EP2786097A1 - Digitaler sensor - Google Patents

Digitaler sensor

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Publication number
EP2786097A1
EP2786097A1 EP12812537.4A EP12812537A EP2786097A1 EP 2786097 A1 EP2786097 A1 EP 2786097A1 EP 12812537 A EP12812537 A EP 12812537A EP 2786097 A1 EP2786097 A1 EP 2786097A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
digital
sensor element
power supply
electrical energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12812537.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Knittel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP2786097A1 publication Critical patent/EP2786097A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D9/00—Recording measured values
    • G01D9/02—Producing one or more recordings of the values of a single variable
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/08—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for safeguarding the apparatus, e.g. against abnormal operation, against breakdown
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24428—Error prevention
    • G01D5/24447—Error prevention by energy backup

Definitions

  • the invention relates to a digital sensor having a sensor element, a digital part, a sample and hold stage and an output stage and means for storing electrical energy, wherein the sensor element, the digital part, the sample and hold stage, the output stage and the means for storing electrical energy are supplied with electrical energy by a power supply, the sensor providing at a sensor output the measured value of a subsequent electronic circuit determined by the sensor element and digitized and / or evaluated by the digital part in digital form.
  • sensors have been used for many years which can detect a large number of physical variables in the form of measured values and help to make the operation of motor vehicles safer, more efficient and more comfortable.
  • the physical quantities are initially recorded as analog measured values. For example, the detection of the mass flow and the temperature of a fluid flow, in particular in the automotive industry, of great importance, since these variables for the optimized control of
  • the digital sensors prove to be problematic, since immediately after the power failure no digital signal is available and the subsequent electronic devices switch to emergency mode as a result of the missing measured values, which as a rule is a significant factor caused deteriorated performance of the units to be controlled.
  • a reconfiguration of the digital sensor is necessary, which also takes a considerable period of time. During this period, no usable measured values of the sensor are available.
  • analog sensors In the case of analog sensors, this problem is solved by a more or less large capacitor in the supply of the power supply, which ensures a further supply of electrical energy for a certain time even with a power interruption. If the energy from the capacitor in the supply line of the power supply is no longer sufficient, the sensor element terminates the measurement of the corresponding physical quantity. In the sensor output line, however, a capacitor is also present in the case of analog sensors, which after the failure of the sensor element retains the last recorded analog measured value for a certain time and then slowly loses the applied voltage, which is proportional to the measured value. Thus, the analog sensor provides a measured value for a relatively long time after the interruption of the supply current at the sensor output, which value comes close to the last measured value detected by the sensor element. Once the supply current to the sensor is restored, the sensor can provide new readings without going through the initialization process required by the digital sensor.
  • the energy supply of the sensor can be maintained at a power interruption by a more or less large capacitor in the supply of the power supply.
  • the capacitor in the supply line of the power supply also ensures during a
  • the invention is based on the problem of specifying a digital sensor which supplies usable measurements of the physical variable to be measured for as long as possible even after an interruption of the supply of the supply current.
  • Fig. 1 shows an analog sensor in a schematic
  • Presentation, 2 shows a digital sensor in a schematic representation
  • FIG. 4 shows a digital sensor with a gas sensor element.
  • Figure 1 shows an analog sensor 1 with a sensor element 3 in a schematic representation.
  • the sensor element 3 is connected to a power supply line 4, which is connected to a
  • Power supply 19 is connected. Connected to the power supply line 4 is a first capacitor 5 which separates the power supply line 4 from a ground 6. This first capacitor 5 is charged by the power supply 19.
  • the first capacitor 5 may be provided with a relatively high capacity so that it can store a large amount of electric power. If the power supply 19 fails or temporarily fails, the electrical energy stored in the first capacitor 5 can be used to supply the sensor element 3. So that the sensor 1 can continue to record measured values even in the event of a power supply failure 19 and via the signal line 7 of a downstream electronic unit, not shown here, for example.
  • B. provide an engine control unit in a motor vehicle.
  • the analog sensor 1 can continue to operate only for a certain time after the failure of the power supply 19 and detect measured values.
  • the sensor element 3 can no longer be operated and then no signals can be supplied to a subsequent electronics.
  • a second capacitor 8, which in this example is connected between the signal line 7 and the ground 6, is connected to the signal line 7.
