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Signalverarbeitungseinrichtung für einen Druckschalter od. dgl. - Dokument EP1319935
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation EP1319935 24.07.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1319935
Titel Signalverarbeitungseinrichtung für einen Druckschalter od. dgl.
Anmelder Parker Hannifin GmbH, 33659 Bielefeld, DE
Erfinder Drossel, Detlef, 33602 Bielefeld, DE
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SK, TR
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 30.11.2002
EP-Aktenzeichen 020267373
EP-Offenlegungsdatum 18.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse G01L 19/12
IPC-Nebenklasse G01L 9/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungseinrichtung für einen Druckschalter oder dgl., umfassend ein Sensorelement, wie Drucksensor zur Lieferung eines einem anstehenden Druck od. dgl. entsprechenden analogen elektrischen Signals, eine dem Sensorelement nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit zur Verstärkung und Digitalisierung des analogen Signals, und eine der Signalverarbeitungseinheit nachgeschaltete Ansteuereinheit für elektrische Schalter zur Schaltung von externen Lasten od. dgl.

Ein derartige Signalverarbeitungseinrichtung für einen Druckschalter ist aus einem Datenblatt der Firma Parker Fluid Connectors mit der Bezeichnung "Digitaler Druckschalter SCPSD" bereits bekannt.

Ein derartiger Druckschalter kommt in Störungs-, Reglungs- oder Überwachungssystemen zum Einsatz, bei denen schnelle druckabhängige Schalt- oder Analogsignale benötigt werden. Die bekannte Konstruktion erlaubt eine kompakte Bauweise, hohe Lebensdauer und ist für den dauerhaften Serieneinsatz in Hydraulik- und Pneumatikanwendungen geeignet.

Der Druck wird vorzugsweise mit piezoresistiven Messzellen erfasst, die für viele Anwendungen ausreichende Nullpunkt- und Langzeitstabilität aufweisen. Die bekannte Anordnung weist zwei voneinander unabhängige programmierbare Schaltausgänge und einen frei programmierbaren Analogausgang für die Verbindung mit elektrischen Steuerungen auf. Jeder Schaltausgang besitzt zwei Druckschaltpunkte mit denen man die Ein- und Ausschaltdrücke frei einstellen kann (variable Hysterese). Durch variabel einstellbare Verzögerungszeiten können auch unerwünschte Druckspitzen von kurzer Dauer oder hoher Frequenz ausgefiltert werden (Dämpfung). Die Schaltausgänge werden entsprechend den eingestellten Schaltpunkten, Hysteresen- oder Fensterfunktionen als Öffner oder Schließer geschaltet und über die Statusanzeige angezeigt. Ein vorliegender Funktionsfehler kann über eine digitale Displayanordnung signalisiert und bei der Weiterverarbeitung berücksichtigt werden. Die Elektronik kann voll vergossen und somit gegen Feuchtigkeit und Vibration widerstandsfähig gemacht werden. Die bekannte Signalverarbeitungseinrichtung kann bei Werkzeugmaschinen, Kunststoffspritzmaschinen bis hin zu Anwendungen im Kompressorenbau, hydraulischem und pneumatischem Anlagenbau, Maschinenbau, Pumpenbau, Pressenbau und in der Prozesstechnik angewendet werden.

Die Anordnung kann für schnelle 2-Punktregelungen eingesetzt werden, wie auch für die kontinuierliche Drucküberwachung bei Filtern, Pumpen, Verdichtern, Speichern, hydraulischen und pneumatischen Maschinen und Aggregaten, wie auch für die dezentrale Visualisierung von Maschinenparametern wie Druck und Spitzendruck.

Ein Analogausgang von einigen mA ist geeignet zum Anschluss an analoge Auswerteeinheiten wie auch analoge Regeleinheiten, Informationseinrichtungen und Personalcomputer.

