EP1784627A1 - Method and device for measuring physical variables using piezoelectric sensors and a digital integrator - Google Patents

Method and device for measuring physical variables using piezoelectric sensors and a digital integrator

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EP1784627A1
EP1784627A1 EP05771850A EP05771850A EP1784627A1 EP 1784627 A1 EP1784627 A1 EP 1784627A1 EP 05771850 A EP05771850 A EP 05771850A EP 05771850 A EP05771850 A EP 05771850A EP 1784627 A1 EP1784627 A1 EP 1784627A1
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EP
European Patent Office
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amplifier
current
resistor
integrator
input
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05771850A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christopherus Bader
Robert Hoffmann
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Priamus System Technologies AG
Original Assignee
Priamus System Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Priamus System Technologies AG filed Critical Priamus System Technologies AG
Publication of EP1784627A1 publication Critical patent/EP1784627A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring physical quantities with piezoelectric sensors which generate an input voltage for an amplifier.
  • the piezoelectric measuring technique is based on the piezoelectric effect, wherein piezoelectric crystals are generated during their deformation on the surface of electrical charges. This electric charge becomes one
  • Temperature also plays a role here. The warmer the environment, the worse the drift. If such sensors, for example applied to injection molding machines, so the reduction of drift is extremely expensive.
  • the cables In order to be able to transport such small charges, the cables must be very high in a range of 10 12 Q to 10 15 Q. If such cables are touched only with the finger, the resistance breaks down, ie, the handling of such cables is very delicate and extremely expensive.
  • a charge amplifier circuit in which a first operational amplifier, an integration capacitor between the inverting input and the output of the first amplifier and a second amplifier are provided, whose input to the output of the charge amplifier circuit and its output via a resistor and a reset means is connected to the inverting input of the first amplifier during the reset phase.
  • the charge amplifier circuit should be designed as a measuring circuit by the integration capacitor can be bridged by the reset means by a resistor, so that the integration capacitor automatically flows with active restoring a charge, which during the zero phase following the reset phase, the zero offset of the output voltage of the charge amplifier circuit compensates.
  • the leakage currents of the capacitor, the line to the sensor and the input amplifier must be very small. If such a charge amplifier is used for measurements over a longer period of time, the measurement signal drifts, since leakage resistances of less than 10 15 ⁇ are difficult to realize and the input amplifiers have an offset.
  • the object of the present invention is to develop a low-resistance and driftless measurement of physical quantities using piezoelectronic sensors.
  • a microcomputer For processing the voltage supplied from the amplifier, a microcomputer may be provided in the integrator.
  • the method can also be implemented with a so-called "freely programmable logic component" such as a DSP, EPLD, CPLD or STGA (free programmable date array) .
  • This freely programmable logic component could independently assume the task of a microcomputer, but it could also represent a part of the microcomputer.
  • the digital integrator preferably forms a constant sum of the force differences existing in adjacent time windows. In this case, the integrator calculates the integral over the current at time-discrete points, the infinite sum being formed.
  • the cycle of a process is determined and constructed without a cycle control (Operate Reset circuit), a quasi-static, piezoelectric amplifier.
  • the current amplifier Since the voltage at the sensor is held at 0 volts and no voltage is stored at capacitors by the current amplifier, this method is particularly suitable to connect much lower-resistance piezo sensors on the measuring amplifier, while the drift is eliminated and knowing the process without reset the pressure booster can be worked.
  • the current amplifier generates by a resistor in each case the same current as the current which is emitted by the sensor when force is applied with negative polarity. Between two temporally staggered times flows a current that behaves identically to the force changed during this time.
  • the resistor is arranged in a bypass around an amplifier. That is, in this case, the resistor replaces the known capacitor or the known capacitance.
  • the resistor is integrated in the sensor. This gives rise to the interesting possibility of using a single amplifier for all sensors, with no gain corrections or gain switching being necessary.
  • the principle is that there will be a voltage across the resistor as the current flows through the charge.
  • the resistances in the current / voltage converter can be varied.
  • all charge carriers should preferably be immediately dissipated to ground. In this case there is no voltage on the sensor, which can be reduced by losses in the cable.
  • the digital integrator makes the necessary integration to prevent drifting.
  • Figure 1 is a block diagram representation of an inventive
  • Figure 2 is a block diagram representation of a field of application of the inventive method of Figure 1;
  • Figure 3 is a block diagram representation of another application of the inventive method.
  • an input current I e arrives via an input 1 from a piezoelectronic sensor not shown in detail to a current / voltage converter V 1.
  • a leakage current flows to ground l ⁇ Eck 2 away.
  • the current / voltage converter V1 includes a current amplifier 11, which operates against ground 3. Furthermore, it is adjoined by a digital integrator 4, which is essentially formed by a microcomputer 5, which in turn is connected to ground 6. The microcomputer has an output 13 for the calculated voltage Ua (t), which in turn is connected to ground 14.
  • the piezoelectric sensor not shown in detail, which can serve for example as a pressure sensor, a current is generated when applying the pressure and led to the input 1 as input current l e .
  • the input current l e is then split at a node 15 in the current Ir to the resistor R and the current l opv to an inverted input of the current amplifier 11 and l ⁇ eC k-
  • ⁇ Ck is derived via the mass 2.
  • IR> 1000 l must be opv and for small measurement errors the following must apply: l e > 1000 (l opv + lieck)
  • the current amplifier 11 generates by the resistor R in each case the same current as the current I e , which is emitted by the sensor upon application of force. Between two time points in time flows a current that behaves identically to the force changed during this time.
