JP3754668B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサと、分離可能な接続ケーブルを介してセンサに接続された評価ユニットと、この評価ユニットを介して問合せ可能である、センサに付設されセンサに関連するデータを有する記憶ユニットとを備えた測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような測定装置は今日では多彩な方法で使用され、それぞれのタスクに適合したセンサによって、機械的、電気的、物理的および化学的な量を表すために、広い範囲の測定値を検出および評価することを可能にする。特に例えば調査タスクや開発タスクに関連して、その際使用されるセンサは今日では、関連する測定結果を得ることができるようにするために、接続された評価ユニットをそれぞれ接続されたセンサに正確にかつ個別的に適合させることが絶対に必要であるように、既に特殊化され、独立している。
【０００３】
例えば、内燃機関の燃焼室圧力または燃焼室温度を測定または監視するテストベンチで使用されるような圧電センサまたはピエゾ抵抗センサと関連して、測定を正しく行うために必ず考慮すべきであるセンサに関連する多くのデータがある。センサに関連するこのデータは例えば測定範囲、共振特性、温度ドリフト、較正に関するデータおよびこのようなセンサを個別的に表し、センサの寿命の途中で変化し得る類似のデータを含んでいる。センサに関連するこのデータはその都度センサに付設されたデータシートによって検出され、それによってセンサの使用の際またはそれぞれの測定装置に組み込む際に適切に考慮することが可能である。これは、例えば内燃機関のテストベンチで使用する際に本日まで、操作人が然るべきパラメータを評価ユニットに手動で入力することによって行われる。これは勿論時間がかかり、エラーを生じやすい。これは特に、測定タスクの途中で例えば変化した測定範囲を測定するために、使用されるセンサを頻繁に交換する必要があるときに不利である。
【０００４】
最近はいろいろな分野で、マイクロチップまたはマイクロプロセッサの形をした記憶ユニットをセンサに使用することによって類似の問題を解決しようとしている。この記憶ユニットには、センサに関連するデータが、センサを接続または運転する際に外部から評価ユニットを経て問合せ可能な方法で記憶されている。これについては例えば特許文献１または特許文献２を参照されたし。このような装置は記憶ユニットの種類や記憶容量に応じて、センサに関連するデータの比較的に容易な読み込みおよび読み出しを可能にするがしかし、適合した公知のすべての記憶ユニットの比較的に高い感度が用途を非常に制限するという欠点がある。例えばこのような装置は比較的に低い周囲温度（通常は約８５°Ｃ、特殊装置は最高で約２５０°Ｃ）でしか運転できない。更に、強い振動または衝撃のような負荷等を回避すべきである。その結果、それ自体簡単なこのような装置の使用は、非常に制限され、例えば上述の内燃機関のテストベンチの範囲では不可能である。というのは、例えば燃焼室圧力センサの場合、センサの温度が４００°Ｃに達し、強い振動負荷を生じるからである。
【０００５】
【特許文献１】
独国特許出願公開第３９０２７６７号公報
【０００６】
【特許文献２】
米国特許第５，０２５，６５３号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の使用に関する上述の欠点を回避し、測定時にセンサに関連するデータを簡単かつ容易に考慮することができる、冒頭に述べた種類の測定装置を改良することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はこの課題を解決するために、次の考察から出発する。使用現場で事情によって（特に内燃機関用テストベンチに関連する上記の測定タスクの場合に）生じるきびしい周囲条件（高い温度、振動等）を考慮して、専門家は先ず最初に、上記の技術水準に従って、センサ内に設けられた記憶ユニットを、熱的な分離、独立した冷却、振動伝達阻止および類似の手段によって、この不所望な周囲の影響から遮蔽することを提案した。これはしかし、供されるスペースやセンサの取扱操作性の理由から、実際には妥当でないステップである。