DE112019000888T5

DE112019000888T5 - System zur Erdung und Diagnose

Info

Publication number: DE112019000888T5
Application number: DE112019000888.9T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch; Michael Pütz
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-10-29
Also published as: US11391763B2; CN111758039B; WO2019162267A1; CN111758039A; US20200379056A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System (1) zur Erdung und Diagnose, das einen leitenden Rahmen (2) zum Befestigen eines kapazitiven Sensors aufweist. Um Mittel zur Sicherstellung und Überwachung eines geerdeten Zustandes eines leitenden Rahmens bereitzustellen, sieht die Erfindung vor, dass das System ferner eine Diagnoseschaltung (10) aufweist, durch die der Rahmen (2) wechselstromgeerdet ist, und die eine elektrische Quelle (11) aufweist, die mit dem Rahmen (2) über eine erste Leitung (5) verbunden und ausgestaltet ist, um über erste Leitung (5) ein Diagnosesignal an den Rahmen (2) anzulegen, wobei die Diagnoseschaltung (10) mit dem Rahmen (2) über eine zweite Leitung (7) verbunden und ausgestaltet ist, um mindestens eine Größe bereitzustellen, die von dem Diagnosesignal und einer Erdungsverbindung des Rahmens (2) abhängt.

Description

Technischer Bereich
Die Erfindung betrifft ein System zur Erdung und Diagnose sowie eine Diagnoseschaltung, z. B. zur Verwendung in Verbindung mit einem kapazitiven Sensor.
Hintergrund der Erfindung
Kapazitive Sensoren werden heute für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie Eingabegeräte (z. B. Touchpads, kapazitive Schieberegler, Touch-Wheels usw.), Näherungssensoren oder Insassenerkennungssysteme.
Im Stand der Technik sind viele verschiedene Arten von kapazitiven Sensoren bekannt, aber die meisten von ihnen basieren auf dem folgenden Prinzip. Eine Erkennungselektrode ist derart angeordnet, dass ein sich näherndes Objekt (Person, Hand, Finger o.ä.) die Kapazität der Erfassungselektrode in Bezug auf Masse verändert. Das Objekt kann auch dielektrische Verluste verursachen, weshalb die Erfassungselektrode im Allgemeinen eine Impedanz mit einem Widerstand und einer Reaktanz hat, die beide durch das Objekt beeinflusst werden können. Die sich ändernde Impedanz wird durch einen Messkreis gemessen. Zum Beispiel kann die Erfassungselektrode an eine Wechselspannung, z. B. eine Rechteckspannung angeschlossen werden, und der Strom durch die Elektrode, der von ihrer Impedanz abhängt, kann von dem Messkreis in eine Spannung umgewandelt werden. Diese Spannung deutet auf die Impedanz hin und kann daher verwendet werden, um festzustellen, ob sich ein Objekt in der Nähe der Erfassungselektrode befindet.
In vielen Anwendungen wird die Erfassungselektrode auf eine leitende Struktur montiert, die als Rahmen bezeichnet werden kann. Bei Insassenerkennungssystemen beispielsweise ist die Erfassungselektrode normalerweise innerhalb des Fahrzeugsitzes angeordnet. Im Allgemeinen wird ein elektrisches Feld zwischen der Erfassungselektrode und den Metallkomponenten des Fahrzeugsitzes, der als Sitzrahmen bezeichnet werden kann, gebildet. Daher hängt die Impedanz einerseits von der Nähe eines Objekts ab, aber auch vom geerdeten Zustand des Sitzrahmens, d.h. ob der Sitzrahmen ordnungsgemäß mit Masse (d. h. der Fahrzeugkarosserie) verbunden ist oder nicht (d. h. ein schwebendes Potential hat). Während es zwar möglich ist, ein Objekt auch dann erfolgreich zu erkennen, wenn der Sitzrahmen nicht geerdet ist, muss der kapazitive Sensor für einen bestimmten Zustand des Sitzrahmens kalibriert sein (geerdet oder nicht geerdet), der anschließend während des Betriebs des kapazitiven Sensors beibehalten werden muss. Ändert sich der Zustand, kann dies zu Falsch- bzw. Nichterkennungen führen. Da Insassenerkennungssysteme meist mit sicherheitsrelevanten Systemen wie Gurtanlegekontrolle, Airbags und dergleichen verbunden sind, ist jegliche Fehlfunktion des kapazitiven Sensors zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Sicherstellung und Überwachung eines geerdeten Zustandes eines leitenden Rahmens bereitzustellen.
Dieses Problem wird durch ein System gemäß Anspruch 1 und durch eine Diagnoseschaltung gemäß Anspruch 16 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein System zur Erdung und Diagnose bereit. In diesem Zusammenhang bezieht sich „Erdung“ auf das Anlegen, Herstellen und/oder Aufrechterhalten einer Verbindung zur Masse.