  • the digital integrator 4 replaces the previously known capacitor (analog integrator), where the charge could degrade. No values are lost in the microcomputer system.
  • This digital integrator 4 forms the infinite sum of the difference signals, which are measured between two access times on the sensor. That is, the arithmetic operation in the microcomputer takes place according to the following formula: a
  • the value stored in the computer can not drift, so that, in contrast to the prior art, any offset properties of the current / voltage converter V1 can be eliminated by designing the program. Only the offset starting value in the analog part has to be digitally eliminated.
  • this method is particularly suitable for connecting much lower-resistance piezo sensors to the measuring amplifier, whereby (regardless of a force / pressure change) simultaneously the drift eliminable and can be worked on the intensifier with knowledge of the process without a reset.
  • the leakage resistance which may be connected in parallel to the cable, can be calculated.
  • the resistor connected in parallel with the sensor would be:
  • the leakage resistance of the cable should be 12.5 KQ.
  • the input resistance of the circuit must be at least 10 15 Q compared to this. If the entire measuring range is swept within 1s, equation 4 results:
  • the input resistance may be smaller by a factor of 80 * 10 9 to 80 * 10 6 for the new measuring method.
  • a current-limited method is shown when using a conventional sensor but with a low-impedance line.
  • a current limiter 7 is switched on between the input 1 and the current / voltage converter V1.
  • This consists of a limiting resistor 8, between which and the input 1 with the interposition of a capacitor 9 is a branch to a mass 10 out.
  • the capacitor 9 and the resistor 8 together prevent strong current increases and thus allow lower sampling rates.
  • a possible for the maximum technically possible slew rates in measuring systems compromise is taken in the direction that the sampling rate of the integrator 4 can be reduced, yet small integration error.
  • the different sensitivities of the sensors still have to be set on the amplifier 11.
  • the limiting resistor 8 prevents a lightning-fast discharge of the charge in the current / voltage converter V1, so that the dynamics of the current / voltage converter V1 can be somewhat limited.
  • a resistor Ri via which a rapid discharge of the charge takes place, is located in a sensor, generally designated 12.
  • a measuring range switchover (correction of the sensitivity) takes place in the sensor 12 itself. Since there are no measuring ranges in the amplifier 11, there is the interesting possibility of using only a single amplifier 11 for all sensors, wherein no gain corrections or amplification switches have to be made. Only the interconnection of Ri with the amplifier 11 forms a current amplifier. The principle is that there will be a voltage across the resistor as the current flows through the charge.
  • the digital integrator 4 adds only the voltage applied at the discrete times. _ -
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Abstract

The invention relates to a method for measuring physical variables using piezoelectric sensors, which generate an input voltage (l<sub

Description

VERFÄHREN UND VORRICHTUNG ZUM MESSEN VON PHYSIKALISCHEN GRÖSSEN MIT PIEZOELEKTRI SCHEN SENSOREN UND DIGITALEM INTEGRATORMETHOD AND DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL SIZES WITH PIEZOELECTRIC SENSORS AND DIGITAL INTEGRATOR
20 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von physikalischen Grossen mit piezoelektrischen Sensoren, die eine Eingangsspannung für einen Verstärker erzeugen.The invention relates to a method for measuring physical quantities with piezoelectric sensors which generate an input voltage for an amplifier.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
25 Physikalische Grossen, wie beispielsweise Drücke, Kräfte, Beschleunigungen, Dehnungen usw. werden vielfach durch die piezoelektrische Messtechnik erfasst. Die piezoelektrische Messtechnik beruht auf dem piezoelektrischen Effekt, wobei bei Piezokristallen bei deren Deformation an der Oberfläche elektrische Ladungen erzeugt werden. Diese elektrische Ladung wird einem25 Physical quantities, such as pressures, forces, accelerations, strains, etc., are often detected by piezoelectric measuring technology. The piezoelectric measuring technique is based on the piezoelectric effect, wherein piezoelectric crystals are generated during their deformation on the surface of electrical charges. This electric charge becomes one
30 Strom-/Spannungswandler zugeführt, in dem sich ein Verstärker befindet, dem im Bypass eine Kapazität zugeordnet ist. Eine derartige Anordnung wird beispielsweise in der CH 494 967 beschrieben. 30 current / voltage converter supplied, in which there is an amplifier, which is assigned a capacity in the bypass. Such an arrangement is described for example in CH 494 967.
Es versteht sich von selbst, dass durch den piezoelektrischen Sensor sehr kleine Ladungen erzeugt werden, die blitzschnell auf den Kondensator im Integrator transportiert werden. Je größer der Widerstand im Kabel, desto geringer ist der notwendige Ausgleichsstrom, um eventuelle Offseteingangsspannungen des Integrators auszugleichen. Dies führt zur Drift des Signals. Bei kleiner werdendem Kabelwiderstand geht ebenfalls ein Teil der erzeugten Ladung vor dem Transport in den Kondensator des Integrators verloren.It goes without saying that very small charges are generated by the piezoelectric sensor, which are transported at lightning speed to the capacitor in the integrator. The greater the resistance in the cable, the lower the necessary equalizing current to compensate for any offset input voltages of the integrator. This leads to the drift of the signal. As the cable resistance decreases, part of the charge generated is also lost before being transported to the integrator capacitor.