従って、次のステップとして、記憶ユニットをセンサの外に取付けてきびしい周囲影響因子の範囲の外に置く方法が存在する。これは、その場合接続ケーブルを介して分離可能に接続されたセンサが許容されず、常に記憶ユニット内でセンサに関連するデータによって表されるセンサになるという欠点がある。これらのことを考慮して、本発明では、記憶ユニットがセンサの外側に配置され、記憶ユニットに相関可能なセンサ認識能力を有する識別ユニットがセンサ内またはセンサ上に設けられている。それによって、記憶ユニットの重要な基本機能が事実上分割される。きびしい周囲条件に左右されない、識別データ（例えば簡単な２進コード）の非常に少ない簡単な要素が物理的にセンサに固定接続されたままであり、センサに関連するそのほかのデータ（例えば感度曲線、較正データ等）が分離された記憶ユニットに設けられる。この場合、記憶ユニットセンサの関連性を保証するために、関連性に対する簡単なセンサ識別部の検査だけしか必要としない。
【０００９】
最も簡単な場合には、センサの識別ユニットは、印刷ラベル、バーコードまたはその他の類似の視覚的な手段または他の適当な方法で操作人によって問合せ可能なセンサ識別部だけによって形成可能である。これは、従来の測定装置と比べて、操作人が記憶ユニットとセンサを実際に関連づけ、それによってあらゆるエラー可能性を有するセンサに関連するデータをデータシートから評価ユニットに入力する必要がないという利点がある。本発明の範囲内で好ましくは、識別ユニットがセンサ内またはセンサ上に形成される。この識別ユニットはセンサ識別のために、記憶ユニットまたは評価ユニットによって接続ケーブルを経て問い合わせ可能である。
【００１０】
最後に述べたことに関連して、本発明の有利な実施形では、センサが圧電式測定センサとして形成されている場合に、センサの識別要素が圧電素子自体によって形成され、この圧電素子が逆圧電効果を利用して記憶ユニットまたは評価ユニットによって、振動要素としての接続ケーブルを経て運転可能であり、この振動要素の共振スペクトルがセンサの識別のために役立つ。その際、このような励振および共振評価のための方法と具体的な実施は例えばスイス国特許第６５７４５７号明細書（Ａ５）またはオーストリア国特許第３９３４１６号明細書によって知られている。勿論、通常の測定のために使用される普通の接続ケーブルまたは測定ラインを同時に、センサの識別ユニットの問合わせのために使用可能である装置が重要および有利である。その際好ましくは、構造的な手段によって、センサの振動状態を個別的に定めることができるので、センサ識別の感度が良好になる。これは測定要素またはその周囲の形成によってあるいは１個または複数の付加的な振動要素の適切な形成によって行うことができる。
【００１１】
本発明の有利な他の実施形によれば、センサの識別ユニットが少なくとも一つの表面弾性波要素を備え、記憶ユニットまたは評価ユニットによって接続ケーブルを経て高周波パルスを上記表面弾性波要素に供給可能であり、表面弾性波要素が応答としてセンサ識別のために役立つ信号を供給する。その際、圧電材料の表面に励起される波は、アタッチメント、回路あるいはトランスデューサまたはリフレクタのインピーダンス負荷によって次のように影響を受ける。すなわち、高周波パルスに対する要素の応答から、情報、例えば簡単な識別コードを取り出すことができるように、影響を受ける。このような装置はそれ自体、例えば独国特許出願公開第４４０５６４７号公報に記載され、１回および繰り返して問合わせ可能である、限定された数のビットのメモリのために適している。このような要素は純受動的に作動する。この場合、高い周波数（代表的な場合には４００ＭＨｚ以上の範囲）は測定周波数と共鳴周波数との交互作用を生じないで効果的な誘導結合を可能にする。この表面弾性波要素のための圧電物質としては例えば水晶、ＧａＰＯ₄ またはランガシット（Langasit) が使用可能である。本発明の特に有利な実施形では、圧電式測定要素自体が表面弾性波要素のための基板としての働きをすることができる。
【００１２】