Das System weist einen leitenden Rahmen zur Befestigung eines kapazitiven Sensors auf. Der Rahmen dient zur Montage eines kapazitiven Sensors, d. h. im Betriebszustand ist ein kapazitiver Sensor direkt oder (normalerweise) indirekt auf dem leitenden Rahmen montiert. Genauer gesagt, ist, obwohl der kapazitive Sensor auf dem Rahmen montiert ist, jede Erfassungselektrode des kapazitiven Sensors physisch getrennt und normalerweise vom Rahmen elektrisch isoliert (obwohl ein gewisser Stromfluss zwischen einer Erfassungselektrode und dem Rahmen unvermeidbar sein kann). Bei dem Rahmen, der normalerweise aus Metall besteht, kann es sich insbesondere um einen Fahrzeugsitzrahmen handeln, auf dem ein oder mehrere kapazitive Sensoren eines Insassenerkennungssystems montiert sein können, oder um einen Lenkradkranz eines Lenkrads, auf dem mindestens ein Sensor für die Handerkennung montiert ist. Da der kapazitive Sensor auf dem leitenden Rahmen zu montieren ist, werden in beiden Fällen die Kapazität und die Impedanz des kapazitiven Sensors durch das Vorhandensein des Rahmens beeinflusst. Insbesondere hängt die Impedanz davon ab, ob der Rahmen geerdet oder nicht geerdet ist.
Das System weist ferner eine Diagnoseschaltung auf, durch die der Rahmen wechselstromgeerdet ist und die eine elektrische Quelle aufweist, die über eine erste Leitung mit dem Rahmen verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, über die erste Leitung ein Diagnosesignal an den Rahmen anzulegen, wobei die Diagnoseschaltung ausgestaltet ist, um mindestens eine Größe bereitzustellen, die vom Diagnosesignal abhängt und die Diagnose eines geerdeten Zustands des Rahmens ermöglicht. Hier und im Folgenden bedeutet „wechselstromgeerdet“ mit Masse verbunden, so dass ein Wechselstrom zwischen Masse und dem wechselstromgeerdeten Element fließen kann. Der Rahmen ist durch die Diagnoseschaltung wechselstromgeerdet, was impliziert, dass die Diagnoseschaltung selbst wechselstromgeerdet sein muss. Da der Rahmen wechselstromgeerdet ist, hat er ein klar definiertes elektrisches Potential, weshalb jegliche nachteilige Auswirkung auf Messungen durch den kapazitiven Sensor vermieden werden kann. Hier und im Folgenden bezieht sich „verbunden“ entweder auf eine direkte Verbindung oder eine indirekte Verbindung über mindestens ein Zwischenelement.
Der korrekte Betrieb des kapazitiven Sensors hängt jedoch davon ab, ob der geerdete Zustand des Rahmens aufrechterhalten werden kann. Daher ist die Diagnoseschaltung auch zur Diagnose des geerdeten Zustandes ausgestaltet. Sie weist eine elektrische Quelle auf, die über eine erste Leitung mit dem Rahmen verbunden ist. Die erste Leitung kann eine beliebige Art von Leiter sein, wie eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte, ein Draht oder ähnliches. Die elektrische Quelle kann direkt oder indirekt, d. h. über mindestens ein Zwischenelement, mit der ersten Leitung verbunden sein. Im Allgemeinen hat die erste Leitung einen Verdrahtungswiderstand, der möglicherweise nicht vernachlässigt werden kann. Die elektrische Quelle, bei der es sich um jede Art von Spannungs- oder Stromquelle handeln kann, wahlweise in Kombination mit anderen Elementen, ist ausgestaltet, um ein Diagnosesignal zu erzeugen und über die erste Leitung an den Rahmen anzulegen. Das Diagnosesignal kann ein Wechselstromsignal oder ein Gleichstromsignal sein. Im Allgemeinen hängt die „Antwort“ auf das Diagnosesignal davon ab, ob der Rahmen geerdet ist und wenn ja, wie er geerdet ist. Beispielsweise kann die Antwort von einer externen Erdungsverbindung des Rahmens und von der Integrität der Wechselstromverbindung zur Masse über die Diagnoseschaltung abhängen. Wie im Folgenden erläutert wird, kann die Diagnoseschaltung mehr als eine elektrische Quelle aufweisen, weshalb die elektrische Quelle auch als „erste“ elektrische Quelle bezeichnet werden kann. Der Kürze halber wird sie meist als die elektrische Quelle bezeichnet.
Die Diagnoseschaltung ist mit dem Rahmen über eine zweite Leitung verbunden. Obwohl auf eine einzige Diagnoseschaltung Bezug genommen wird, sind die Teile der Diagnoseschaltung, die mit der ersten Leitung verbunden sind, und die Teile, die mit der zweiten Leitung verbunden sind, normalerweise nur über den Rahmen miteinander verbunden, d. h. es gibt normalerweise keine elektrischen Verbindungen zwischen diesen beiden Teilen innerhalb der Diagnoseschaltung selbst. Es können jedoch einige Verbindungen zur Übertragung von Steuersignalen vorhanden sein, um die Funktionen von an die erste Leitung bzw. an die zweite Leitung angeschlossenen Elementen zu koordinieren. Durch das Vorhandensein der zweiten Leitung hat die Diagnoseschaltung (mindestens) zwei Verbindungen zum Rahmen. Wie weiter unten deutlich wird, hat dieser „Zweidraht“-Ansatz (der auch als Zweidraht-Diagnose bezeichnet werden kann) entscheidende Vorteile. Zum Beispiel ist es möglich, dass ein Diagnosesignal oder ein Teil eines solchen Signals durch die erste Leitung in den Rahmen und von dort durch die zweite Leitung zurück in die Diagnoseschaltung gesendet wird. Die zweite Leitung kann auch dazu verwendet werden, ein (zweites) Diagnosesignal an den Rahmen anzulegen. In jedem Falle werden die Diagnosemöglichkeiten und/oder die Genauigkeit der Diagnose verbessert.