Dabei spielt auch die Temperatur eine Rolle. Je wärmer die Umgebung ist, desto schlimmer ist die Drift. Werden somit derartige Sensoren, beispielsweise an Spritzgießmaschinen angewendet, so ist die Reduzierung der Drift äusserst aufwendig.Temperature also plays a role here. The warmer the environment, the worse the drift. If such sensors, for example applied to injection molding machines, so the reduction of drift is extremely expensive.
Um derartig kleine Ladungen transportieren zu können, müssen die Kabel sehr hochohmig sein und zwar in einem Bereich von 1O12Q bis 1O15Q. Werden derartige Kabel nur mit dem Finger berührt, bricht der Widerstand zusammen, d.h., die Handhabung derartiger Kabel ist sehr heikel und extrem teuer.In order to be able to transport such small charges, the cables must be very high in a range of 10 12 Q to 10 15 Q. If such cables are touched only with the finger, the resistance breaks down, ie, the handling of such cables is very delicate and extremely expensive.
In der EP 0 253 016 wird eine Ladungsverstärkerschaltung bezeigt, bei der ein erster Operationsverstärker, ein Integrationskondensator zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des ersten Verstärkers und ein zweiter Verstärker vorgesehen sind, dessen Eingang mit dem Ausgang der Ladungsverstärkerschaltung und dessen Ausgang über einen Widerstand und eine Rückstelleinrichtung während der Rückstellphase mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers verbunden ist. Dabei soll die Ladungsverstärkerschaltung als Messschaltung ausgebildet sein, indem der Integrationskondensator über die Rückstelleinrichtung durch einen Widerstand überbrückbar ist, so dass der Integrationskondensator bei aktiver Rückstelleinrichtung automatisch eine Ladung entfliessen lässt, welche während der auf die Rückstellphase folgenden Nullphase die Nullpunktablage der Ausgangsspannung der Ladungsverstärkerschaltung kompensiert.In EP 0 253 016 a charge amplifier circuit is shown, in which a first operational amplifier, an integration capacitor between the inverting input and the output of the first amplifier and a second amplifier are provided, whose input to the output of the charge amplifier circuit and its output via a resistor and a reset means is connected to the inverting input of the first amplifier during the reset phase. In this case, the charge amplifier circuit should be designed as a measuring circuit by the integration capacitor can be bridged by the reset means by a resistor, so that the integration capacitor automatically flows with active restoring a charge, which during the zero phase following the reset phase, the zero offset of the output voltage of the charge amplifier circuit compensates.
Somit wird die Ladungs-/Spannungswandlung in diesem Ladungsverstärker mit einem Kondensator organisiert. Da die Integration der Funktion:Thus, the charge / voltage conversion in this charge amplifier is organized with a capacitor. Since the integration of the function:
in einem Kondensator organisiert wird, müssen die Leckströme des Kondensators, der Leitung zum Sensor und des Eingangsverstärkers sehr klein sein. Wird ein derartiger Ladungsverstärker für Messungen über längere Zeiten verwendet, so driftet das Messsignal, da sich Leckwiderstände kleiner als 1015Ω nur schwer realisieren lassen und die Eingangsverstärker einen Offset haben.in a capacitor, the leakage currents of the capacitor, the line to the sensor and the input amplifier must be very small. If such a charge amplifier is used for measurements over a longer period of time, the measurement signal drifts, since leakage resistances of less than 10 15 Ω are difficult to realize and the input amplifiers have an offset.
AUFGABETASK
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine niederohmige und driftlose Messung physikalischer Grossen mit piezoelektronischen Sensoren zu entwickeln.The object of the present invention is to develop a low-resistance and driftless measurement of physical quantities using piezoelectronic sensors.
LÖSUNG DER AUFGABESOLUTION OF THE TASK
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass die Spannung aus dem Verstärker einem digitalen Integrator zugeführt wird.To achieve the object results in that the voltage from the amplifier is supplied to a digital integrator.
Zur Verarbeitung der aus dem Verstärker zugeführten Spannung kann in dem Integrator ein Mikrorechner vorgesehen sein. Das Verfahren kann jedoch auch mit einem sogenannten „frei programmierbaren logischen Baustein", wie einem DSP, EPLD, CPLD oder STGA (free programmable date array) realisiert werden. Dieser frei programmierbare logische Baustein könnte eigenständig die Aufgabe eines Mikrorechners übernehmen, er könnte allerdings auch einen Teil des Mikrorechners darstellen. Der digitale Integrator bildet bevorzugt eine ständige Summe- der in benachbarten Zeitfenstern vorhandenen Kräftedifferenzen. Dabei berechnet der Integrator an zeitdiskreten Punkten das Integral über den Strom, wobei die unendliche Summe gebildet wird. Im Integrator wird der Zyklus eines Prozesses ermittelt und ohne eine Zyklussteuerung (Operate-Reset-Schaltung) ein quasi statischer, piezoelektrischer Verstärker aufgebaut.For processing the voltage supplied from the amplifier, a microcomputer may be provided in the integrator. However, the method can also be implemented with a so-called "freely programmable logic component" such as a DSP, EPLD, CPLD or STGA (free programmable date array) .This freely programmable logic component could independently assume the task of a microcomputer, but it could also represent a part of the microcomputer. The digital integrator preferably forms a constant sum of the force differences existing in adjacent time windows. In this case, the integrator calculates the integral over the current at time-discrete points, the infinite sum being formed. In the integrator, the cycle of a process is determined and constructed without a cycle control (Operate Reset circuit), a quasi-static, piezoelectric amplifier.