本発明の他の有利な実施形では、センサの識別ユニットが少なくとも１個の振動要素を備え、この振動要素が接続ケーブルを介して記憶ユニットまたは評価ユニットによって、異なる共振振動数の機械的な振動を生じるように電気的に励起可能であり、励振振動数の変化について問合せ可能な共振振動数のパターンがセンサ識別のために役立つ。その際、電気的に励起可能な或る数の要素を備えたセンサ内の機械的に振動可能な構造体、例えば圧電−水晶／セラミックスからなる一種の櫛構造体が存在する。この場合、個別的に振動可能な舌片はそれぞれ、１つまたは複数の共振振動数を有することができる。この要素の固有振動数は好ましくは勿論、測定のために不要であるかあるいはその他の構造体によってひずみまたは影響を受けない範囲内に設けられている。励起可能な振動要素はその固有振動数で励起する際に、はっきりした共振過剰増大を生じる。これは、評価ユニットによってセンサ識別のためのパターンとして認識可能である。センサ内の識別ユニットも、きびしい環境で影響を受けないように容易に使用可能であり、それによってセンサと分離された記憶ユニットの必要な一義的な割り当てを可能にする。
【００１３】
本発明の他の実施形では、識別ユニットが、知られている値の少なくとも１つの受動的な電気的成分、特に少なくとも１つの電気抵抗を有し、接続ケーブルを経て記憶ユニットまたは評価ユニットによって問合せ可能であるこの電気的な成分の値が、センサ識別のために役立つ。上記の抵抗あるいはコンデンサ、インダクタ、導波体または複雑に切換可能なインピーダンスのような受動的な電気的成分は、高い温度またはその他の不利な周囲影響因子に容易に耐え、多くの目的のために充分であるような少なくとも１つの簡単なセンサ識別を可能にする。
【００１４】
本発明の特に有利な実施形では、記憶ユニット自体がコネクタプラグを含む接続ケーブルの範囲内に配置されている。これは本発明による装置の簡単な取扱操作または構成要素の簡単な交換を可能にする。本発明の範囲内において更に、評価ユニット内にまたは評価ユニットと結合して別個のモジュールとして記憶ユニットを配置することもできる。この別個のモジュールはそれぞれのセンサと共に交換されず、従って問題になっているすべてのセンサに関連するデータを含み、場合によっては新たに付加されるセンサからのデータの新たな入力によって実現しなければならない。
【００１５】
本発明の有利な他の実施形では、記憶ユニットが両側のコネクタプラグの間の接続ケーブルに一体化されている。これは簡単な取扱操作を保証し、それぞれの記憶ユニットとセンサ認識の上記の相関製に基づいて、両構成要素の関連づけを簡単に保証する。
【００１６】
本発明の特に有利な実施形では、記憶ユニットが評価ユニットの側のコネクタプラグに一体化されている。これは構造的に簡単に可能であり、取扱操作を簡単にする。
【００１７】
これに関連して、評価ユニットの側のコネクタプラグが、接続ケーブルに固定されたケーブルプラグと、このケーブルプラグと評価ユニットの接続ソケットの間で両側を分離可能なアダプタプラグとからなり、記憶ユニットがアダプタプラグ内に配置されていると有利である。それによって、コネクタプラグの重要な機能が本発明の範囲内において分割され、それによって個々の部品の空間的または構造的な簡単な最適化が可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図に概略的に示した実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。図１〜４は、本発明による測定装置を実現するための異なる形態を示している。
【００１９】
すべての実施の形態において、センサ１は分離可能な接続ケーブル２を介して評価ユニット３に接続されている。センサ１は図示していない方法で測定場所に固定され、接続ケーブル２を経て、連続的または非連続的な問合せのまたは独立形の電気信号を評価ユニット３に供給する。この評価ユニットにおいて、この電気信号が適当に処理され、その都度測定された量を示す測定値に変換される。センサ１は例えば圧電式圧力センサまたは力センサとして形成され、図示していない内燃機関で、燃焼室圧力を測定または監視するために使用可能である。
【００２０】