Die Diagnoseschaltung ist ausgestaltet, um mindestens eine Größe bereitzustellen, die von dem Diagnosesignal und einer Erdungsverbindung des Rahmens abhängt. Dabei kann sich das „Bereitstellen“ der Größe insbesondere auf das Messen der Größe oder auf das Ausgeben der Größe zum Messen durch ein anderes Gerät beziehen. Die mindestens eine Größe ist normalerweise eine Spannung oder ein Strom. Sie kann als eine Antwort auf das Diagnosesignal angesehen werden, weshalb sie vom Diagnosesignal abhängt, z. B. von einer Amplitude und/oder einer Frequenz des Diagnosesignals. Außerdem wird die mindestens eine Größe durch eine Erdungsverbindung des Rahmens beeinflusst, z. B. durch eine externe Erdungsverbindung und/oder die (Wechselstrom)-Erdungsverbindung über die Diagnoseschaltung. Daher ist es durch Messen der jeweiligen Größe möglich, eine Diagnose der Erdungsverbindung durchzuführen.
Während Bezug auf „ein“ Diagnosesignal genommen wird, können sich die Parameter des Diagnosesignals im Laufe der Zeit ändern und/oder es kann vorübergehend unterbrochen werden. In solchen Fällen könnte das Diagnosesignal auch als eine Folge von Signalen angesehen werden. Wie ebenfalls angegeben, kann das über die erste Leitung angelegte Diagnosesignal in einigen Ausführungsformen als ein erstes Diagnosesignal bezeichnet werden, z. B. wenn ein zweites Diagnosesignal über die zweite Leitung angelegt wird. Da die Funktion der Diagnoseschaltung darin besteht, eine Diagnose der Erdungsverbindung zu ermöglichen, ist sie ausgestaltet, um das Diagnosesignal (oder zumindest das erste Diagnosesignal) unabhängig von einem Erkennungsvorgang des kapazitiven Sensors anzulegen. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass das Diagnosesignal gleichzeitig mit dem Erkennungsvorgang angelegt werden kann.
Vorzugsweise wird der Rahmen über mindestens eine der ersten und der zweiten Leitung wechselstromgeerdet. Mit anderen Worten, eine Verbindung zwischen dem Rahmen und der Wechselstrom-Erdung wird - entweder direkt oder indirekt - über mindestens eine der ersten und der zweiten Leitung hergestellt. Eine Möglichkeit ist, dass der Rahmen nur über die erste Leitung wechselstromgeerdet ist. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Rahmen nur über die zweite Leitung wechselstromgeerdet ist. Eine dritte Möglichkeit ist, dass der Rahmen sowohl über die erste als auch über die zweite Leitung wechselstromgeerdet ist. Dies kann z. B. aus Gründen der Redundanz nützlich sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Diagnoseschaltung ausgestaltet, um mindestens eine Größe bereitzustellen, die die Bestimmung mindestens eines von einer Erdungsimpedanz und/oder einer Erdungsverlagerungsspannung, die der Rahmen im Hinblick auf die Erdung hat, ermöglicht. Im Allgemeinen lässt sich das Verhältnis des Rahmens zur Masse durch eine Erdungsimpedanz und/oder eine Erdungsverlagerungsspannung beschreiben. Die Erdungsimpedanz ist die Impedanz zwischen dem Rahmen und Masse, die aufgrund von resistiven, kapazitiven und/oder induktiven Effekten einen Widerstand und eine Reaktanz aufweisen kann. Wenn der Rahmen mit Masse verbunden ist, sind die Erdungsimpedanz und die Erdungsverlagerungsspannung charakteristisch für eine externe Erdungsverbindung. Die Erdungsverlagerungsspannung stellt eine Spannungsverlagerung zwischen dem Rahmen (oder einer Struktur, mit der der Rahmen verbunden ist) und Masse dar. Im Hinblick auf einen Fahrzeugsitz oder ein Lenkrad kann eine Erdungsverlagerungsspannung ungleich Null auf Ströme zurückzuführen sein, die durch die Erdungsverbindungen fließen, die eine nicht vernachlässigbare Impedanz haben. Es ist zu beachten, dass je nach jeweiliger Situation die Erdungsimpedanz und/oder die Erdungsverlagerungsspannung vernachlässigbar oder Null sein können. In einem Fall, in dem der Rahmen keine externe Erdungsverbindung hat, ist die Erdungsverlagerungsspannung undefiniert und die Erdungsimpedanz kann rein kapazitiv sein (typischerweise unter 200 µF). Durch Bereitstellen der oben genannten Größe, die von der Diagnoseschaltung selbst oder von einem anderen Gerät gemessen werden kann, ist zumindest eine Teildiagnose des Verhältnisses des Rahmens zur Masse möglich. Wenn z. B. die Erdungsverlagerungsspannung bestimmt wird, kann dies zum Bestimmen eines externen Einflusses auf die Diagnose oder zum Identifizieren eines Kurzschlusses zwischen dem Rahmen und einer Spannungsquelle wie der Autobatterie verwendet werden. In einer Situation, in der der Rahmen von der Masse elektrisch isoliert sein soll und daher ein schwebendes Potential haben sollte, kann eine unerwünschte Verbindung zur Masse erkannt werden. Wenn die Erdungsimpedanz bestimmt wird, kann diese auch dazu verwendet werden, einen Defekt in der externen Erdungsverbindung zu identifizieren, z. B. einen offenen Stromkreis oder ähnliches. Es gibt mehrere verschiedene Möglichkeiten, wie die Erdungsimpedanz