassertropfen beide Elektroden, so sinkt der Widerstand, was zur automatischen Steuerung eines Scheibenwischers benutzt werden kann. Zur Messung des Widerstandes ist grundsätzlich das Anlegen einer Spannung an den Widerstandssensor erforderlich. Durch Gleichspannungsanteile der anzulegenden Spannung kann es jedoch zu Elektrolyseerscheinungen zwischen den Elektroden kommen, die letztlich zu einer Begrenzung der Lebensdauer der Widerstandssensoren führen. Eine Einrichtung für die Steuerung eines Antriebsmittels für ein Fahrzeugzubehör mit einem derartigen Widerstandssensor ist beispielsweise in WO 90/08680 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Elektrolyseerscheinungen an Widerstandssensoren, insbesondere an Feuchtesensoren, zu verhindern.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus die Richtung des Entladestroms durch den Widerstand wechselt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat nicht nur den Vorteil, daß elektrolytische Anlagerungen bzw. Abtragungen an den Elektroden verhindert werden, sondern daß auch durch die symmetrische Beaufschlagung des Widerstandssensors die Festigkeit gegenüber Störstrahlungen erhöht wird.
Die Messung der im Kondensator verbliebenen Ladung kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß der Kondensator weiterhin definiert entladen wird und daß die Zeit der definierten Entladung bis zum Unterschreiten einer vorgegebenen Spannung gemessen wird oder daß der Kondensator definiert wieder aufgeladen wird und daß die Zeit der definierten Aufladung bis zum Überschreiten einer vorgegebenen Spannung gemessen wird.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der zum Entladen des Kondensators mit dem Widerstandssensor gebildete Stromkreis potentialfrei ist.
Dadurch, daß bei dieser Weiterbildung der Widerstandssensor und der Kondensator weder mit Massepotential noch mit einem davon abweichenden Potential beaufschlagt sind, bilden sich keine Ströme zwischen den Elektroden des Widerstandssensors und der Fahrzeugkarosserie, so daß auch eine durch solche Ströme bedingte Elektrolyse verhindert wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus der Kondensator mit wechselnder Polarität an eine Lade/Entladestromquelle und an einen Eingang einer Schwellwertschaltung angeschlossen wird.
Die Erfindung umfaßt ferner eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Lade/Entladestromquelle und der Eingang einer Schwellwertschaltung gemeinsam, der Widerstandssensor und der Kondensator mit einem steuerbaren zweipoligen Mehrfachumschalter (Multiplexer) verbunden sind, wobei der Multiplexer in Abhängigkeit von zugeführten Steuersignalen ein Anschlußpaar mit einem von weiteren Anschlußpaaren verbindet, daß das Anschlußpaar mit dem Kondensator verbunden ist, daß an eines der weiteren Anschlußpaare der Widerstandssensor angeschlossen ist, und daß an ein zweites der weiteren Anschlußpaare der Eingang der Schwellwertschaltung und Massepotential und an ein drittes der weiteren Anschlußpaare der Eingang der Schwellwertschaltung und Massepotential mit gegenüber dem zweiten weiteren Anschlußpaar vertauschter Polarität angeschlossen sind. Geeignete Multiplexer sind auf dem Markt als integrierte Schaltkreise erhältlich.
Eine besonders vorteilhafte Steuerung des Multiplexers und der Lade/Entladestromquelle sowie ein Messen der restlichen Ladung durch Zählen von Impulsen, bis die Ladespannung eine vorgegebene Schwelle unterschreitet, kann in einfacher Weise dadurch durchgeführt werden, daß Steuereingänge des Multiplexers, die Lade/Entladestromquelle und ein Ausgang der Schwellwertschaltung mit Ein- bzw. Ausgängen eines Mikroprozessors verbunden sind.
Die auf dem Markt erhältlichen Multiplexer weisen häufig vier weitere Anschlußpaare auf, so daß in einfacher Weise ein zweiter Widerstandssensor angeschlossen werden kann.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auch in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet werden, daß ein viertes weiteres Anschlußpaar zu Zwecken der Selbstkalibrierung an einen Referenzwiderstand anschließbar ist. Im Mikrocomputer ist dann ein geeignetes Programm vorzusehen, das den im Falle des Referenzwiderstandes gemessenen Widerstandswert für die Meßergebnisse im Falle des Widerstandssensors als Vergleichswert benutzt.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und
Fig. 2 Diagramme der bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auftretenden Spannungen und Signale.
Der Multiplexer 1 bei der Schaltungsanordnung nach Fig. ist ein auf dem Markt erhältlicher Baustein, beispielsweise vom Typ 4052, bei welchem zwei Anschlüsse X, Y in Abhängigkeit von zugeführten Steuersignalen A, B mit jeweils einem der weiteren Anschlüsse X0, X1, X2 oder X3 bzw. Y0, Y1, Y2 oder Y3 verbunden werden können. Über ein weiteres Steuersignal EN können alle möglichen Verbindungen hochohmig geschaltet werden. Obwohl in derartigen Bausteinen die einzelnen Verbindungen über Feldeffekttransistoren geschaltet werden, wurde der besseren Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 die Darstellung von Mehrfachumschaltern gewählt. Die Steuersignale A, B, EN werden von einem Mikroprozessor 2 erzeugt und den Steuereingängen des Multiplexers 1 zugeführt.