  • This second capacitor 8 is assume an electrical potential that largely corresponds to the measured value, which is measured by the sensor element 3 and is supplied as a voltage value to the signal line 7.
  • the sensor element 3 no longer supplies any measured values to the signal line 7. Nevertheless, the potential delivered by the second capacitor 8, which largely corresponds to that, is applied to the signal line 7 last voltage value and thus the last measured value of the sensor element 3 corresponds. The potential delivered by the second capacitor 8 will thereafter only slowly decrease and approach the ground potential, whereby even after the failure of the sensor element 3 for a certain time a signal is applied to the signal line 7, which largely corresponds to the last signal that supplied the sensor element 3 Has. For this purpose, the second capacitor 8 in the
  • Signal line 7 in the analog sensor 2 has a time constant of about 10 to 100 seconds and the capacitance of this capacitor is correspondingly high.
  • the subsequent electronics, z As a control device in a motor vehicle, still a relatively long time continue to work after the power supply 19 of the analog sensor 1 has been interrupted.
  • the analog sensor is usually very quickly ready to measure again and he can supply signals corresponding to the physical quantity to be measured to the signal line 7 and thus control the subsequent electronics in the motor vehicle.
  • Fig. 2 shows a digital sensor 2.
  • the digital sensor 2 is composed of a sensor element 3, a digital part 10, a
  • the digital sensor 2 may include other digital and analog circuit elements.
  • the sensor element 3 detects a physical quantity and makes measurements corresponding to the size available in analog form. As a rule, the measured values are provided in the form of an electrical voltage which is proportional to the measured quantity.
  • This electrical In the digital sensor 2 voltage is converted from its analog form into a digital form, which takes place in the digital part 10.
  • an analog-to-digital converter is present in the digital part 10.
  • the operation of analog-to-digital converters is known in the art.
  • the analog-to-digital converter provides a digital signal that is proportional to the analog input. This digital signal is supplied by the digital part to the sample and hold stages. In the sample and hold stage, the digital signal is stored until a new digital signal from the digital part 10 is made available.
  • Output stage 12 sends the digital signal via the signal line 7 to a subsequent electronics, z. B. a control device in a motor vehicle.
  • the power supply line 4 connects the digital sensor 2 to a power supply 19.
  • the power supply line 4, the sensor element 3, the digital part 10, the sample and hold stage 11 and the output stage 12 is supplied with electrical energy.
  • the power supply line 4 is connected to a first capacitor 5, which stores electrical energy and thus serves as a means 5 for storing electrical energy.
  • other means 5 for storing electrical energy are conceivable, for example batteries or accumulators.
  • the power supply 19 fails, the electric energy stored in the electrical energy storage means can be used to supply the sensor element 3, the digital part 10, the sample and hold stage 11 and the output stage 12 with electrical energy. In this way, even if the power supply 19 fails, the digital sensor 2 can continue to operate for some time and deliver measured values until the energy in the means 5 for storing the electrical energy, that is to say in the first capacitor 5 in this exemplary embodiment, is also used up.
  • a second capacitor 8 in the Signal line 7 of the digital sensor 2 after failure of the sensor element 3 no signals that correspond to the last measured value to send via the signal line 7 to the subsequent vehicle electronics.
  • the signals that are sent from the digital sensor 2 via the signal line 7 to the subsequent vehicle electronics are exclusively digital signals, ie bit sequences that can not be reproduced by the second capacitor 8.
  • the second capacitor 8 in the signal line 7 has the digital sensor 2 only the function of interference suppression of the signal line 7, whereby the time constant for the second capacitor 8 in the signal line 7 of the digital sensor 2 is about 10 to 100 sec and the capacitance of this capacitor is correspondingly low.
  • the digital sensor 2 breaks completely and does not provide any information about the signal line to the subsequent motor vehicle electronics.
  • the following motor vehicle electronics must be controlled in such a case in an emergency program, which leads to a significantly deteriorated control of the units to be controlled, for. B. of the internal combustion engine leads.
  • the sensor element 3 of the digital sensor z. B. is designed as a mass flow sensor element 13, which operates on the hot film principle consumes this sensor element 3, 13 a lot of electrical energy, so that stored in the means 5 for storing electrical energy electrical energy is used up very soon after the power supply 19 has been interrupted or failed. This can z. B. a digital mass flow sensor continue to work only for a very short time until it completely stops its service after a power failure.
