EP1048934A2 - Zweidrahtsensoreinrichtung - Google Patents

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EP1048934A2
EP1048934A2 EP00106483A EP00106483A EP1048934A2 EP 1048934 A2 EP1048934 A2 EP 1048934A2 EP 00106483 A EP00106483 A EP 00106483A EP 00106483 A EP00106483 A EP 00106483A EP 1048934 A2 EP1048934 A2 EP 1048934A2
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EP
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connection
measuring
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    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage

Definitions

  • the invention relates to a two-wire sensor device with a measuring sensor, which two Connections both for measuring signal transmission and for simultaneous power supply having.
  • Two-wire sensors are made up of a measuring sensor that is a physical quantity such as measures the temperature, pressure or field strength of a magnetic field, and electronic Components for processing the signals supplied by the measuring sensor. Either the power supply as well as the forwarding of the measured and processed Measurement signals take place over only two lines, from which the name two-wire sensor can be traced is. A two-wire sensor therefore has only two connections, which simultaneously supply the power and the forwarding of the measured and processed measurement signals.
  • the invention solves this problem in that an output stage at the two connections is connected to provide a voltage signal that is in operation of the two-wire sensor device always greater than a given reference voltage signal and its Amplitude is a measure of the physical quantity detected by the measuring sensor.
  • the inventive design of the two-wire sensor has the two-wire sensor now no longer the property of a current source, but rather that of a voltage source; any number of two-wire sensors according to the invention can therefore be connected in series switch.
  • n two-wire sensors
  • n + 1 lines and 2n Plug required, while in a parallel connection 2n cables and 4n - 2 plugs, so twice as many components are required if n> 1.
  • FIG. 1 The first embodiment of the invention shown in FIG. 1 will now be described and explained.
  • FIG. 1 shows the measurement outputs M1 and M2 of a measurement sensor (S) with the inputs E1 and E2 of a current-voltage converter (W) connected, at the output of which Output voltage UA is present, which is a measure of the physical detected by the measuring sensor (S) Represents size and is always larger than a predetermined reference voltage signal Uref.
  • the supply current IV for the two-wire sensor is the one connection A1 for power supply and the other connection A2 for power supply of the measuring sensor S supplied, whose measuring outputs M1 and M2 with the inputs of a comparator VL are connected.
  • the output of the comparator VL is one with the control input controllable switch U connected, whose input with the one input of a Operational amplifier OP and via a resistor R0 to the one connection A1 Power supply and is connected to the output of the operational amplifier OP.
  • the outputs of the controllable changeover switch U are each connected via a resistor R1 and R2 the other connection A2 for power supply and with the input of a reference voltage source Uref connected whose output to the other input of the operational amplifier OP is connected.
  • the controllable changeover switch U is used by the comparator VL as a function of the measurement signals controlled at the input of the comparator VL.
  • the input is in a first state of the controllable switch U via the resistor R1 at the other connection A2 for the Power supply while in the second state through resistor R2 with the other Connection A2 is connected to the power supply.
  • the voltage UA at the output of the operational amplifier OP is therefore a measure of the physical quantity detected by the measuring sensor S and always larger as a predefinable reference voltage signal Uref.
  • the one in a switching state on the voltage divider voltage falling from the resistors R0 and R1 becomes in the operational amplifier OP compared with the reference voltage Uref.
  • the voltage drop across the voltage divider from the resistors R0 and R2 in the operational amplifier OP compared with the reference voltage Uref.
  • the characteristic curve shown in FIG. 7 of the second exemplary embodiment according to the invention corresponds to that of a Zener diode.
  • the two-wire sensor according to the invention has to apply UA to the power supply lines now no longer the property of a power source, but rather that of one Voltage source, so that several two-wire sensors according to the invention can be connected in series are.
  • FIG 3 shows a third exemplary embodiment of a two-wire sensor according to the invention shown that differs from the second embodiment in that n comparators VL1 to VLn are provided, whose outputs with the inputs of a digital Evaluation circuit D are connected.
  • the output of the digital evaluation circuit D is connected to the control input of the controllable switch U, whose n outputs via a resistor R1 to Rn to the other connection A2 for power supply and the input of the reference voltage source Uref is connected.
  • the operational amplifier OP therefore gives n different voltages at its output UA, which is a measure of the physical quantity detected by the measuring sensor S and always larger as a predefinable reference voltage signal Uref.
  • the fourth exemplary embodiment of the invention differs from the second in FIG. 2 shown embodiment in that the resistor R1 through a diode D or a programmable digital circuit, for example a digital-to-analog converter, is replaced.
  • the digital circuit D can be controlled, for example, by a data protocol that is transmitted by a current modulation.
  • the characteristic curve corresponds to the characteristic curve of a Zener diode with variable Zener voltage.
  • n two-wire sensors S according to the invention are connected in series.
  • the parallel connection therefore requires twice as many connection components as the series connection.
  • a Hall sensor As stated in subclaims 8, 9 and 10, a Hall sensor, a pressure sensor or, for example, a temperature sensor can be used.
  • the reference voltage source Uref is a reference voltage of high constancy and without drift through Aging of the component achieved.
  • Two-wire sensors with such reference voltage sources can therefore be arranged in different locations with widely differing temperatures become, which is often the case, for example, in motor vehicle construction.
  • the two-wire sensors according to the invention are in series switch, they are particularly suitable for installation in motor vehicles.