Die Anschlüsse X und Y des Multiplexers 1 sind über je einen Widerstand 6, 7 mit einem Kondensator 8 verbunden. Die Widerstände 6, 7 sollen Stromspitzen beim Anschalten des Kondensators 8 verhindern, was gegebenenfalls bereits durch den ohnehin vorhandenen Innenwiderstand des Multiplexers 1 möglich ist. An die Anschlüsse X3 und Y3 ist ebenfalls über je einen Schutzwiderstand 9, 10 ein Widerstandssensor 11 angeschlossen, der aus zwei kammförmigen Elektroden 12, 13 besteht, die beispielsweise in Form von dünnen Metallauflagen auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs aufgebracht sind. Die Schutzwiderstände 9, 10 verhindern eine Beschädigung oder Zerstörung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, falls an den außen angebrachten Widerstandssensor Batteriespannung oder Massepotential angelegt werden sollte.
Die Anschlüsse X0 und Y1 des Multiplexers sind mit einem Eingang 14 einer Schwellwertschaltung verbunden, während die Anschlüsse X1 und Y0 an Massepotential angeschlossen sind. Die Schwellwertschaltung besteht aus einem Differenzverstärker 15, dessen nichtinvertierendem Eingang über einen Spannungsteiler 16, 17 eine Vorspannung und über einen Widerstand 18 ein Teil der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 15 zugeführt wird. Der invertierende Eingang ist mit dem Eingang 14 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 15 ist mit einem Eingang des Mikroprozessors 2 und über einen Arbeitswiderstand 18 mit positiver Betriebsspannung verbunden. Das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung ist mit T bezeichnet.
Ein weiterer Ausgang des Mikroprozessors 2 führt ein Signal P, das zur Bildung eines Ladestroms und eines Entladestroms für den Kondensator 8 herangezogen wird, und ist über einen Meßwiderstand 20 und zwei Dioden 21, 22 mit dem Eingang 14 der Schwellwertschaltung verbunden. Die Signale EN, B, A, P und T sind binäre Signale, das heißt, sie können nur jeweils einen von zwei Spannungspegeln einnehmen.
Die Funktion der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 wird im folgenden anhand der Zeitdiagramme nach Fig. 2 näher erläutert. Die Steuersignale A, B, EN und P werden vom Mikroprozessor mit einem geeigneten Programm erzeugt. Die Stellungen des Multiplexers in Abhängigkeit von den Steuersignalen A und B sind in folgender Tabelle dargestellt.
Zum Zeitpunkt t1 beginnt der erste dargestellte Meßzyklus M1. Der Multiplexer befindet sich in den Stellungen X0 und Y0, während über das Signal P und die Dioden 21, 22 ein Ladestrom erzeugt wird, der jedoch erst zu fließen beginnt, wenn EN den Wert 0 einnimmt. Die Ladespannung des Kondensators, welche zwischen t1 und t2 der Spannung U14 am Schaltungspunkt 14 entspricht, steigt bis zum Zeitpunkt t2 an, wobei der Ladestrom über den Schaltungspunkt 14, die Anschlüsse X0 und X, den Widerstand 6, den Kondensator 8, den Widerstand 7 und die Anschlüsse Y und Y0 nach Massepotential fließt.
Zum Zeitpunkt t2 ist 2/3 der Spannung U erreicht. Deshalb springt das Ausgangssignal T der Schwellwertschaltung auf 1. Daraufhin setzt der Mikroprozessor die Steuersignale A und B auf 1, so daß die Anschlüsse X3 und Y3 mit den Anschlüssen X und Y, das heißt, mit dem Kondensator verbunden werden. Kurzzeitig wird EN auf 1 gesetzt, so daß eine gleichzeitige Verbindung der Anschlüsse X0 und X3 bzw. Y0 und Y3 verhindert wird. In dem folgenden Zeitraum bis t3 wird nun der Kondensator 8 über den Widerstandssensor 11 entladen (gestrichelte Linie), wobei die Geschwindigkeit der Entladung von der Feuchte abhängig ist. Die Spannung am Schaltungspunkt 14 bleibt während dieser Zeit auf ihrem Maximalwert. Nach einer vorgegebenen konstanten Zeit (t3-t2) wird dadurch, daß die Steuersignale A und B wieder auf 0 fallen, der Kondensator 8 mit Masse und mit dem Eingang 14 der Schwellwertschaltung verbunden. Auch hierbei wird der Multiplexer 1 durch EN = 1 kurzzeitig hochohmig geschaltet.