oder die Erdungsverlagerungsspannung bestimmt werden kann. Ein Beispiel ist das Anlegen eines Spannungssignals oder eines Stromsignals als das Diagnosesignal und das Erkennen einer Spannung an einem bestimmten Punkt innerhalb der Diagnoseschaltung. Diese Spannung hängt vom Diagnosesignal selbst, den Impedanzen innerhalb der Diagnoseschaltung, der Erdungsimpedanz und der Erdungsverlagerungsspannung ab. Durch sequentielles Anlegen von zwei Gleichstromsignalen und Messen der Spannung können die Erdungsimpedanz und die Erdungsverlagerungsspannung berechnet werden (streng genommen, handelt es sich um eine Näherung, die jedoch gültig ist, wenn der Verdrahtungswiderstand der ersten Leitung - gegebenenfalls zuzüglich des Widerstandes der zweiten Leitung - vernachlässigt werden kann). Ebenso kann ein einzelnes Wechselstromsignal angelegt werden, was die Bestimmung der Erdungsimpedanz ermöglicht, unter der Annahme, dass die Erdungsverlagerungsspannung keine Frequenzkomponente mit der gleichen Frequenz wie das Wechselstromsignal aufweist.
Die elektrische Quelle kann eine erste Spannungsquelle sein. Die erste Spannungsquelle kann eine Wechselspannungsquelle sein, die ausgestaltet ist, um eine Wechselspannung als das Diagnosesignal anzulegen, oder eine Gleichspannungsquelle, die ausgestaltet ist, um eine Gleichspannung anzulegen. Alternativ kann die elektrische Quelle eine Stromquelle sein. Es kann sich entweder um eine Wechselstromquelle handeln, die ausgestaltet ist, um einen Wechselstrom als das Diagnosesignal anzulegen, oder es kann sich um eine Gleichstromquelle handeln, die ausgestaltet ist, um einen Gleichstrom als das Diagnosesignal anzulegen. Wenn es sich bei der elektrischen Quelle um eine Wechselspannungsquelle oder eine Wechselstromquelle handelt, ist sie vorzugsweise ausgestaltet, um eine Frequenz vorzusehen, die sich von einer Messfrequenz, die für den Betrieb des kapazitiven Sensors verwendet wird, unterscheidet. Sofern vorhanden, sollten auch die Oberwellen der beiden Signale verschieden sein. Im Allgemeinen kann es jedoch ausreichend sein, wenn keine signifikante Korrelation zwischen dem Diagnosesignal und dem zur Messung verwendeten Signal besteht, z. B. kann eines sinusförmig sein, während das andere ein pseudozufälliges Signal mit Phasenumtastung ist. Dasselbe Kriterium gilt für alle unten erwähnten Wechselstromquellen oder Wechselspannungsquellen. Solange die Frequenzen wie beschrieben unterschiedlich sind, können der Messbetrieb des kapazitiven Sensors und der Betrieb der Diagnoseschaltung gleichzeitig durchgeführt werden. Andernfalls muss der Betrieb des kapazitiven Sensors unterbrochen werden, während die Diagnoseschaltung in Betrieb ist.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, wenn die elektrische Quelle eine erste Spannungsquelle ist, kann sie über ein erstes Impedanzelement an die erste Leitung angeschlossen werden. Das erste Impedanzelement kann jedes Element oder jede Schaltung sein, die eine Impedanz ungleich Null oder eine nicht vernachlässigbare Impedanz hat. Im Allgemeinen kann es ein resistives, kapazitives oder induktives Element oder eine Kombination dieser Elemente sein, z. B. eine Parallel- und/oder Reihenschaltung. Wenn die erste Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, ist das erste Impedanzelement vorzugsweise ein Widerstandselement (z. B. ein Widerstand). Wenn die erste Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle ist, ist das erste Impedanzelement vorzugsweise ein kapazitives Element (z. B. ein Kondensator) oder eine Kombination aus einem kapazitiven Element und einem Widerstandselement. Es wird davon ausgegangen, dass das erste Impedanzelement zu einem Spannungsabfall führt, wenn ein Strom durch es hindurch fließt. Der Spannungsabfall ist charakteristisch für den Strom, und für eine gegebene Spannung der ersten Spannungsquelle ist der Strom wiederum charakteristisch für die Gesamtimpedanz, an die die Spannung angelegt wird (und möglicherweise andere Spannungen, z. B. die oben erwähnte Erdungsverlagerungsspannung). Daher ist es möglich, aus dem Spannungsabfall am ersten Impedanzelement Kenngrößen wie die Erdungsverlagerungsspannung und die Erdungsimpedanz abzuleiten. Wenn die elektrische Quelle eine Stromquelle ist, kann das erste Impedanzelement weggelassen werden. Der von der Stromquelle angelegte Strom führt im Allgemeinen zu einem Spannungsabfall an jedem von ihm durchflossenen Element. Zum Beispiel führt die Erdungsimpedanz zu einem Spannungsabfall, der wiederum einen Einfluss auf die Spannung an einem bestimmten Punkt innerhalb der Diagnoseschaltung hat. Diese Spannung kann auch durch eine Erdungsverlagerungsspannung ungleich Null beeinflusst werden. Daher kann eine Spannungsmessung (oder mehrere Messungen) innerhalb der Diagnoseschaltung verwendet werden, um die Erdungsimpedanz und/oder die Erdungsverlagerungsspannung zu identifizieren.