Das Brückensignal der bei der bekannten Anordnung eingesetzten piezoresistiven Messzelle hat einen Messbereichsendwert von ca. 100 mV. Dieses relativ große Signal kann mit einem einfachen Instrumentenverstärker verstärkt werden. Soll ein Druckschalter verwendet werden, der eine andere Messzelle, z. B. DMS (Dehnungsmessstreifen) oder Keramik einsetzt, ergibt sich ein Messbereichsendwert von nur ca. 10 mV. Für ein so kleines Signal reicht ein einfacher, preisgünstiger Verstärker nicht mehr aus, da bei Temperaturänderung das gemessene Signal sich unzulässig stark verändert.

Ein idealer Verstärker sollte nur das Eingangssignal verstärken, d. h., dass der Ausgang gleich dem Eingang mal Verstärkung ist. Ein real existierender Verstärker hat dabei mehrere Fehler:

  • Offsetdrift (es tritt auch bei 0 Volt am Eingang eine Ausgangsspannung auf, diese ist u. a. auch temperatur- und alterungsabhängig);
  • Thermospannungen (auch temperaturabhängig);
  • Spannungen durch Leitungsimpedanzen;
  • Rauschen am Ausgang (besonders bei niedrigen Frequenzen).

Je bessere Verstärker man verwendet, desto kleiner werden diese Fehler. Desto teuerer werden aber auch die Verstärker.

Um so kleine Signale zu verarbeiten, wie sie oben angedeutet sind, werden somit präzise und teure Verstärker notwendig. Das ist nachteilig.

Aufgabe der Erfindung ist es, die insbesondere vorstehend beschriebene niederfrequenten- oder Gleichspannungsstörungen aus dem Signal einer Signalverarbeitungseinrichtung zu eliminieren, die für einen Drucksensor/Druckschalter, Temperatursensor/Temperaturschalter oder Kraftsensor/Kraftschalter oder dgl. vorgesehen ist, jeweils mit elektrischem Analog- und/oder Digitalausgang (Bus-Ausgang).

Mit "Sensor" oder "Sensorelement" ist hier ein "signalgebendes elektronisches Element" gemeint, das einen physikalischen Wert, wie Druck, Temperatur, Kraft in ein elektronisches Signal umsetzt, das analog oder digital ausgegeben wird.

Entsprechend ist die Anzeigeeinrichtung für die Anzeige eines analogen Signals, geliefert auf einer einfachen Leitung, oder eines digitalen Signals, geliefert auf einer Mehrfach-Leitung (Bus-Leitung) vorgesehen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Signalverarbeitungseinheit einen Chopperverstärker umfasst, der die Polarität des an seinem Eingang anliegenden, vom Sensorelement gelieferten analogen elektrischen Signals sowie des an seinem Ausgang anliegenden verstärkten analogen elektrischen oder digitalisierten Signals im gleichen Takt umschaltet oder verrechnet.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die niederfrequenten- oder Gleichspannungsstörungen ausgeschaltet werden.

Dadurch, dass die Polarität des Messsignals am Verstärkereingang und am Verstärkerausgang im gleichen Takt in zwei Phasen umgeschaltet werden, subtrahieren sich die beiden Signale der beiden Polaritäten bei der Auswertung. In Formeln ergibt sich: Phase1: Ausgangsspannung1 = Eingangsspannung * Verstärkung + Störspannung Phase2: Ausgangsspannung2 = -Eingangsspannung * Verstärkung + Störspannung Ergebnis = Ausgangsspannung1 - Ausgangsspannung2

Die genannte im Verstärker entstehende Störspannung kürzen sich also heraus.

Die Funktion des beschriebenen Chopperverstärkers lässt sich auf verschiedene Weisen umsetzen. Besonders günstig ist es, das Sensorelement als Messbrücke darzustellen, wobei die Umschaltung der Polarität am Eingang des Chopperverstärkers dadurch erreicht wird, dass der Messbrücke als Speise- oder Eingangsspannung eine Rechteckwechselspannung mit der Taktfrequenz zugeführt wird.

Statt der Messbrücke kann auch ein Messwiderstand ausreichend sein.

Günstig ist es auch, wenn das Brückenausgangssignal einer zwei Operationsverstärker umfassenden, zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisenden Schaltung zugeführt wird, die so aufgebaut ist, dass sie an ihren zwei Ausgängen eine Spannung mit einer Höhe liefert, die der vom Sensorelement abgefühlten Messgröße, wie Druck entspricht.