Da durch den Stromverstärker die Spannung am Sensor jeweils auf 0 Volt gehalten und keine Spannung an Kondensatoren gespeichert wird, eignet sich dieses Verfahren besonders dazu, wesentlich niederohmigere Piezosensoren am Messverstärker anzuschliessen, wobei gleichzeitig die Drift eliminierbar wird und bei Kenntnis des Prozesses ohne Reset am Druckverstärker gearbeitet werden kann. Der Stromverstärker generiert durch einen Widerstand jeweils den gleichen Strom wie der Strom, welcher vom Sensor bei Krafteinwirkung mit negativer Polarität abgegeben wird. Zwischen zwei zeitlich versetzten Zeitpunkten fliesst ein Strom, der identisch der sich in dieser Zeit geänderten Kraft verhält.Since the voltage at the sensor is held at 0 volts and no voltage is stored at capacitors by the current amplifier, this method is particularly suitable to connect much lower-resistance piezo sensors on the measuring amplifier, while the drift is eliminated and knowing the process without reset the pressure booster can be worked. The current amplifier generates by a resistor in each case the same current as the current which is emitted by the sensor when force is applied with negative polarity. Between two temporally staggered times flows a current that behaves identically to the force changed during this time.
In einem Anwendungsbeispiel ist der Widerstand in einem Bypass um einen Verstärker angeordnet. D.h., in diesem Fall ersetzt der Widerstand den bekannten Kondensator bzw. die bekannte Kapazität.In one application example, the resistor is arranged in a bypass around an amplifier. That is, in this case, the resistor replaces the known capacitor or the known capacitance.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Widerstand im Sensor integriert. Dadurch ergibt sich die interessante Möglichkeit, für alle Sensoren einen einzigen Verstärker zu verwenden, wobei keinerlei Gainkorrekturen oder Verstärkungsumschaltungen vorgenommen werden müssen. Das Prinzip besteht darin, dass am Widerstand beim Stromfluss durch die Ladung eine Spannung anliegen wird.In a further embodiment, the resistor is integrated in the sensor. This gives rise to the interesting possibility of using a single amplifier for all sensors, with no gain corrections or gain switching being necessary. The principle is that there will be a voltage across the resistor as the current flows through the charge.
Des weiteren ist in einem bevorzugten Anwendungsbeispiel vorgesehen, den Strom vor dem Strom-/Spannungswandler zu begrenzen. Dies geschieht durch einen Widerstand, welcher zwischen den Eingang und den Verstärker eingeschaltet ist. Zusätzlich kann noch vorgesehen werden, dass zwischen Eingang und Begrenzerwiderstand ein Abzweig zu einer Masse hin stattfindet, wobei in den Abzweig ein Kondensator eingeschaltet ist. Dieser Kondensator verhindert starke Stromanstiege und gestattet so geringere Abtastraten für die folgenden A/D-Wandler.Furthermore, it is provided in a preferred application example to limit the current before the current / voltage converter. This is done by a resistor, which is between the input and the amplifier is turned on. In addition, it can also be provided that a branch to a ground takes place between input and limiter resistor, wherein a capacitor is switched on in the branch. This capacitor prevents high current increases, allowing lower sample rates for the following A / D converters.
Um unterschiedlichen Empfindlichkeiten von Sensoren Rechnung zu tragen, können die Widerstände im Strom-/Spannungswandler variiert werden.In order to take into account different sensitivities of sensors, the resistances in the current / voltage converter can be varied.
Bei der Anordnung des Widerstands im Sensor können für alle Sensortypen einheitliche Ausgangssignale erzeugt werden, welches durch einen Ladungsverstärker mit nur einer einzigen Verstärkung verstärkt werden könnten, wobei der Strom-/Spannungswandler dann durch einen Spannungsverstärker ersetzt wird. Wichtig ist, daß so ebenfalls Fertigungstoleranzen der Piezokristalle elektronisch korrigiert werden können und deren Empfindlichkeit automatisch erkannt wird („PRIASED-Funktion").By arranging the resistor in the sensor, uniform output signals can be generated for all sensor types, which could be amplified by a charge amplifier with only a single gain, and the current / voltage converter is then replaced by a voltage amplifier. It is important that so also manufacturing tolerances of the piezoelectric crystals can be corrected electronically and their sensitivity is automatically detected ("PRIASED function").
Zur Verringerung des Eingangswiderstandes des piezoelektrischen Verstärkers sollen bevorzugt alle Ladungsträger sofort gegen Masse abgeleitet werden. In diesem Fall steht keine Spannung am Sensor an, welche durch Verluste im Kabel abgebaut werden kann. Der digitale Integrator nimmt die notwendige Integration vor, um Drifterscheinungen zu verhindern. To reduce the input resistance of the piezoelectric amplifier, all charge carriers should preferably be immediately dissipated to ground. In this case there is no voltage on the sensor, which can be reduced by losses in the cable. The digital integrator makes the necessary integration to prevent drifting.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt inFurther advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing; this shows in
Figur 1 eine blockschaltbildliche Darstellung eines erfindungsgemässesFigure 1 is a block diagram representation of an inventive
Verfahrens zur niederohmigen und driftlosen Messung physikalischer Grossen mit piezoelektronischen Sensoren;Method for low-resistance and driftless measurement of physical quantities with piezoelectronic sensors;
Figur 2 eine blockschaltbildliche Darstellung eines Einsatzgebietes des erfindungsgemässen Verfahrens nach Figur 1;Figure 2 is a block diagram representation of a field of application of the inventive method of Figure 1;
Figur 3 eine blockschaltbildliche Darstellung eines weiteren Einsatzgebietes des erfindungsgemässen Verfahrens.Figure 3 is a block diagram representation of another application of the inventive method.