Die elektrische Quelle kann mit der ersten Leitung über einen ersten Knoten, der wechselstromgeerdet ist, verbunden werden. Im Allgemeinen ist der erste Knoten nur ein Bezugspunkt entlang einer elektrischen Verbindung zwischen der elektrischen Quelle und der ersten Leitung. Abgesehen davon, dass der erste Knoten mit der ersten Leitung und der elektrischen Quelle verbunden ist, hat der erste Knoten jedoch eine Verbindung zur Masse über ein kapazitives Element (z. B. einen Kondensator), d. h. er ist wechselstromgeerdet. Dies kann durch einen Leiter realisiert werden, der von einer Verbindung zwischen der elektrischen Quelle und der ersten Leitung abzweigt. In dieser Ausführungsform wird mindestens eine (und möglicherweise die einzige) Wechselstrom-Erdungsverbindung der Diagnoseschaltung über den ersten Knoten realisiert. Es wird davon ausgegangen, dass, wenn das Diagnosesignal ein Wechselstromsignal ist, ein elektrischer Strom durch den ersten Knoten und das oben erwähnte kapazitive Element zur Masse fließt. Wenn das Diagnosesignal ein Gleichstromsignal ist, darf kein Strom durch den ersten Knoten und das kapazitive Element zur Masse fließen. Wenn jedoch ein signifikanter Gleichstromfluss festgestellt wird, kann dies auf einen Kurzschluss oder einen Defekt des kapazitiven Elements zurückgeführt werden. Wenn die Diagnoseschaltung das erste Impedanzelement aufweist, wird das erste Impedanzelement zwischen der elektrischen Quelle und dem ersten Knoten angeschlossen.
Vorzugsweise ist die Diagnoseschaltung ausgestaltet, um eine erste Spannung eines ersten Ausgangs, der mit dem ersten Knoten verbunden ist, bereitzustellen. Der erste Ausgang kann z. B. mit einem Eingang eines Mikrokontrollers oder einer ähnlichen Messvorrichtung verbunden werden, die ausgestaltet ist, um die erste Spannung zu messen, das Ergebnis z. B. durch Vergleich mit vordefinierten Schwellenwerten auszuwerten und optional ein Fehler- oder Warnsignal auszugeben. Die Messvorrichtung kann Teil der Diagnoseschaltung sein oder außerhalb der Diagnoseschaltung liegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zweites Impedanzelement zwischen dem ersten Knoten und der ersten Leitung angeschlossen. Mit anderen Worten, der erste Knoten ist mit der ersten Leitung (und damit mit dem Rahmen) über das zweite Impedanzelement verbunden. Wie das erste Impedanzelement kann auch das zweite Impedanzelement ein beliebiges Element oder eine beliebige Schaltung sein, die eine Impedanz ungleich Null oder eine nicht vernachlässigbare Impedanz hat. Es kann ein resistives, kapazitives oder induktives Element oder eine Kombination dieser Elemente sein, z. B. eine Parallel- und/oder Reihenschaltung. Wenn das Diagnosesignal ein Gleichstromsignal ist, ist das zweite Impedanzelement vorzugsweise ein Widerstandselement (z. B. ein Widerstand) oder eine Parallelschaltung aus einem Widerstandselement und einem kapazitiven Element. Wenn das Diagnosesignal ein Wechselstromsignal ist, kann das zweite Impedanzelement ein kapazitives Element (z. B. ein Kondensator) sein. Im Falle eines Gleichstromsignals kann das Vorhandensein eines solchen zweiten Impedanzelements verwendet werden, um einen Kurzschluss zwischen dem ersten Knoten und Masse zu erkennen. Unter normalen Bedingungen sollte der Gesamtwiderstand, auf den das erste Signal trifft, grösser als der Widerstand des zweiten Impedanzelements sein. Wenn jedoch eine unerwünschte Gleichstromverbindung zwischen dem ersten Knoten und Masse besteht, kann der Gesamtwiderstand auf einen Wert unterhalb des Widerstands des zweiten Impedanzelements fallen. Dies wiederum kann z. B. durch Messen der ersten Spannung am ersten Ausgang festgestellt werden.