  • the sensor element 3 shows a digital sensor 2 according to the invention with a sensor element 3, a digital part 10, a sample and hold stage 11 and an output stage 12.
  • the sensor element 3 is designed as a mass flow sensor element 13.
  • mass flow sensor elements 13 are known and are described for example in EP 374 352 AI and EP 866 950 Bl.
  • Modern mass flow sensor elements 13 are manufactured micromechanically and can be formed as part of an integrated circuit together with the digital part 10, the sample and hold stage 11 and the output stage 12 on a single silicon chip. Recognizable in the digital sensor 2 is again the power supply line 4, which connects the digital sensor 2 to the power supply 19.
  • the means 5 for storing electrical energy in the form of a capacitor is formed.
  • a switch 9 can be seen, which is usually designed as an electronic switch and has the task in case of failure of the power supply components with a high power consumption, such. B. the sensor element 3, to be separated from the means 5 for storing the electrical energy.
  • the switch 9 thus ensures that only those components of the digital sensor 2 continue to be supplied with electrical energy which is absolutely necessary in order, after a failure of the power supply 19, to continue the last measured value stored in the sample and hold stage 11 to the Signal line to send until the failure of the power supply 19 is completed and a new reading is stored in the sample and hold stage 11 of the sensor element 3.
  • the switch 9 disconnects the mass flow sensor element 13 and the digital part 10 from the electric power storage means 5 Energy off.
  • the means 5 for storing electrical energy only the sample and hold stage 11 and the output stage 12 must continue to provide electrical energy. Since the sample and hold stage 11 and the output stage 12 consume comparatively little electrical energy, the means 5 for storing electrical energy over a relatively long time, the power supply of the sample and hold stage 11 and the output stage 12 after failure of the power supply 19.
  • the last detected by the sensor element 3 and stored in the sample and hold stage 11 measured value can thus be made available over a long time in the signal line 7 and serve to control a subsequent electronic circuit.
  • This subsequent electronic circuit can, for. B. be an engine control unit in a motor vehicle.
  • the second capacitor 8 shown here again serves only for
  • FIG. 4 shows a digital sensor 2 with all the features of the digital sensor of Fig. 3, wherein in Fig. 4, the sensor element is formed as a gas sensor element 14.
  • the sensor element can also be designed as a pressure sensor element, temperature sensor element, position sensor element or rotational speed sensor element. It is also conceivable that a combination of two or more of the aforementioned sensor elements are formed on the digital sensor.

Landscapes

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen digitalen Sensor mit einem Sensorelement, einem Digitalteil, einer Sample- und Hold-Stufe und einer Ausgangsstufe sowie mit Mitteln zur Speicherung elektrischer Energie, wobei das Sensorelement, das Digitalteil, die Sample- und Hold-Stufe, die Ausgangsstufe und die Mittel zur Speicherung elektrischer Energie durch eine Stromversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei der Sensor an einem Sensorausgang den von dem Sensorelement ermittelten und von dem Digitalteil digitalisierten und/oder ausgewerteten Messwert einer nachfolgenden elektronischen Schaltung in digitaler Form zur Verfügung stellt. Um einen digitalen Sensor anzugeben, der auch nach einer Unterbrechung der Zufuhr des Versorgungs Stromes möglichst lange verwendbare Messwerte der zu messenden physikalischen Größe liefert, werden bei einem Ausfall der Stromversorgung (19) die Sample- und Hold-Stufe (11) und die Ausgangsstufe (12) durch die Mitteln (5) zur Speicherung elektrischer Energie mit Strom versorgt, wobei von der Ausgangsstufe (12) der zuletzt in der Sample- und Hold-Stufe (11) abgelegte Messwert so lange in der Signalleitung (7) zur Verfügung gestellt wird, bis der Ausfall der Stromversorgung (19) beendet ist und ein neuer Messwert in der Sample- und Hold-Stufe (11) abgelegt ist und wobei bei einem Ausfall der Stromversorgung (19) dem Sensorelement (3) kein elektrischer Strom aus den Mitteln (5) zur Speicherung elektrischer Energie zugeführt wird.