Günstig ist auch, wenn die zwei Ausgänge einem Analog-Digital-Wandler vorgeschaltet sind, der die beiden Spannungen zeitlich nacheinander abtastet und in numerische Werte umwandelt und so eine Differenzbildung der beiden Werte in einer seinem Ausgang nachgeschalteten Einheit erleichtert.

Der Umschalttakt kann günstigerweise in einer Mikrocontrollereinheit erzeugt werden.

Besonders günstig ist es dann, wenn die Differenzbildung von der Mikrocontrollereinheit gesteuert wird und/oder in ihr erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1
ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Steuerung von Druckschaltern, bei der die erfindungsgemäße Anordnung eingesetzt werden kann;
Fig. 2
ein Blockschaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen Anordnung; und
Fig. 3
ein Zeitdiagramm der Spannungen des Blockschaltungsdiagramms der Fig. 2.

In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 ist ein Sensorelement 10 zu erkennen, wie beispielsweise ein piezoresistiver Drucksensor, ein DMS (Dehnungsmessstreifen) oder auch ein keramisches Sensorelement, jeweils zur Lieferung eines einem Druck oder dgl. entsprechenden analogen elektrischen Signals. Dem Sensorelement nachgeschaltet und dessen Signal aufnehmend ist eine Signalverarbeitungseinheit 12, in der das Signal verstärkt und/oder verarbeitet und dabei digitalisiert wird. In einer diesem Block 12 nachgeschalteten Ansteuereinheit 14 kann z. B. ein Prozessor und ein Speicher für diese digitalen Daten enthalten sein, wie auch ein weiterer Digital-Baustein für beispielsweise eine Anzeigeeinrichtung, wie Digitalanzeige 16, wie auch weitere Digital-Bausteine für die Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern 18, eine Produktionsschnittstelle 20 und einen Analogausgang 22. Gemäß Fig. 1 kann von dem Analogausgang 22 wie auch von den Schaltern 18 auch noch ein Ausgangsstecker 24 ausgehen, um so die Kontaktabgabe zu weiteren Einrichtungen zu erleichtern.