Vorzugsweise ist die zweite Leitung mit einem zweiten Knoten verbunden, der mindestens wechselstromgeerdet ist. Mit anderen Worten, die Diagnoseschaltung kann am zweiten Knoten wechselstromgeerdet sein, entweder ausschließlich oder zusätzlich zum ersten Knoten, der wechselstromgeerdet ist, so dass der Rahmen über den zweiten Knoten und optional über den ersten Knoten wechselstromgeerdet werden kann. Es kann vorteilhaft sein, sowohl am ersten Knoten als auch am zweiten Knoten eine Wechselstrom-Erdungsverbindung zu haben, um eine gewisse Redundanz zu gewährleisten. Da das Diagnosesignal von der elektrischen Quelle angelegt wird, fließt zumindest ein Teil des entsprechenden Signals durch die erste Leitung, den Rahmen und die zweite Leitung zum zweiten Knoten und von dort zur Masse. Der zweite Knoten ist mindestens wechselstromgeerdet, was die Möglichkeit einschließt, dass er auch gleichstromgeerdet ist. Die letztere Konfiguration wird insbesondere dann bevorzugt, wenn das Diagnosesignal ein Gleichstromsignal ist. Eine solche Gleichstrom-Erdungsverbindung kann durch ein Widerstandselement allein oder durch eine Parallelschaltung eines kapazitiven Elements und eines Widerstandselements realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Diagnoseschaltung ausgestaltet, um einen Unterschied zwischen der ersten Spannung und einer zweiten Spannung eines zweiten Ausgangs, der mit dem zweiten Knoten verbunden ist, zu messen. Da der erste Knoten und der zweite Knoten über die erste Leitung, den Rahmen und die zweite Leitung miteinander verbunden sind, kann davon ausgegangen werden, dass die erste und die zweite Leitung und der Rahmen intakt sind, wenn der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Spannung unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Daher kann die Integrität der ersten und zweiten Leitung und des Rahmens durch eine einzige Messung verifiziert werden. In diesem Zusammenhang kann die elektrische Quelle eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle sein, wie oben beschrieben, und das Diagnosesignal kann ein Wechselstromsignal oder ein Gleichstromsignal sein.
In einigen Ausführungsformen ist der erste Ausgang direkt mit dem ersten Knoten verbunden. In anderen Ausführungsformen ist der erste Ausgang mit dem ersten Knoten über ein drittes Impedanzelement verbunden. Dies kann z. B. dann der Fall sein, wenn kein Gleichstrom durch den Rahmen fließen darf. Dies bedeutet, dass zwischen dem Rahmen und der Masse kein Gleichstrompfad offen sein darf. Daher muss das erste, zweite und/oder dritte Impedanzelement so gewählt sein, dass kein solcher Gleichstrompfad offen ist. Da eine Möglichkeit für einen solchen Gleichstrompfad durch die erste Leitung, den ersten Knoten und den ersten Ausgang verlaufen würde, muss entweder das zweite Impedanzelement (falls vorhanden) oder das dritte Impedanzelement eine Kapazität aufweisen, die nur für Wechselstromsignale durchlässig ist.
Zusätzlich zu der oben genannten (ersten) elektrischen Quelle kann die Diagnoseschaltung eine zweite elektrische Quelle aufweisen, die über die zweite Leitung mit dem Rahmen verbunden ist. Die zweite Leitung kann direkt oder indirekt mit der zweiten elektrischen Quelle verbunden sein. Die zweite elektrische Quelle kann eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle sein. Sie kann ausgestaltet sein, um ein Diagnosesignal an den Rahmen über die zweite Leitung anzulegen. Das über die erste Leitung angelegte Diagnosesignal kann als ein „erstes Diagnosesignal“ und das über die zweite Leitung angelegte Diagnosesignal kann als ein „zweites Diagnosesignal“ bezeichnet werden, insbesondere wenn jeweils nur eine der ersten und der zweiten elektrischen Quelle aktiviert wird. In diesem Fall werden das erste Diagnosesignal und das zweite Diagnosesignal nacheinander angelegt. Sie könnten jedoch auch als ein einziges Diagnosesignal angesehen werden, das vorübergehend über die erste Leitung bzw. die zweite Leitung angelegt wird. Die erste elektrische Quelle und die zweite elektrische Quelle können jedoch auch gleichzeitig aktiviert werden, wodurch das an den Rahmen angelegte Diagnosesignal als eine Überlagerung des ersten Diagnosesignals und des zweiten Diagnosesignals angesehen werden könnte.