Gemäss Figur 1 gelangt ein Eingangsstrom le über einen Eingang 1 von einem nicht näher dargestellten piezoelektronischen Sensor zu einem Strom- /Spannungswandler V1. Ein Leckstrom lιeCk fliesst zur Masse 2 weg.According to FIG. 1, an input current I e arrives via an input 1 from a piezoelectronic sensor not shown in detail to a current / voltage converter V 1. A leakage current flows to ground lι Eck 2 away.
Der Strom-/Spannungswandler V1 beinhaltet einen Stromverstärker 11, der gegen Masse 3 arbeitet. Ferner schliesst an ihn ein digitaler Integrator 4 an, der im wesentlichen aus einem Mikrorechner 5 gebildet ist, der wiederum an Masse 6 angeschlossen ist. Der Mikrorechner hat einen Ausgang 13 für die errechnete Spannung Ua(t), der wiederum an Masse 14 angeschlossen ist.The current / voltage converter V1 includes a current amplifier 11, which operates against ground 3. Furthermore, it is adjoined by a digital integrator 4, which is essentially formed by a microcomputer 5, which in turn is connected to ground 6. The microcomputer has an output 13 for the calculated voltage Ua (t), which in turn is connected to ground 14.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:The operation of the present invention is as follows:
Durch den nicht näher gezeigten piezoelektrischen Sensor, der beispielsweise als Drucksensor dienen kann, wird bei Aufbringen des Druckes ein Strom erzeugt und als Eingangsstrom le zum Eingang 1 geführt.By the piezoelectric sensor, not shown in detail, which can serve for example as a pressure sensor, a current is generated when applying the pressure and led to the input 1 as input current l e .
Für das System gilt: le = lr + lopv + leck _For the system: l e = l r + lopv + leak _
Der Eingangsstrom le wird dann an einem Knotenpunkt 15 aufgeteilt in den Strom Ir zum Widerstand R und den Strom lopv zu einem invertierten Eingang des Stromverstärkers 11 und lιeCk- Der Leckstrom l|ΘCk wird über die Masse 2 abgeleitet.The input current l e is then split at a node 15 in the current Ir to the resistor R and the current l opv to an inverted input of the current amplifier 11 and lι eC k- The leakage current l | ΘCk is derived via the mass 2.
Ferner muss IR > 1000 lopv sein und für kleine Meßfehler muß gelten: le > 1000 (lopv + lieck)Furthermore, IR> 1000 l must be opv and for small measurement errors the following must apply: l e > 1000 (l opv + lieck)
Der Stromverstärker 11 generiert durch den Widerstand R jeweils den gleichen Strom wie der Strom le, welcher vom Sensor bei Krafteinwirkung abgegeben wird. Zwischen zwei zeitlich versetzen Zeitpunkten fliesst ein Strom, der identisch der sich in dieser Zeit geänderten Kraft verhält.The current amplifier 11 generates by the resistor R in each case the same current as the current I e , which is emitted by the sensor upon application of force. Between two time points in time flows a current that behaves identically to the force changed during this time.
Am Ausgang des Stromverstärkers 11 ist der digitale Integrator 4 angeschlossen. Dieser arbeitet nach folgender Formel:At the output of the current amplifier 11 of the digital integrator 4 is connected. This works according to the following formula:
Gleichung 1Equation 1
tt
Ua (I) = R* Jlβ(t) dtUa (I) = R * Jl β (t) dt
Der digitale Integrator 4 ersetzt den bisher bekannten Kondensator (analoger Integrator), an dem sich die Ladung abbauen konnte. In dem Mikrorechnersystem gehen keine Werte verloren.The digital integrator 4 replaces the previously known capacitor (analog integrator), where the charge could degrade. No values are lost in the microcomputer system.
Dieser digitale Integrator 4 bildet die unendliche Summe aus den Differenzsignalen, welche zwischen jeweils zwei Zugriffszeitpunkten am Sensor gemessen werden. D.h., die Rechenoperation im Mikrorechner erfolgt nach folgender Formel: aThis digital integrator 4 forms the infinite sum of the difference signals, which are measured between two access times on the sensor. That is, the arithmetic operation in the microcomputer takes place according to the following formula: a
Gleichung 2 ^Ie(f)dt dUa(t = t2-tϊ) = R*^-^-Equation 2 ^ Ie (f) dt dUa (t = t2-tϊ) = R * ^ - ^ -
Dabei ist nicht entscheidend, ob die Kraft durch Druck über eine Fläche entsteht oder eine direkt wirkende Kraft ist. Somit ergibt sich folgende allgemeine Gleichung:It is not decisive whether the force is created by pressure over a surface or is a direct acting force. This results in the following general equation:
Gleichung 3 Equation 3
Es wird somit nur das Differenzial verstärkt, so dass später durch digitale Offsetmessung ein Leckstrom durch einen Leckwiderstand keinen Einfluss mehr haben kann. Es muss nur, wie oben erwähnt, gelten, dass der Strom durch den Leckwiderstand 100 mal kleiner ist als der Strom IR durch denThus, only the differential is amplified, so that later by digital offset measurement, a leakage current through a leakage resistance can no longer influence. It is only necessary, as mentioned above, that the current through the leakage resistance is 100 times smaller than the current I R through the
Widerstand R, damit der Messfehler < 1 % ist. Bei Offsetspannungen von 5 mV reicht so ein Isolationswiederstand von 107 Ω (also 6 Zehnerpotenzen niedriger), so dass Kabel und Sensor wesentlich günstiger ausgelegt werden können.Resistance R, so that the measurement error is <1%. With offset voltages of 5 mV an insulation resistance of 10 7 Ω (ie 6 orders of magnitude lower) is sufficient, so that the cable and sensor can be designed much cheaper.