評価ユニット３によってセンサ１をセンサに関連するデータ（例えばセンサ感度等）で識別するために、およびデータシートからの適当な値の手動入力を操作人によって過剰なほど行うために、センサ１に付設されセンサに関連するデータを有する記憶ユニット４が設けられている。この記憶ユニットは例えば然るべきデータを読み込みおよび読み出し可能に含んでいるマイクロチップまたはマイクロプロセッサの形をしている。記憶ユニットはすべての実施の形態においてセンサ１の外側に配置されている。それによって、記憶ユニットはきびしいセンサ周囲条件（例えば高温または強い振動）の不利な作用を受けない。それにもかかわらず、それぞれのセンサに対する必要な相関関係を保証できるようにするために、記憶ユニットに相関可能なセンサ識別能力を有する識別ユニット５がセンサ１内またはセンサ上に設けられている。
【００２１】
図１に従って、記憶ユニット４は、センサ１の側のコネクタプラグ６と評価ユニット３の側のコネクタプラグ６の間で接続ケーブル２に一体化されている。しかし、記憶ユニット４自体に図示のように他のコネクタプラグ６が設けられているかどうかあるいは接続ケーブル２が記憶ユニット４に固定されているかどうかは重要ではない。更に、センサ１の側のコネクタプラグ６は固定されたケーブル接続部によって置き換え可能である。それによって全体として、センサ１上の接続ケーブル２と共に、記憶ユニットのための分離可能な１個の差込み接続部が、評価ユニット３の側に残っている。
【００２２】
図２では、センサ１は接続ケーブル２によって（ここでは更に両側のコネクタプラグ６によって）評価ユニット３に直接的に差し込み接続されている。記憶ユニット４はここでは、評価ユニット３に接続された別個のデータベース内に設けられている。これはその都度現時点のセンサのローカル接続を簡単化するがしかし、考慮の対象となるすべてのセンサ１に関するデータが記憶ユニット４または対応するデータベース内に記憶されていることが前提となる。評価ユニット３と記憶ユニット４または対応するデータベースの間のラインによる直接的な接続のほかに勿論、例えば必要時にのみ起動可能なデータリンクを設けることができる。それによって、記憶ユニット４は評価ユニット３から離してかつ複数のまたはすべての評価ユニット３の中央に設けられたデータベース内に設けることができる。従って、関連するデータの問合せは必要時にのみ例えばネットワーク接続部を介して行われる。
【００２３】
図３では、記憶ユニット４は評価ユニット３の側のコネクタプラグ６に一体化されている。この場合にも、例えばセンサ１の側に、センサ１に対して接続ケーブル２を固定連結することができる。
【００２４】
図４の実施の形態の場合、評価ユニット３の側のコネクタプラグ６は、接続ケーブル２に固定されたケーブルプラグ７と、このケーブルプラグと評価ユニット３の接続ソケットの間に配置され両端で分離可能なアダプタープラグ８とからなっている。この場合、記憶ユニット４はアダプタプラグ８に配置されている。
【００２５】
図示したすべての実施の形態にとって、記憶ユニット４が接続ケーブル内のセンサの測定ラインを介してセンサ１の識別ユニット５と通信を行うことが共通している。それによって、上記の部品の間の他の接続は不要である。記憶ユニット４と評価ユニット３の接続は必要時に複数のラインを経て行うことができる。
【００２６】
センサ１の識別ユニット５は詳しく示していない上記の方法で、例えば圧電式測定要素によってセンサ１自体に形成可能である。この測定要素は逆圧電効果を利用して振動要素としての接続ケーブル２を介して運転可能であり、振動要素の共振スペクトルはセンサ識別のために役立つ。更に、表面弾性波要素を識別ユニット５内に設けることができる。励起される高周波パルスに対するこの表面弾性波要素の応答はセンサ識別のために役立つ。識別ユニット５の具体的な構造の他の例は冒頭に記載してある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による測定装置を実現するための実施の形態を示す。
【図２】本発明による測定装置を実現するための他の実施の形態を示す。
【図３】本発明による測定装置を実現するための他の実施の形態を示す。
【図４】本発明による測定装置を実現するための他の実施の形態を示す。
【符号の説明】
１ センサ
２ 接続ケーブル
３ 評価ユニット