Die Signalverarbeitungseinheit 12 gemäß Fig.1 umfasst einen Chopperverstärker, wie er in Fig. 2 jetzt näher erläutert sei. Ein Chopperverstärker arbeitet in der Weise, dass die Polarität des an seinem Eingang anliegenden, z.B. einem Messwert entsprechendes analoges elektrisches Signal sowie das an seinem Ausgang anliegende verstärkte analoge elektrische oder digitalisierte Signal im gleichen Takt umgeschaltet oder verrechnet werden. Das geschieht bei der Anordnung gemäß Fig. 2 dadurch, dass das Sensorelement 10 einen Messwiderstand oder eine Messbrücke darstellt, bestehend aus vier Messelementen 26-1, 26-2, 26-3 und 26-4, die in Form einer Brücke zusammengeschaltet sind und beispielsweise aus Dehnungsmessstreifen oder keramischen Elementen bestehen, deren Widerstand mit ihrer Dehnung oder Stauchung sich ändert. Legt man zwei sich gegenüberliegende Punkte der Messbrücke an eine Speisespannung oder Versorgungsspannung an, beispielsweise über die Leitung 30-1 oder 30-2 eine von einem Block 40 gelieferte Speisespannung Us, zugeführt über Output 1 oder Output 2, führt dies zu Strömen durch die beiden Messbrückenzweige bestehend aus den Elementen 26-2, 26-3 bzw. 26-1, 26-4 und zu entsprechenden Spannungsabfällen, die abgegriffen werden können an den Verbindungspunkten zwischen den Elementen 26-2 und 26-3 bzw. 26-1 und 26-4, entsprechend den Leitungen 28-2 oder 28-1. Ist die Messbrücke ausgeglichen, sind die Spannungsabfälle gleich groß und es entsteht ein Messspannungswert von 0 V. Kommt die Brücke ins Ungleichgewicht, beispielsweise durch Druckbelastung oder durch Temperaturänderung, entsteht eine von dem Ungleichgewicht abhängige Messspannung zwischen den beiden Anschlussleitungen 28-1 und 28-2, das ist Messspannung Um. Dieses Brückenausgangssignal (bei einem einfachem Widerstand anstelle einer Messbrücke der an ihm anliegende Spannungsabfall) wird einer aus Operationsverstärkern 32-1 und 32-2 bestehenden, zwei Eingänge 34-1 und 34-2 und zwei Ausgänge 36-1 und 36-2 aufweisenden Schaltung zugeführt, die so aufgebaut ist, dass sie an ihren zwei Ausgängen 36-1 und 36-2 Spannungen 38-1, 38-2 gemäß Fig. 3 entstehen, die zeitlich ihre Polarität wechseln und eine Höhe haben, die von der von den Sensorelementen abgefühlten Messgröße, wie Druck, abhängt. Der Messbrücke wird keine Gleichspannung als Speisespannung, sondern eine Wechselspannung zugeführt, deren Zeitverlauf bei 30-1 und 30-2 in Fig. 3 angedeutet ist. In der ersten (Phase 1) einer aus zwei Phasen bestehenden Taktdauer wird über Leitung 30-2 (Output 2) ein negatives Rechtecksignal zugeführt, über Leitung 30-1 ein positives Signal gemäß dem Output 1. In der zweiten Phase (Phase 2) kehren sich die Verhältnisse um. Das führt zu einer doppelt so hohen an der Brücke anliegenden Rechteckwechsel-Speisespannung Us, die ebenfalls wieder eine Rechteckform hat. Diese führt zu einer entsprechenden Rechteckform bei Ungleichgewicht der Brücke auftretenden Brückenspannung oder Messspannung Um, die auf den Leitungen 28-1 und 28-2, optional durch ein Filter 37, den Eingängen der beiden gegeneinander geschalteten Operationsverstärkern 32-1 und 32-2 zugeführt werden. Das Filter 37 beseitigt z. B. hochfrequente Störsignale. Die über die Leitungen 36-1 und 36-2 ausgegebene verstärkte Spannung der beiden Operationsverstärker wird dann einem Block 42, der einen Multiplexer MUX und einen Analog-Digital-Umsetzer ADC umfasst, zur zeitlich versetzten Abtastung der beiden Spannungen und zur Analog-Digitalumsetzung zugeführt, siehe die beiden Signale 36-1 und 36-2 mit den Abtastzeitpunkten 38-1, 38-2 gemäß Fig. 3. Von Block 42 gelangen die Abtastwerte zur Differenzbildung in den Mikrocontroller 40. Dieser Mikrocontroller 40 erzeugt auch vorzugsweise direkt die Wechselspannung für die Messbrücke, siehe die Leitungen, die von dem Mikrocontroller 40 zu der Messbrücke führen und mit 30-1 und 30-2 bezeichnet sind.

Die Erzeugung des Umschalttaktes, die Erzeugung der Wechselspannung zur Speisung der Messbrücke, wie auch die End-Auswertung der von der Messbrücke gelieferten Brückenspannung erfolgt somit vorteilhafterweise mit dem gleichen Baustein.

Durch das eingangs geschilderte Chopperprinzip wird erreicht, dass sowohl die von dem Verstärker erzeugte Offsetdrift (temperatur- und alterungsabhängig), wie auch das niederfrequente Rauschen nach der Mittelwertbildung in der Auswerteeinheit eliminiert wird, wie auch die anderen geschilderten Fehler beseitigt oder verringert werden.

Dabei entfällt die Notwendigkeit von präzisen und damit teuren Verstärkern, statt dessen können normale billige Operationsverstärker verwendet werden.

Da die Differenzbildung im numerischen Prozessor (Teil des Bausteins 40) stattfindet, ist hierfür keine zusätzliche Hardware nötig. Dies führt zu einer günstigen Lösung und vermeidet zusätzliche Fehler in der Differenzbildung.