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Abstract

Zweidrahtsensoren zur Messung physikalischer Größen haben nur zwei Anschlüsse (A1, A2), die sowohl der Stromversorgung als auch der Weiterleitung der Messsignale dienen. Weil Zweidrahtsensoren aber die Eigenschaften gesteuerter Stromquellen haben, können sie nur parallel geschaltet werden. Für eine Parallelschaltung aus n an unterschiedlichen Orten angeordneten Zweidrahtsensoren sind daher zwei n Leitungen erforderlich. Um die Anzahl der Leitungen zu reduzieren ist im Zweidrahtsensor eine Endstufe (W) vorgesehen, die eine Ausgangsspannung (UA) erzeugt, welche ein Maß für die von einem Messsensor (S) gemessenen pysikalischen Größe und stets größer als ein vorgebbares Referenzspannungssignal (Uref) ist. Weil der erfindungsgemäße Zweidrahtsensor deshalb die Eigenschaften einer Spannungsquelle hat, lassen sich mehrere in Serie schalten. Es sind daher auch bei einer Serienschaltung mehrerer Zweidrahtsensoren nur zwei Leitungen erforderlich.

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 Beispiel die Temperatur, den Druck oder die Feldstärke eines Magnetfeldes misst, und elektronischen Bauteilen zur Verarbeitung der vom Messsensor gelieferten Signale aufgebaut. Sowohl die Stromversorgung als auch die Weiterleitung der gemessenen und verarbeiteten Messsignale erfolgt über nur zwei Leitungen, worauf der Name Zweidrahtsensor zurückzuführen ist. Ein Zweidrahtsensor hat deshalb nur zwei Anschlüsse, die gleichzeitig der Stromversorgung und der Weiterleitung der gemessenen und verarbeiteten Messsignale dienen.
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 Leitungen 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 Parallelschaltung 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 Zweidrahtsensoreinrichtung stets größer als ein vorgegebenes Referenzspannungssignal und dessen Amplitude ein Maß für die vom Messsensor erfasste physikalische Größe ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zweidrahtsensors hat der Zweidrahtsensor nun nicht mehr die Eigenschaft einer Stromquelle, sondern vielmehr die einer Spannungsquelle; 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 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors,
Fig. 2
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors,
Fig. 3
ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors,
Fig. 4
ein viertes 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 Ausführungsbeispiels,
Fig. 8
die Kennlinie des dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
Es wird nun das in der Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und erläutert.
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 physikalische Größe darstellt und stets größer ist als ein vorgebbares Referenzspannungssignal Uref.
Im Folgenden wird das in der Fig. 2 abgebildete zweite 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 Messsensors S zugeführt, dessen Messausgänge M1 und M2 mit den Eingängen eines Vergleichers VL verbunden sind. Der Ausgang des Vergleichers VL ist mit dem Steuereingang eines 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 Referenzspannungsquelle Uref verbunden, deren Ausgang mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden ist.
Der steuerbare Umschalter U wird vom Vergleicher VL in Abhängigkeit von den Messsignalen 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 anderen 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 Spannungsteiler aus den Widerständen R0 und R1 abfallende Spannung wird im Operationsverstärker OP mit der Referenzspannung Uref verglichen. Im zweiten Schaltungszustand wird die am Spannungsteiler aus den Widerständen R0 und R2 abfallende Spannung im Operationsverstärker OP mit der Referenzspannung Uref verglichen.
Die in der Fig. 7 gezeigte Kennlinie des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels entspricht der einer Zenerdiode.
Durch die Maßnahme, die am Ausgang des Operationsverstärkers OP anliegende Spannung UA an die Stromversorgungsleitungen anzulegen, hat der erfindungsgemäße Zweidrahtsensor nun nicht mehr die Eigenschaft einer Stromquelle, sondern vielmehr die einer Spannungsquelle, so dass mehrere erfindungsgemäße Zweidrahtsensoren in Reihe schaltbar sind.