Description

Beschreibung
Digitaler Sensor Die Erfindung betrifft einen digitalen Sensor mit einem Sensorelement, einem Digitalteil, einer Sample- und Hold-Stufe und einer Ausgangsstufe sowie mit Mitteln zur Speicherung elektrischer Energie, wobei das Sensorelement, das Digitalteil, die Sample- und Hold-Stufe, die Ausgangsstufe und die Mittel zur Speicherung elektrischer Energie durch eine Stromversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei der Sensor an einem Sensorausgang den von dem Sensorelement ermittelten und von dem Digitalteil digitalisierten und/oder ausgewerteten Messwert einer nachfolgenden elektronischen Schaltung in digitaler Form zur Verfügung stellt.
Zum Beispiel in der Automobiltechnik werden seit vielen Jahren Sensoren eingesetzt, die eine Vielzahl physikalischer Größen in Form von Messwerten erfassen können und dazu beitragen den Betrieb von Kraftfahrzeugen sicherer, effizienter und komfortabler zur gestalten. Die physikalischen Größen werden dabei zunächst als analoge Messwerte erfasst. Beispielsweise ist die Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes, insbesondere in der Automobilindustrie, von hoher Bedeutung, da diese Größen zur optimierten Steuerung von
Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen benötigt werden. Bis lang wurden die von Sensoren zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes ermittelten Werte dem Motorsteuergerät im Kraftfahrzeug auch in analoger Form zur Verfügung gestellt. Analoge Signale haben jedoch den Nachteil, dass sie störanfällig sind und zum Beispiel durch elektromagnetische Störfelder erheblich verfälscht werden können. Daher ist eine Digitalisierung der von den Sensorelementen ermittelten analogen Messwerte noch im Sensor selber vorteilhaft. Dies geschieht mit Analog/Digital-Wandlern, die im Sensor selber in einem Digitalteil angeordnet sein können. Bei einem Ausfall der Stromversorgung des Sensors erweisen sich die digitalen Sensoren jedoch als problematisch, da sofort nach dem Stromausfall kein digitales Signal mehr zur Verfügung steht und die nachfolgenden elektronischen Geräte infolge der feh- lenden Messwerte in den Notlaufmodus schalten, der in der Regel eine wesentlich verschlechterte Leistung der zu steuernden Aggregate verursacht. Zudem ist nach der Stromunterbrechung eine Rekonfiguration des digitalen Sensors notwendig, die ebenfalls einen nicht unerheblichen Zeitraum beansprucht. In diesem Zeitraum liegen keine verwertbaren Messwerte des Sensors vor.
Bei analog arbeitenden Sensoren wird dieses Problem durch einen mehr oder weniger großen Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung gelöst, der auch bei einer Stromunterbrechung für eine gewisse Zeit für eine weitere Zufuhr elektrischer Energie sorgt . Wenn die Energie aus dem Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung nicht mehr ausreicht, beendet das Sensorelement die Vermessung der entsprechenden physikalischen Größe. In der Leitung des Sensorausgangs ist bei analogen Sensoren jedoch ebenfalls ein Kondensator vorhanden, der nach dem Ausfall des Sensorelements den zuletzt erfassten analogen Messwert noch eine gewisse Zeit beibehält und dann langsam die anliegende Spannung, die proportional zum Messwert ist, verliert. Damit stellt der analoge Sensor noch eine relativ lange Zeit nach der Unterbrechung des Versorgungs Stroms am Sensorausgang einen Messwert zur Verfügung, der dem letzten vom Sensorelement erfassten Messwert nahe kommt. Sobald die Zufuhr des Versorgungsstroms zum Sensor wieder hergestellt ist, kann der Sensor neue Messwerte liefer, ohne den beim digitalen Sensor notwendigen Prozess der Initialisierung zu durchlaufen.
Auch bei digital arbeitenden Sensoren kann die Energieversorgung des Sensors bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr durch einen mehr oder weniger großen Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung aufrecht erhalten werden. Der Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung sorgt auch während einer
Stromunterbrechung für eine gewisse Zeit für eine weitere Zufuhr elektrischer Energie. Da aber viele Sensorelemente (zum Beispiel Luftmassenmesser auf der Basis von Heißfilmelementen) sehr viel elektrische Energie verbrauchen, ist der Vorrat an elektrischer Energie im Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung rasch aufgebraucht. Da der digitale Sensor an seinem Sensorausgang die Messwerte zu den physikalischen Größen in digitaler Form (also zum Beispiel als Bitfolge) zur Verfügung stellt, kann ein Kondensator in der Leitung des Sensorausgangs das letzte gemessene Signal nicht aufrecht erhalten. Sobald also nach der Versorgungsstromunterbrechung die elektrische Energie aus dem Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung aufgebraucht ist, bricht der gesamte Sensor zusammen und es steht der nachfolgenden Elektronik überhaupt kein Messwert mehr zur Verfügung. In solchen Situationen läuft in der nachfolgenden Elektronik ein Notlaufprogramm an, was zu wesentlich verschlechterten Leistungen der zu steuernden Aggregate führt. Zudem dauert ein Neustart eines abgeschalteten digitalen Sensors relativ lange, womit das Notlaufprogramm relativ lange notwendig ist .