Zusätzlich zu den Verstärkerfehlern werden auch einige von außen eingekoppelte Fehler unterdrückt und dadurch die EMV (elektro-magnetische Verträglichkeit) verbessert. Die Vermeidung von EMV-Maßnahmen senkt die Kosten.

Der geschilderte einfache Aufbau der Schaltung mit der numerischen Differenzbildung im Mikrocontroller 40 betrifft Sensoren unabhängig von der zu messenden Größe. Es können somit auch noch andere Signalverarbeitungen nach dieser Differenzbildung getroffen werden.

Auch der einfache Aufbau der Schaltung mit der direkten Versorgung der Sensorelemente aus dem Mikrocontroller betrifft Sensoren aller Art, unabhängig von der zu messenden Größe.

Der erfindungsgemäße Chopperverstärker kann einen solchen Aufbau aufweisen, dass entweder vor dem Sensorelement die Phasenumschaltung erfolgt (z.B. mittels Umschaltung der Speisespannung), oder hinter dem Sensorelement (z.B. durch Umschaltung seines Ausgangssignals). Anschließend wird das so getaktete Messsignal gefiltert und verstärkt.

Die Phasenumschaltung des Verstärkerausgangssignals und die Mittelwertbildung kann hinsichtlich des Analogwertes erfolgen, also vor dem Analog-Digitalwandler, oder hinter diesem.

Ein anderer möglicher Aufbau des Chopperverstärkers wäre der folgende: Druckaufnahmeelement - Phasenumschaltung-Eingang - Filter - Verstärker, Phasenumschaltung-Ausgang (verwirklicht durch Software) - Analog-Digital-Wandler- Mittelwertbildung (Software).


Anspruch[de]
  1. Signalverarbeitungseinrichtung für einen Druckschalter oder dgl., umfassend ein Sensorelement (10), wie Drucksensor zur Lieferung eines einem anstehenden Druck od. dgl. entsprechenden analogen elektrischen Signals, eine dem Sensorelement nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit (12) zur Verstärkung und Digitalisierung des analogen Signals, und eine der Signalverarbeitungseinheit (12) nachgeschaltete Ansteuereinheit (14) für elektrische Schalter (18) zur Schaltung von externen Lasten, für eine Anzeigeeinrichtung (16), für Produktionsschnittstellen (20) und dgl., dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (12) einen Chopperverstärker umfasst, der die Polarität des an seinem Eingang anliegenden, vom Sensorelement (10) gelieferten analogen elektrischen Signals sowie das an seinem Ausgang anliegende verstärkte analoge elektrische oder digitalisierte Signal im gleichen Takt umschaltet oder verrechnet.
  2. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (10) einen Messwiderstand oder eine Messbrücke (26-1, 26-2, 26-3, 26-4) darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Polarität des am Eingang des Chopperverstärkers anliegenden Signals dadurch erreicht wird, dass dem Messwiderstand oder der Messbrücke als Speisespannung eine Rechteckwechselspannung (30-1, 30-2) mit der Taktfrequenz zugeführt wird.
  3. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenausgangssignal (28-1, 28-2) einer zwei Operationsverstärker (32-1, 32-2) umfassenden, zwei Eingänge (34-1, 34-2) und zwei Ausgänge (36-1, 36-2) aufweisenden Schaltung zugeführt wird, die so aufgebaut ist, dass sie an ihren zwei Ausgängen eine Spannung (38-1, 38-2) mit einer Höhe liefert, die der vom Sensorelement (10) abgefühlten Messgröße, wie Druck entspricht.
  4. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Ausgänge (36-1, 36-2) einem Analog-Digital-Wandler (42) vorgeschaltet sind, der die beiden Spannungen (38-1, 38-2) zeitlich nacheinander abtastet und in numerische Werte umwandelt und eine Differenzbildung der beiden Werte in einer seinem Ausgang nachgeschalteten Einheit (40) ermöglicht.
  5. Signalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalttakt in einer Mikrocontrollereinheit (40) erzeugt wird.
  6. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzbildung von der Microcontrollereinheit (40) gesteuert wird und/oder in ihr erfolgt.
  7. Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung für den Messwiderstand oder die Messbrücke von der Microcontrollereinheit (40) geliefert wird.






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