In der Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zweidrahtsensors gezeigt, das sich vom zweiten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass n Vergleicher 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 schaltet 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 größer als ein vorgebbares Referenzspannungssignal Uref sind.
Es wird nun das in der Fig. 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und erläutert.
Das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom zweiten 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 dritten 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 Figur 6 sind zum Vergleich n Zweidrahtsensoren parallel geschaltet. In der Parallelschaltung 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 daher doppelt so viele Verbindungskomponenten wie die Serienschaltung.
Wie in den Unteransprüchen 8, 9, und 10 angegeben ist, kann als Messsensor ein Hallsensor, ein Drucksensor oder zum Beispiel ein Temperatursensor eingesetzt werden.
Um einen niedrigen Stromverbrauch zu erzielen, ist es vorteilhaft, wie im Anspruch 11 angegeben ist, die Ruhestromaufnahme durch Kurzzeittaktung zu reduzieren.
Besonders vorteilhaft ist es, die Referenzspannungsquelle Uref in SI-Technologie herzustellen, 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 (12)

  1. Zweidrahtsensoreinrichtung mit einem Messsensor (S), welcher zwei Anschlüsse (A1, A2) sowohl zur Messsignalübertragung als auch zur gleichzeitigen Stromversorgung aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Endstufe (E) an die beiden Anschlüsse (A1, A2) der Zweidrahtsensoreinrichtung angeschlossen ist zur Bereitstellung 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.
  2. Zweidrahtsensoreinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe eine Kennlinie nach Art einer Zenerdiode aufweist.
  3. Zweidrahtsensor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, 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 Umschalters (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 Widerstand (R1, R2) mit dem anderen Anschluss (A2) zur Stromversorgung und mit dem einen Anschluss einer Referenzspannungsquelle (Uref) verbunden sind, deren anderer Anschluss mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist.
  4. Zweidrahtsensor nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messausgänge (M1, M2) des Messsensors (S) an die Eingänge von n Vergleichern (VL1, VL2, ...VLn) angeschlossen sind, deren Ausgänge mit den Eingängen einer digitalen Auswerteschaltung (D) verbunden sind, deren Ausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Umschalters (U) verbunden ist, und dass die n Ausgänge des steuerbaren Umschalters (U) über je einen Widerstand (R1, R2, ... Rn) mit dem anderen Anschluss (A2) zur Stromversorgung verbunden sind.
  5. Zweidrahtsensor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, 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 Umschalters (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 der eine Ausgang des steuerbaren Umschalters (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 einer Referenzspannungsquelle (Uref) verbunden sind, deren anderer Anschluss mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist.
  6. Zweidrahtsensor nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die programmierbare digitale Schaltung (DS) ein Digital-Analog-Wandler ist.
  7. Zweidrahtsensor nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Schaltung (DS) mittels eines Datenprotokolls gesteuert wird.
  8. Zweidrahtsensor nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Datenprotokoll für die digitale Schaltung (DS) durch Strommodulation übertragen wird.
  9. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor (S) ein Hallsensor vorgesehen ist.
  10. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor (S) ein Drucksensor vorgesehen ist.
  11. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor (S) einTemperatursensor vorgesehen ist.
  12. Zweidrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhestromaufnahme durch Kurzzeittaktung reduziert ist.
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