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen digitalen Sensor anzugeben, der auch nach einer Unterbrechung der Zufuhr des Versorgungsstromes möglichst lange verwendbare Messwerte der zu messenden physikalischen Größe liefert.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in :
Fig. 1 einen analogen Sensor in einer schematisierten
Darstellung, Fig. 2 einen digitalen Sensor in einer schematisierten Darstellung,
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen digitalen Sensor,
Fig. 4 einen digitalen Sensor mit einem Gassensorelement.
Figur 1 zeigt einen analogen Sensor 1 mit einem Sensorelement 3 in einer schematisierten Darstellung. Das Sensorelement 3 ist mit einer Stromversorgungsleitung 4 verbunden, die an eine
Stromversorgung 19 angeschlossen ist. Mit der Stromversorgungsleitung 4 ist ein erster Kondensator 5 verbunden, der die Stromversorgungsleitung 4 von einer Masse 6 trennt. Dieser erste Kondensator 5 wird von der Stromversorgung 19 aufgeladen. Der erste Kondensator 5 kann mit einer relativ hohen Kapazität ausgestattet sein, so dass er eine große Menge elektrischer Energie speichern kann. Falls die Stromversorgung 19 ausfällt oder vorrübergehend versagt, kann die im ersten Kondensator 5 gespeicherte elektrische Energie zur Versorgung des Sensor- elements 3 verwendet werden. Damit kann der Sensor 1 auch bei einem Ausfall der Stromversorgung 19 weiterhin Messwerte aufnehmen und über die Signalleitung 7 einer hier nicht dargestellten nachfolgenden Elektronik, z. B. einem Motorsteuergerät in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stellen.
Da der Vorrat an elektrischer Energie im ersten Kondensator 5 begrenzt ist, kann der analoge Sensor 1 nur eine gewisse Zeit nach dem Ausfall der Stromversorgung 19 weiter arbeiten und Messwerte erfassen. Wenn der Vorrat an elektrischer Energie im ersten Kondensator 5 aufgebraucht ist, kann das Sensorelement 3 nicht mehr betrieben werden und dann kann auch keine Signale mehr an eine nachfolgende Elektronik geliefert werden. Um dennoch der nachfolgenden Elektronik einen Messwert zur Verfügung zu stellen, der weitgehend dem letzten Messwert des Sensorelementes 3 entspricht, ist mit der Signalleitung 7 ein zweiter Kondensator 8 verbunden, der in diesem Beispiel zwischen die Signalleitung 7 und die Masse 6 geschaltet ist. Dieser zweite Kondensator 8 wird ein elektrisches Potential annehmen, das weitgehend dem Messwert entspricht, der von dem Sensorelement 3 gemessen wird und als Spannungswert an die Signalleitung 7 geliefert wird. Wenn jedoch die Stromversorgung 19 ausgefallen ist und der Vorrat an elektrischer Energie im ersten Kondensator 5 aufgebraucht ist, liefert das Sensorelement 3 keine Messwerte mehr an die Signalleitung 7. Dennoch liegt an der Signalleitung 7 das vom zweiten Kondensator 8 gelieferte Potential an, das weitgehend dem letzten Spannungswert und damit dem letzten Messwert des Sensorelementes 3 entspricht. Das vom zweiten Kondensator 8 gelieferte Potential wird danach nur langsam abfallen und sich dem Massepotential annähern, womit auch nach dem Ausfall des Sensorelementes 3 für eine gewisse Zeit ein Signal an der Signalleitung 7 anliegt, das weitgehend dem letzten Signal entspricht, das das Sensorelement 3 geliefert hat. Hierzu hat der zweite Kondensator 8 in der
Signalleitung 7 bei dem analogen Sensor 2 eine Zeitkonstante von etwa 10 bis 100 sec und die Kapazität dieses Kondensators ist entsprechend hoch. Damit kann die nachfolgende Elektronik, z. B. ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, noch eine relativ lange Zeit weiterarbeiten, nachdem die Stromversorgung 19 des analogen Sensors 1 unterbrochen wurde.