Der im Rechner abgespeicherte Wert kann nicht driften, so dass im Gegensatz zum Stand der Technik durch Auslegung des Programms eventuelle Offseteigenschaften des Strom-/Spannungswandlers V1 eliminiert werden können. Es muß lediglich der Offset-Startwert im Analogteil digital eliminiert werden.The value stored in the computer can not drift, so that, in contrast to the prior art, any offset properties of the current / voltage converter V1 can be eliminated by designing the program. Only the offset starting value in the analog part has to be digitally eliminated.
Da durch den Strom-/Spannungswandler die Spannung am Sensor jeweils auf 0 Volt gehalten wird und keine Spannung an Kondensatoren gespeichert werden, eignet sich dieses Verfahren besonders dazu, wesentlich niederohmigere Piezosensoren am Messverstärker anzuschliessen, wobei (unabhängig von einer Kraft-/Druckänderung) gleichzeitig die Drift eliminierbar wird und bei Kenntnis des Prozesses ohne Reset am Druckverstärker gearbeitet werden kann.Since the voltage across the sensor is held at 0 volts by the current / voltage converter and no voltage is stored on capacitors, this method is particularly suitable for connecting much lower-resistance piezo sensors to the measuring amplifier, whereby (regardless of a force / pressure change) simultaneously the drift eliminable and can be worked on the intensifier with knowledge of the process without a reset.
Beispiel:Example:
Bei einem Beispielsensor mit 10pC/bar mit 4000 bar Endausschlag, der innerhalb von einer 1 ms den Vollausschlag durch einen linearen Anstieg des Drucks erreicht, würde folgender Strom während einer 1 ms fliessen:For a sample sensor with 10pC / bar with 4000 bar final deflection, which reaches the full scale within 1 ms by a linear rise in pressure, the following current would flow for 1 ms:
Gleichung 4 τ - Equation 4 τ -
Soll für dieses Beispiel der Messfehler < 0,1% sein und geht man für den Stromverstärker V1 von einem Verstärker mit ca. 5mV Offset aus, so kann der Leckwiderstand berechnet werden, der parallel dem Kabel angeschlossen sein darf.If, for this example, the measurement error is <0.1% and one starts from an amplifier with approx. 5mV offset for the current amplifier V1, the leakage resistance, which may be connected in parallel to the cable, can be calculated.
Gleichung 5Equation 5
Ie = 1000 für den Messfehler von 0,1 % Heck ~ 1Ie = 1000 for the measurement error of 0.1% tail ~ 1
Der dem Sensor dabei parallel angeschlossene Widerstand betrüge:The resistor connected in parallel with the sensor would be:
Gleichung 6Equation 6
R = Η^L = -^L = 12500Ω Reck 40OnA R = Η ^ L = - ^ L = 12500Ω stretch 40OnA
Das bedeutet, bei 5mV Offset am Eingang des neuen Druckverstärker- Verfahrens darf der Leckwiderstand des Kabels bei 12,5 KQ liegen.This means that at 5mV offset at the input of the new booster method, the leakage resistance of the cable should be 12.5 KQ.
Nach der EP 253 016 A1 muss im Vergleich hierzu der Eingangswiderstand der Schaltung mindestens 1015Q betragen. Wenn der gesamte Messbereich innert 1s überstrichen wird, so ergibt sich aus Gleichung 4:According to EP 253 016 A1, the input resistance of the circuit must be at least 10 15 Q compared to this. If the entire measuring range is swept within 1s, equation 4 results:
Gleichung 7 J - d® - ι°(Pc/bar)*mθbar dt IsEquation 7 J - d ® - ι ° (Pc / bar) * mθbar dt Is
Aus den Gleichungen 5 und 6 folgt, dass für diesen Fall der parallel der Leitung angeschlossen Leckwiderstand noch:It follows from equations 5 and 6 that in this case the leakage resistance connected in parallel to the line still:
Gleichung 8Equation 8
Heck 40OpAHeck 40OpA
sein darf.may be.
In diesem Beispiel darf für das neue Messverfahren der Eingangswiderstand um den Faktor 80 * 109 bis 80 * 106 kleiner sein.In this example, the input resistance may be smaller by a factor of 80 * 10 9 to 80 * 10 6 for the new measuring method.
Eingangswiderstände von 100MΩ sollte somit der neue Verstärker sehr leicht realisieren können, ohne dass es zu Messfehlern oder Drifterscheinungen kommen kann. Das ist Faktor 10000 niedriger als bei dem aus der EP 253 016 A1 bekannten Integrator.Input resistances of 100MΩ, the new amplifier should thus be able to realize very easily, without it can lead to measurement errors or drift phenomena. This is a factor of 10000 lower than in the case of the integrator known from EP 253 016 A1.