４ 記憶ユニット
５ 識別ユニット
６ コネクタプラグ
７ ケーブルプラグ
８ アダプタプラグ

Claims (11)

1. センサ（１）と、分離可能な接続ケーブル（２）を介してセンサに接続された評価ユニット（３）と、この評価ユニット（３）を介して問合せ可能である、センサ（１）に付設されセンサに関連するデータを有する記憶ユニット（４）とを備えた測定装置において、記憶ユニット（４）がセンサ（１）の外側に配置され、記憶ユニット（４）に相関可能なセンサ認識能力を有する識別ユニット（５）がセンサ（１）内またはセンサ上に設けられていることを特徴とする測定装置。
2. 記憶ユニット（４）がセンサ（１）と評価ユニット（３）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の測定装置。
3. 記憶ユニット（４）がセンサ（１）側のコネクタプラグ（６）と評価ユニット（３）側のコネクタプラグ（６）の間において接続ケーブルに一体化されていることを特徴とする、請求項２記載の測定装置。
4. 記憶ユニット（４）が評価ユニット（３）の側のコネクタプラグ（６）に一体化されていることを特徴とする、請求項２記載の測定装置。
5. 評価ユニット（３）の側のコネクタプラグ（６）が、接続ケーブル（２）に固定されたケーブルプラグ（７）と、このケーブルプラグと評価ユニット（３）の接続ソケットの間で両側を分離可能なアダプタプラグ（８）とからなり、記憶ユニット（４）がアダプタプラグ（８）内に配置されていることを特徴とする、請求項４記載の測定装置。
6. 記憶ユニット（４）が接続ケーブル（２）内のセンサ（１）の測定ラインを経て、センサ（１）の識別ユニット（５）およびまたは評価ユニット（３）と通信を行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つまたは複数に記載の測定装置。
7. センサ（１）が圧電式測定センサとして形成されている場合に、センサ（１）の識別要素（５）が圧電素子自体によって形成され、この圧電素子が逆圧電効果を利用して記憶ユニット（４）または評価ユニット（３）によって、振動要素としての接続ケーブル（２）を経て運転可能であり、この振動要素の共振スペクトルがセンサの識別のために役立つことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つまたは複数に記載の測定装置。
8. センサ（１）の識別ユニット（５）が少なくとも一つの表面弾性波要素を備え、記憶ユニット（４）または評価ユニット（３）によって接続ケーブル（２）を経て高周波パルスを前記表面弾性波要素に供給可能であり、表面弾性波要素が応答としてセンサ識別のために役立つ信号を供給することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つまたは複数に記載の測定装置。
9. センサ（１）が圧電センサとして形成されている場合に、１個の測定要素または複数の測定要素の１個が表面弾性波要素のための基板として直接役立つことを特徴とする、請求項８記載の測定装置。
10. センサ（１）の識別ユニット（５）が少なくとも１個の振動要素を備え、この振動要素が接続ケーブル（２）を介して記憶ユニット（４）または評価ユニット（３）によって、異なる共振振動数の機械的な振動を生じるように電気的に励起可能であり、励振振動数の変化について問合せ可能な共振振動数のパターンがセンサ識別のために役立つことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つまたは複数に記載の測定装置。
11. センサ（１）の識別ユニット（５）が、知られている値の少なくとも１つの受動的な電気的成分、特に少なくとも１つの電気抵抗を有し、接続ケーブル（２）を経て記憶ユニット（４）または評価ユニット（３）から問合せ可能であるこの電気的な成分の値が、センサ識別のために役立つことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つまたは複数に記載の測定装置。

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