Wenn dann die Stromversorgung 19 wiederhergestellt wurde, ist der analoge Sensor in der Regel sehr schnell wieder messbereit und er kann Signale, die der zu vermessenden physikalischen Größe entsprechen, an die Signalleitung 7 liefern und damit die nachfolgenden Elektronik im Kraftfahrzeug ansteuern.
Fig. 2 zeigt einen digitalen Sensor 2. Der digitale Sensor 2 setzt sich aus einem Sensorelement 3, einem Digitalteil 10, einer
Sample- und Holdstufe 11 und einer Ausgangsstufe 12 zusammen. Der digitale Sensor 2 kann noch weitere digitale und analoge Schaltungselemente enthalten. Das Sensorelement 3 erfasst eine physikalische Größe und stellt der Größe entsprechende Messwerte in analoger Form zur Verfügung. In der Regel werden die Messwerte in Form einer elektrischen Spannung zur Verfügung gestellt, die proportional zur gemessenen Größe ist. Diese elektrische Spannung wird im digitalen Sensor 2 aus ihrer analogen Form in eine digitale Form gewandelt, was im Digitalteil 10 erfolgt . Dazu ist im Digitalteil 10 ein Analog-Digital-Wandler vorhanden. Die Arbeitsweise von Analog-Digital-Wandlern ist dem Fachmann bekannt. Der Analog-Digital-Wandler stellt ein digitales Signal zur Verfügung, das zur analogen Eingangsgröße proportional ist. Dieses digitale Signal wird vom Digitalteil an die Sample- und Holdstufe geliefert. In der Sample- und Holdstufe wird das digitale Signal solange eingespeichert, bis ein neues digitales Signal vom Digitalteil 10 zur Verfügung gestellt wird. Die
Ausgangs stufe 12 sendet das digitale Signal über die Signalleitung 7 an eine nachfolgende Elektronik, z. B. ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug. Die Stromversorgungsleitung 4 verbindet den digitalen Sensor 2 mit einer Stromversorgung 19. Mithilfe der Stromversorgungsleitung 4 wird das Sensorelement 3, das Digitalteil 10, die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangsstufe 12 mit elektrischer Energie versorgt. Auch bei dem digitalen Sensor 2 ist die Stromversorgungsleitung 4 mit einem ersten Kondensator 5 verbunden, der elektrische Energie speichert und damit als Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie dient. Neben einem Kondensator 5 sind auch andere Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie denkbar, zum Beispiel Batterien oder Akkumulatoren. Beim Ausfall der Stromversorgung 19 kann die im Mittel zur Speicherung elektrischer Energie gespeicherte elektrische Energie genutzt werden, um das Sensorelement 3, das Digitalteil 10, die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangsstufe 12 mit elektrischer Energie zu versorgen. Damit kann der digitale Sensor 2 auch bei einem Ausfall der Stromversorgung 19 noch eine gewisse Zeit weiter arbeiten und Messwerte liefern, bis auch die Energie in dem Mittel 5 zur Speicherung der elektrischen Energie, also in diesem Ausführungsbeispiel im ersten Kondensator 5, aufgebraucht ist.