Auch besteht die Möglichkeit, dass der Rechner den Prozess analysiert und selbst die Entscheidung treffen kann, wann der Verstärker zu resetieren ist. Das bringt den Vorteil mit sich, dass das zu betrachtende Signal nicht mit einem digitalen Signal der Maschine zu synchronisieren ist oder ein kurzer Impuls (Flanke bei Operate oder Reset) ausreicht. In dem Einsatzgebiet gemäss Figur 2 wird ein strombegrenztes Verfahren bei Verwendung eines üblichen Sensors aber mit niederohmiger Leitung gezeigt. Dabei ist zwischen den Eingang 1 und den Strom-/Spannungswandler V1 ein Strombegrenzer 7 eingeschaltet. Dieser besteht aus einem Begrenzungswiderstand 8, zwischen dem und dem Eingang 1 sich unter Zwischenschaltung eines Kondensators 9 ein Abzweig zu einer Masse 10 hin befindet. Der Kondensator 9 und der Widerstand 8 verhindern gemeinsam starke Stromanstiege und gestatten so geringere Abtastraten.There is also the possibility that the computer analyzes the process and can decide for itself when to reset the amplifier. This has the advantage that the signal to be considered is not to be synchronized with a digital signal of the machine or a short pulse (edge on Operate or Reset) is sufficient. In the field of application according to FIG. 2, a current-limited method is shown when using a conventional sensor but with a low-impedance line. In this case, a current limiter 7 is switched on between the input 1 and the current / voltage converter V1. This consists of a limiting resistor 8, between which and the input 1 with the interposition of a capacitor 9 is a branch to a mass 10 out. The capacitor 9 and the resistor 8 together prevent strong current increases and thus allow lower sampling rates.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein für die maximal technisch möglichen Anstiegsgeschwindigkeiten in Messsystemen möglicher Kompromiss in der Richtung eingegangen, dass die Abtastrate des Integrators 4 verringert werden kann, bei trotzdem kleinem Integrationsfehler. In diesem Fall müssen aber die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Sensoren noch am Verstärker 11 eingestellt werden. Der Begrenzungswiderstand 8 verhindert ein blitzschnelles Abfliessen der Ladung in den Strom-/Spannungswandler V1 , so dass die Dynamik des Strom-/Spannungswandlers V1 etwas eingeschränkt werden kann.In this embodiment, a possible for the maximum technically possible slew rates in measuring systems compromise is taken in the direction that the sampling rate of the integrator 4 can be reduced, yet small integration error. In this case, however, the different sensitivities of the sensors still have to be set on the amplifier 11. The limiting resistor 8 prevents a lightning-fast discharge of the charge in the current / voltage converter V1, so that the dynamics of the current / voltage converter V1 can be somewhat limited.
In dem weiteren Einsatzgebiet gemäss Figur 3 liegt ein Widerstand R-i, über den eine schnelle Ableitung der Ladung erfolgt, in einem allgemein mit 12 gekennzeichneten Sensor. Eine Messbereichsumschaltung (Korrektur der Empfindlichkeit) erfolgt im Sensor 12 selbst. Da es im Verstärker 11 keine Messbereiche mehr gibt, ergibt sich die interessante Möglichkeit, für alle Sensoren nur einen einzigen Verstärker 11 zu verwenden, wobei keinerlei Gainkorrekturen oder Verstärkungsumschaltungen vorgenommen werden müssen. Erst die Zusammenschaltung von Ri mit dem Verstärker 11 bildet einen Stromverstärker. Das Prinzip besteht darin, dass am Widerstand beim Stromfluss durch die Ladung eine Spannung anliegen wird. Der digitale Integrator 4 addiert nur noch die zu den diskreten Zeitpunkten anliegenden Spannungen. _ -In the further field of use according to FIG. 3, a resistor Ri, via which a rapid discharge of the charge takes place, is located in a sensor, generally designated 12. A measuring range switchover (correction of the sensitivity) takes place in the sensor 12 itself. Since there are no measuring ranges in the amplifier 11, there is the interesting possibility of using only a single amplifier 11 for all sensors, wherein no gain corrections or amplification switches have to be made. Only the interconnection of Ri with the amplifier 11 forms a current amplifier. The principle is that there will be a voltage across the resistor as the current flows through the charge. The digital integrator 4 adds only the voltage applied at the discrete times. _ -
Hierdurch erfolgt eine Messbereichseinstellung der Messkette im Sensor und ein Ausgleich der produktionsbedingten Sensordifferenzen (automatischer Sensor- und Empfindlichkeitserkennung) sowie ein Meßbereichsabgleich. Der Korrekturfaktor des Kristalls wird ausgeglichen (prozentualer Fehler) und der Messbereich des Kristalls ist von aussen messbar.This results in a measuring range setting of the measuring chain in the sensor and a compensation of the production-related sensor differences (automatic sensor and sensitivity detection) and a measuring range adjustment. The correction factor of the crystal is compensated (percentage error) and the measuring range of the crystal can be measured from the outside.
Wird von der Gleichung 4 ausgegangen und soll dabei eine 1 -Volt-Spannung nicht überschritten werden, so wäre der Widerstand nur 25KΩ. Das bedeutet, dass bei 0,1% Messfehler der Leitung ein 25MΩ Widerstand parallel geschaltet sein dürfte, was einen für die heutigen piezoelektrischen Verstärker unvorstellbaren Wert darstellt. Kein aus dem Stand der Technik hergestellter Verstärker könnte bei einem Kabelwiderstand von 20MΩ noch Messungen vornehmen. If equation 4 is used and a 1 volt voltage is not to be exceeded, the resistance would be only 25KΩ. This means that at 0.1% measurement error of the line a 25MΩ resistor should be connected in parallel, which is a value unimaginable for today's piezoelectric amplifiers. No state-of-the-art amplifier could still measure with a 20MΩ cable resistance.