Außerdem wird wenig später die Spannung P auf 0 gesetzt, so daß der Kondensator 8 nur kurzzeitig über die Dioden 21, 22 aufgeladen und dann über den Meßwiderstand 20 entladen wird, bis bei t4 ein vorgegebener Schwellwert, nämlich 1/3 U, unterschritten wird. Dadurch nimmt das Ausgangssignal T der Schwellwertschaltung die in der Zeile T in Fig. 2 dargestellte Form ein, wobei die Dauer des Zustandes 1 ein Maß für die Spannung am Kondensator zum Zeitpunkt t3 und damit ein Maß für den Widerstand des Sensorwiderstandes 11 ist. Die Dauer dieses Zustandes wird im Mikroprozessor mit Hilfe eines Zählers gemessen, dessen Zählerstand zum Zeitpunkt t4 das Meßergebnis darstellt.
In dem folgenden Zeitabschnitt zwischen t4 und t5 ist der Multiplexer hochohmig (EN = 1), so daß die Spannung U14 auf 0 fällt, während die Spannung am Kondensator (gestrichelt dargestellt) fast konstant bleibt. Damit wird eine Vorbereitung zum Umpolen des Kondensators erzielt und Zeit für eine Synchronisierung des Mikroprozessors geschaffen. Das Steuersignal A und das Signal P werden während dieses Zeitabschnitts auf 1 gesetzt, so daß zum Zeitpunkt t5 durch Nullsetzen des Signals EN der Ladevorgang beginnen kann. Dabei ist allerdings der Multiplexer 1 in der Stellung X1, Y1, so daß der Kondensator 8 mit umgekehrter Polarität aufgeladen wird. Zum Zeitpunkt t6 wird dann der geladene Kondensator wieder mit dem Widerstandssensor 11 verbunden und durch diesen bis zum Zeitpunkt t7 entladen. Danach erfolgt wieder eine Entladung über den Meßwiderstand 20, bis zum Zeitpunkt t8 der Schwellwert der Schwellwertschaltung erreicht ist, wodurch das Signal T wieder von 1 auf 0 springt. Der Zeitraum zwischen t8 und t7 wird dann wiederum im Mikroprozessor gemessen. Zum Zeitpunkt t9 ist dann der zweite Meßzyklus M2 beendet.
Bei einer praktisch ausgeführten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wurden folgende Werte für die gleichlautend mit den Bezugszeichen bezeichneten Widerstände und den Kondensator 8 gewählt:
C8 = 0,1 µF
R6 = R7 = 221 Ω
R9 = R10 = 4,75 kΩ
R16 = RI7 = 100 kΩ
RI8 = 57,6 kΩ
R19 = 4,75 kΩ
R20 = 26,7 kΩ.

Claims (9)

1. Verfahren zur Messung des Widerstandes eines Widerstandssensors, beispielsweise eines Feuchtesensors, über die Änderungsgeschwindigkeit der Ladung eines Kondensators, wobei jeweils ein Meßzyklus aus einem Laden des Kondensators, einem Entladen des Kondensators über den Widerstandssensor und einer anschließenden Messung der im Kondensator verbliebenen Ladung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus die Richtung des Entladestroms durch den Widerstand wechselt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator weiterhin definiert entladen wird und daß die Zeit der definierten Entladung bis zum Unterschreiten einer vorgegebenen Spannung gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator definiert wieder aufgeladen wird und daß die Zeit der definierten Aufladung bis zum Überschreiten einer vorgegebenen Spannung gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Entladen des Kondensators mit dem Widerstandssensor gebildete Stromkreis potentialfrei ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus der Kondensator mit wechselnder Polarität an eine Lade/Entladestromquelle und an einen Eingang einer Schwellwertschaltung angeschlossen wird.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lade/Entladestromquelle (20, 21, 22) und der Eingang (14) einer Schwellwertschaltung (15 bis 19) gemeinsam, der Widerstandssensor (11) und der Kondensator (8) mit einem steuerbaren zweipoligen Mehrfachumschalter (Multiplexer) (1) verbunden sind, wobei der Multiplexer (1) in Abhängigkeit von zugeführten Steuersignalen ein Anschlußpaar (X; Y) mit einem von weiteren Anschlußpaaren (X0 bis X3; Y0 bis Y3) verbindet, daß das Anschlußpaar (X; Y) mit dem Kondensator (8) verbunden ist, daß an eines (X3; Y3) der weiteren Anschlußpaare der Widerstandssensor (11) angeschlossen ist, und daß an ein zweites (X0; Y0) der weiteren Anschlußpaare der Eingang (14) der Schwellwertschaltung (15 bis 19) und Massepotential und an ein drittes (X1; Y1) der weiteren Anschlußpaare der Eingang (14) der Schwellwertschaltung (15 bis 19) und Massepotential mit gegenüber dem zweiten (X0; Y0) weiteren Anschlußpaar vertauschter Polarität angeschlossen sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Steuereingänge des Multiplexers (1), die Lade/Entladestromquelle (20 bis 22) und ein Ausgang der Schwellwertschaltung (15 bis 19) mit Ein- bzw. Ausgängen eines Mikroprozessors (2) verbunden sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes (X2; Y2) weiteres Anschlußpaar an einen zweiten Widerstandssensor anschließbar ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes (X2; Y2) weiteres Anschlußpaar zu Zwecken der Selbstkalibrierung an einen Referenzwiderstand anschließbar ist.
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