Entgegen der Lösung beim analogen Sensor 1, die in Fig. 1 dargestellt wurde, kann ein zweiter Kondensator 8 in der Signalleitung 7 des digitalen Sensors 2 nach dem Ausfall des Sensorelementes 3 keine Signale, die dem letzten Messwert entsprechen, über die Signalleitung 7 an die nachfolgende Fahrzeugelektronik senden. Die Signale, die vom digitalen Sensor 2 über die Signalleitung 7 an die nachfolgende Fahrzeugelektronik gesendet werden, sind ausschließlich digitale Signale, also Bitfolgen, die von dem zweiten Kondensator 8 nicht reproduziert werden können. Der zweite Kondensator 8 in der Signalleitung 7 hat beim digitalen Sensor 2 lediglich die Funktion der Entstörung der Signalleitung 7, womit die Zeitkonstante für den zweiten Kondensator 8 in der Signalleitung 7 des digitalen Sensors 2 bei etwa 10 bis 100 sec liegt und die Kapazität dieses Kondensators entsprechend gering ist. Nach dem Ausfall der Stromversorgung 19 und dem erschöpfenden Verbrauch der gespeicherten elektrischen Energie im ersten Kondensator 5 bricht der digitale Sensor 2 vollständig zusammen und liefert keinerlei Information über die Signalleitung an die nachfolgende Kraftfahrzeugelektronik. Die nachfolgende Kraftfahrzeugelektronik muss in einem solchen Fall in ein Notlaufprogramm gesteuert werden, das zu einer wesentlich verschlechterten Ansteuerung der zu steuernden Aggregate, z. B. des Verbrennungsmotors führt. Wenn das Sensorelement 3 des digitalen Sensors z. B. als Massenstromsensorelement 13 ausgebildet ist, das nach dem Heißfilmprinzip arbeitet, verbraucht dieses Sensorelement 3, 13 sehr viel elektrische Energie, womit die in dem Mittel 5 zur Speicherung der elektrischen Energie gespeicherte elektrische Energie sehr bald aufgebraucht ist, nachdem die Stromversorgung 19 unterbrochen wurde oder ausgefallen ist. Damit kann z. B. ein digitaler Massenstromsensor nur eine sehr kurze Zeit weiterarbeiten, bis er nach einem Stromausfall seinen Dienst vollständig einstellt.
Auch wenn danach die Stromversorgung 19 wiederhergestellt ist, muss der digitale Sensor 2 erst erneut initialisiert werden, wobei wiederum Zeit verbraucht wird, bis ein der zu messende Größe proportionales Signal über die Signalleitung 7 zur Verfügung gestellt wird. Damit wirken sich Ausfälle der Stromversorgung 19 auf einen digitalen Sensor 2 wesentlich nachhaltiger aus als auf einen analogen Sensor 1.
Diese Nachteile werden durch einen in Fig. 3 dargestellten digitalen Sensor 2 vermieden.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen digitalen Sensor 2 mit einem Sensorelement 3, einem Digitalteil 10, einer Sample- und Holdstufe 11 und einer Ausgangsstufe 12. Das Sensorelement 3 ist in diesem Beispiel als Massenstromsensorelement 13 ausgebildet. Derartige Massenstromsensorelemente 13 sind bekannt und werden beispielsweise in der EP 374 352 AI und der EP 866 950 Bl beschrieben. Moderne Massenstromsensorelemente 13 werden mikromechanisch gefertigt und können als Bestandteil einer integrierten Schaltung zusammen mit dem Digitalteil 10, der Sample- und Holdstufe 11 und der Ausgangsstufe 12 auf einem einzigen Siliziumchip ausgebildet sein. Zu erkennen ist bei dem digitalen Sensor 2 wiederum die Stromversorgungsleitung 4, die den digitalen Sensor 2 mit der Stromversorgung 19 verbindet. An der Stromversorgungsleitung 4 ist das Mittel 5 zu Speicherung elektrischer Energie in Form eines Kondensators ausgebildet. Weiterhin ist in der Stromversorgungsleitung 4 ein Schalter 9 zu erkennen, der in der Regel als elektronischer Schalter ausgebildet ist und der die Aufgabe hat bei einem Ausfall der Stromversorgung Bauteile mit einem hohen Stromverbrauch, wie z. B. das Sensorelement 3, von den Mitteln 5 zur Speicherung der elektrischen Energie abzutrennen. Der Schalter 9 gewährleistet somit, dass nur diejenigen Bauteile des digitalen Sensors 2 weiterhin mit elektrischer Energie versorgt werden, die un- bedingt notwendig sind, um nach einem Ausfall der Stromversorgung 19 weiterhin den letzten in der Sample- und Holdstufe 11 abgelegten Messwert solange an die Signalleitung zu senden, bis der Ausfall der Stromversorgung 19 beendet ist und ein neuer Messwert in der Sample- und Holdstufe 11 von den Sensorelement 3 abgelegt ist. In diesem Beispiel trennt der Schalter 9 beim Ausfall der Stromversorgung das Massenstromsensorelement 13 und das Digitalteil 10 von den Mitteln 5 zur Speicherung elektrischer Energie ab. Damit müssen die Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie lediglich die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangs stufe 12 weiterhin mit elektrischer Energie versorgen. Da die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangsstufe 12 vergleichsweise wenig elektrische Energie verbrauchen, kann das Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie über eine relativ lange Zeit die Stromversorgung der Sample- und Holdstufe 11 und der Ausgangsstufe 12 nach dem Ausfall der Stromversorgung 19 gewährleisten. Der letzte von dem Sensorelement 3 ermittelte und in der Sample- und Holdstufe 11 abgelegte Messwert kann damit über eine lange Zeit in der Signalleitung 7 zur Verfügung gestellt werden und zur Ansteuerung einer nachfolgenden elektronischen Schaltung dienen. Diese nachfolgende elektronische Schaltung kann z. B. ein MotorSteuergerät in einem Kraftfahrzeug sein. Der hier gezeigte zweite Kondensator 8 dient wiederum nur zur
Verbesserung der elektromagnetischen Eigenschaften der Signalleitung 7 und er hat keinerlei Einfluss auf die Aufrechterhaltung von binären Ausgangssignalen in der Signalleitung 7. Fig. 4 zeigt einen digitalen Sensor 2 mit allen Merkmalen des digitalen Sensors aus Fig. 3, wobei in Fig. 4 das Sensorelement 3 als Gas sensorelement 14 ausgebildet ist. Das Sensorelement kann jedoch auch als Drucksensorelement, Temperatursensorelement, Positionssensorelement oder Drehzahlsensorelement ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass ein Kombination aus zwei oder mehr der zuvor genannten Sensorelemente auf dem digitalen Sensor ausgebildet sind.

Claims

Digitaler Sensor (2) mit einem Sensorelement (3), einem Digitalteil (10), einer Sample- und Hold-Stufe (11) und einer Ausgangsstufe (12) sowie mit Mitteln (5, 8) zur Speicherung elektrischer Energie, wobei das Sensorelement (3), das Digitalteil (10), die Sample- und Hold-Stufe (11), die Ausgangsstufe (12) und die Mittel (5) zur Speicherung elektrischer Energie über eine Stromversorgungsleitung (4) und durch eine Stromversorgung (19) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei der Sensor (2) an einem Sensorausgang (20) den von dem Sensorelement (3) ermittelten und von dem Digitalteil (10) digitalisierten und/oder ausgewerteten Messwert einer nachfolgenden elektronischen Schaltung in digitaler Form zur Verfügung stellt, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einem Ausfall der Stromversorgung (19) die Sample- und Hold-Stufe (11) und die Ausgangs stufe (12) durch die Mitteln (5) zur Speicherung elektrischer Energie mit Strom versorgt werden, wobei von der Ausgangsstufe (12) der zuletzt in der Sample- und Hold-Stufe (11) abgelegte Messwert so lange in der Signalleitung (7) zur Verfügung gestellt wird, bis der Ausfall der Stromversorgung (19) beendet ist und ein neuer Messwert in der Sample- und Hold-Stufe (11) abgelegt ist und wobei bei einem Ausfall der Stromversorgung (19) dem Sensorelement (3) kein elektrischer Strom aus den Mitteln (5) zur Speicherung elektrischer Energie zugeführt wird.
Digitaler Sensor (2) nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (3) ein Massenstromsensorelement (13) ist.
Digitaler Sensor (2) nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (3) ein Gassensorelement (14) ist. Digitaler Sensor (2) nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (3) ein Drucksensorelement (15) ist.
Digitaler Sensor (2) nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (3) ein Temperatursensorelement (16) ist.
Digitaler Sensor (2) nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (3) ein Positionssensorelement (17) ist.
Digitaler Sensor (2) nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (3) ein Drehzahlsensorelement (18) ist.
Digitaler Sensor (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel (5) zur Speicherung elektrischer Energie in oder an der Stromversorgungsleitung (4) angeordnet sind.
Digitaler Sensor (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel (5) zur Speicherung elektrischer Energie mindestens einen Kondensator umfassen.
Digitaler Sensor (2) nach Anspruch 8 oder 9, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Stromversorgungsleitung (4) ein Schalter (9) angeordnet ist, der bei einem Ausfall der Stromversorgung (19) ausschließlich die Sample- und Hold-Stufe (11) und die Ausgangsstufe (12) mit den Mitteln (5) Speicherung elektrischer Energie verbindet .
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