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DR. PETER WEISS & DIPL-ING. A. BRECHTDR. PETER WEISS & DIPL-ING. A. BRECHT
Patentanwälte European Patent AttomeyPatent Attorneys European Patent Attomey
Aktenzeichen: P3208/PCT Datum: 12.08.2005 W/HUReference: P3208 / PCT Date: 12.08.2005 W / HU
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Messen von physikalischen Grössen mit piezoelektrischen Sensoren, die eine Eingangsspannung (le) für einen Verstärker (11) erzeugen,1. A method for measuring physical parameters with piezoelectric sensors which generate an input voltage (l s) for an amplifier (11),
dadurch gekennzeichnet,characterized,
dass die Spannung aus dem Verstärker einem digitalen Integrator (4) zugeführt wird.that the voltage from the amplifier is supplied to a digital integrator (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Integrator (4) einen Mikrorechner (5) beinhaltet.2. The method according to claim 1, characterized in that the digital integrator (4) includes a microcomputer (5).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Integrater (4) einen frei programmierbaren logischen Baustein beinhaltet.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the digital integrator (4) includes a freely programmable logic device.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R) in einem Bypass um einen Verstärker (11) angeordnet und hierdurch ein Strom-/Spannungswandler (Vi) ausgebildet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the resistor (R) arranged in a bypass around an amplifier (11) and thereby a current / voltage converter (Vi) is formed.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (Ri) vor dem Verstärker (11) im Sensor (12) selbst angeordnet wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the resistor (Ri) in front of the amplifier (11) in the sensor (12) itself is arranged.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem auf den Verstärker (11 ) folgenden Integrator (4) eine ständige Summe der in benachbarten Zeitfenstern vorhandenen Kräftedifferenzen gebildet wird.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that in the on the amplifier (11) following integrator (4) a constant sum of the force differences existing in adjacent time windows is formed.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (4) an zeitdiskreten Punkten das Integral über den Strom berechnet, wobei die unendliche Summe gebildet wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the integrator (4) calculates the time integral discrete integral over the current, wherein the infinite sum is formed.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Integrator (4) der Zyklus eines Prozesses ermittelt und ohne eine Zyklussteuerung (Operate-Reset-Schaltung) ein quasi statischer, piezoelektrischer Verstärker aufgebaut wird.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that in the integrator (4) determines the cycle of a process and without a cycle control (Operate Reset circuit), a quasi-static, piezoelectric amplifier is constructed.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom vor dem Verstärker (11) begrenzt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the current in front of the amplifier (11) is limited.
10. Vorrichtung zum Messen von physikalischen Grossen mit piezoelektrischen Sensoren, die eine Eingangsspannung (U) für einen Verstärker (11) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstärker (11) ein digitaler Integrator (4) nachgeschaltet ist.10. Device for measuring physical quantities with piezoelectric sensors which generate an input voltage (U) for an amplifier (11), characterized in that the amplifier (11) is followed by a digital integrator (4).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den digitalen Integrator (4) ein Mikrorechner (5) integriert ist.11. The device according to claim 10, characterized in that in the digital integrator (4) a microcomputer (5) is integrated.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstärker (11) ein Bypass mit einem integrierten Widerstand (R) zugeordnet ist (Figur 2).12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that the amplifier (11) is associated with a bypass with an integrated resistor (R) (Figure 2).
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Empfindlichkeiten von Sensoren durch unterschiedliche Widerstände (R) einstellbar sind. 13. The apparatus according to claim 11, characterized in that different sensitivities of sensors by different resistors (R) are adjustable.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verstärker (11) zugeführte Strom (lOpv + heck) mindestens 100 mal kleiner als der kleinste vom Sensor kommende Eingangsstrom (le) sein muß, um Fehler kleiner 1 % zu realisieren.14. The apparatus of claim 12 or 13, characterized in that the amplifier (11) supplied current (l O pv + tail) must be at least 100 times smaller than the smallest coming from the sensor input current (l e ) to error less than 1 % to realize.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingang (1) und dem Verstärker (11) ein Widerstand (8) eingeschaltet ist.15. The device according to at least one of claims 10 to 14, characterized in that between the input (1) and the amplifier (11), a resistor (8) is turned on.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Eingang (1) und Widerstand (8) eine Leitung zu einer Masse (10) hin abzweigt, in die ein Kondensator eingeschaltet ist.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that between the input (1) and resistor (8) branches off a line to a ground (10), in which a capacitor is turned on.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingang (1) und dem Verstärker (11) ein gegen Masse abgeleiteter Widerstand (R-i) abzweigt (Figur 3).17. The apparatus of claim 10 or 11, characterized in that between the input (1) and the amplifier (11) a ground-derived resistor (R-i) branches off (Figure 3).
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Integrator (4) der Mikrorechner (5) eine Spannung (Ua(t)) nach folgender Formel errechnet:18. The device according to at least one of claims 10 to 17, characterized in that in the integrator (4) of the microcomputer (5) a voltage (U a (t)) calculated according to the following formula:
t Ua (t) = R* jU(t) dt otUa (t) = R * jU (t) dt o
19. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ladungsträger (1 , 11 , 5, 9, R-i) schnell gegen Masse (2, 3, 6, 10, 14) abgeleitet sind (Figur 2: an der virtuellen Masse 15 / Figur 3: durch den Widerstand R1). 19. The device according to at least one of claims 10 to 18, characterized in that all charge carriers (1, 11, 5, 9, Ri) are quickly derived from the ground (2, 3, 6, 10, 14) (Figure 2: to the virtual ground 15 / Figure 3: through the resistor R1).
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