Gemäß einer Ausführungsform weist die elektrische Quelle einen ersten Transimpedanzverstärker auf, mit einem Bezugseingang, der mit einer zweiten Spannungsquelle verbunden ist, und mit einem Signaleingang, der mit dem ersten Knoten verbunden ist. Aufgrund der Eigenschaften des Transimpedanzverstärkers folgt die Spannung am Signaleingang der Spannung am Bezugseingang, die durch die zweite Spannungsquelle definiert ist. Der Transimpedanzverstärker hat auch einen Ausgang, an dem eine Spannung bereitgestellt wird, die proportional zu dem durch den Signaleingang fließenden Strom ist. Wenn z. B. eine Verbindung zwischen dem Rahmen und dem ersten Knoten über die erste Leitung defekt ist, wird der Strom durch den Signaleingang vernachlässigbar und damit auch die Spannung am Ausgang. Der Signaleingang kann mit dem ersten Knoten über das erste Impedanzelement verbunden werden. Darüber hinaus wird der erste Knoten vorzugsweise mit der ersten Leitung über das zweite Impedanzelement verbunden und mit dem ersten Ausgang über das dritte Impedanzelement verbunden. Das erste, das zweite und das dritte Impedanzelement sind vorzugsweise so gewählt, dass kein Gleichstrompfad zwischen Rahmen und Masse besteht. In Kombination mit dem oben erwähnten Transimpedanzverstärker ist die zweite Leitung vorzugsweise wechselstromgeerdet, d. h. über ein kapazitives Element mit Masse verbunden. Sie kann mit dem oben erwähnten zweiten Knoten, der wechselstrom geerdet ist, verbunden werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die zweite Leitung mit einer dritten Spannungsquelle über ein Kapazitätselement verbunden. Man könnte auch sagen, dass die zweite Leitung mit der dritten Spannungsquelle kapazitiv gekoppelt oder wechselstromgekoppelt ist. Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform ist die zweite elektrische Quelle die dritte Spannungsquelle. Es wird davon ausgegangen, dass die dritte Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle ist. Die dritte Spannungsquelle könnte eine Schutzspannungsquelle eines Messkreises des kapazitiven Sensors sein, und das Kapazitätselement könnte die Kapazität zwischen der entsprechenden Schutzelektrode und dem Rahmen darstellen. Die Diagnoseschaltung kann ausgestaltet sein, um in einem ersten Schritt die dritte Spannungsquelle zu aktivieren und die zweite Spannungsquelle zu deaktivieren und in einem zweiten Schritt die zweite Spannungsquelle zu aktivieren. In dem ersten Schritt soll ein Strom in den Signaleingang des Transimpedanzverstärkers fließen. Wenn jedoch die Verbindung zwischen der dritten Spannungsquelle und dem Signaleingang beschädigt wird, kann der Strom vernachlässigbar werden. Ein solch vernachlässigbarer Strom könnte jedoch auch darauf zurückzuführen sein, dass die Erdungsimpedanz sehr niedrig ist, weshalb der von der dritten Spannungsquelle stammende Strom fast vollständig durch die Erdungsimpedanz zur Masse fließt. In dem zweiten Schritt wird jedoch die dritte Spannungsquelle deaktiviert und durch Aktivieren der zweiten Spannungsquelle folgt die Spannung am Signaleingang der Spannung am Bezugseingang. Unter diesen Umständen fließt ein nicht vernachlässigbarer Strom durch den Signaleingang, es sei denn, die Verbindung zwischen dem Signaleingang und dem Rahmen wird unterbrochen. Die von der dritten Spannungsquelle an den Rahmen angelegte Spannung kann auch als ein zweites Diagnosesignal angesehen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Diagnoseschaltung zwei Transimpedanzverstärker aufweisen. Genauer gesagt weist die Diagnoseschaltung (zusätzlich zum ersten Transimpedanzverstärker) einen zweiten Transimpedanzverstärker auf, mit einem Bezugseingang, der mit einer vierten Spannungsquelle verbunden ist, und einem Signaleingang, der mit einem dritten Knoten verbunden ist, der wechselstromgeerdet und mit der zweiten Leitung verbunden ist, während die Diagnoseschaltung ausgestaltet ist, um eine dritte Spannung eines dritten Ausgangs, der mit dem dritten Knoten verbunden ist, bereitzustellen (und optional zu messen). In dieser Ausführungsform weist die zweite elektrische Quelle den zweiten Transimpedanzverstärker und die vierte Spannungsquelle auf. Ein von der zweiten elektrischen Quelle an den Rahmen angelegtes Signal kann auch als zweites Diagnosesignal angesehen werden. Insbesondere kann die Diagnoseschaltung aus zwei Teilen bestehen, die in ihrem Aufbau ähnlich oder sogar identisch sind. Somit kann der Bezugseingang des ersten Transimpedanzverstärkers mit der zweiten Spannungsquelle verbunden sein, während sein Signaleingang mit dem ersten Knoten über das erste Impedanzelement verbunden ist, während der erste Knoten seinerseits mit der ersten Leitung über das zweite Impedanzelement und mit dem ersten Ausgang über das dritte Impedanzelement verbunden ist. In ähnlicher Weise kann der Bezugseingang des zweiten Transimpedanzverstärkers mit der vierten Spannungsquelle verbunden sein, während sein Signaleingang mit dem dritten Knoten über ein viertes Impedanzelement verbunden ist, während der dritte Knoten wiederum mit der zweiten Leitung über ein fünftes Impedanzelement und mit dem dritten Ausgang und über das sechste Impedanzelement verbunden ist. Das erste bis sechste Impedanzelement ist vorzugsweise ausgestaltet, um einen reinen Wechselstrompfad zwischen dem Rahmen und der Masse bereitzustellen.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine exakte Messung der jeweiligen Widerstände der ersten Leitung und der zweiten Leitung sowie der Erdungsimpedanz, z. B. durch Anwendung der in der WO 1999/059003 A1 und der WO 2000/048010 A1 beschriebenen Verfahren. Unter Bezugnahme auf 1 in der WO 2000/048010 A1 sind z. B. die Spannungsquellen 100 und 101 äquivalent zur ersten und zweiten Spannungsquelle in dieser Ausführungsform. Im vorliegenden Fall werden die Ströme mit dem ersten und zweiten Transimpedanzverstärker gemessen. Während in der WO 2000/048010 A1 drei Kapazitäten berechnet werden, kann das gleiche Prinzip auf die Berechnung der Erdungsimpedanz, des Widerstandes der ersten Leitung (plus der Impedanz des ersten Impedanzelements und gegebenenfalls des zweiten Impedanzelements) und des Widerstandes der zweiten Leitung (plus der Impedanz des vierten Impedanzelements und gegebenenfalls des fünften Impedanzelements) angewendet werden. Somit kann ein Gleichungssystem ähnlich dem in der WO 2000/048010 A1 gezeigten, das auf der Netzwerkanalyse und den Kirchhoffschen Regeln beruht, angewendet werden. Da die Impedanzen des ersten, zweiten, vierten und fünften Impedanzelements bekannt sind, können diese zur Berechnung der Verdrahtungswiderstände der ersten und zweiten Leitung eliminiert werden. Durch Anwenden der Prinzipien der WO 1999/059003 A1 auf den vorliegenden Fall legen die erste und die zweite Spannungsquelle zwei Signale gleicher Frequenz, aber entgegengesetzter Polarität an. Die Amplitude wird so eingestellt, dass die Ströme gleich sind (mit entgegengesetzter Polarität) und kein Strom vom Rahmen zur Masse fließt.
Die Erfindung sieht auch eine Diagnoseschaltung für einen leitenden Rahmen zur Befestigung eines kapazitiven Sensors vor, wobei die Diagnoseschaltung zur Wechselstrom-Erdung des Rahmens ausgestaltet ist und eine elektrische Quelle aufweist, die zur Verbindung mit dem Rahmen über eine erste Leitung ausgestaltet ist, und um ein Diagnosesignal an den Rahmen über die erste Leitung anzulegen, wobei die Diagnoseschaltung ausgestaltet ist, um mit dem Rahmen über eine zweite Leitung verbunden zu werden, und ausgestaltet ist, um mindestens eine Größe, die von dem Diagnosesignal und einer Erdungsverbindung des Rahmens abhängt, bereitzustellen Alle diese Begriffe wurden vorstehend in Bezug auf das erfinderische System erläutert und werden daher nicht noch einmal erläutert.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfinderischen Diagnoseschaltung entsprechen denen des erfinderischen Systems.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfinderischen Systems;
2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfinderischen Systems;
3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfinderischen Systems;
4 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines erfinderischen Systems;
5 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform eines erfinderischen Systems;
6 eine schematische Ansicht einer sechsten Ausführungsform eines erfinderischen Systems; und
7 eine schematische Ansicht einer siebten Ausführungsform eines erfinderischen Systems.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfinderischen Systems 1 zur Erdung und Diagnose, das in Verbindung mit einem Insassenerkennungssystem oder einem Hands-on-Detection-System in einem Fahrzeug verwendet werden kann. Es weist einen Rahmen 2 (dargestellt durch einen Rahmenknoten), der ein Sitzrahmen bzw. ein Lenkradkranz sein kann, und eine Diagnoseschaltung 10 auf. Der Rahmen 2, auf dem ein kapazitiver Sensor (nicht gezeigt) montiert werden soll, hat eine externe Erdungsverbindung, die durch eine Erdungsimpedanz 3 und eine Erdungsverlagerungsspannung 4 gekennzeichnet ist. Die Erdungsimpedanz 3 ist die Impedanz zwischen dem Rahmen 2 und der Masse und kann resistiv, kapazitiv und/oder induktiv sein. Die Erdungsverlagerungsspannung 4 ist innerhalb der Verkabelung eines Fahrzeugs aufgrund von Strömen vorhanden, die durch die Erdungsverbindungen fließen, welche eine nicht vernachlässigbare Impedanz haben.
Der Rahmen 2 ist mit der Diagnoseschaltung 10 über eine erste Leitung 5 verbunden, die einen ersten Verdrahtungswiderstand 6 aufweist und mit einem ersten Schaltungsanschluss 10.1 verbunden ist, und über eine zweite Leitung 7, die einen zweiten Verdrahtungswiderstand 8 aufweist und mit einem zweiten Schaltungsanschluss 10.2 verbunden ist. Die Diagnoseschaltung 10 ist für eine Situation ausgestaltet, in der ein Gleichstrom in den Rahmen 2 eingespeist werden kann, was nicht immer erlaubt oder möglich ist, und in der die externe Erdungsverbindung undefiniert (d. h. vorhanden, nicht vorhanden oder nicht bekannt) ist.
Eine erste elektrische Quelle 11, die in diesem Fall eine erste Spannungsquelle 12 ist, ist über ein erstes Impedanzelement 13, in diesem Fall ein Widerstand, mit einem ersten Knoten 14 verbunden, der über einen ersten Kondensator 16 wechselstromgeerdet ist. Der erste Knoten 14 ist ebenfalls mit einem ersten Ausgang 15 verbunden und mit der ersten Leitung 5 über ein zweites Impedanzelement 17 verbunden, das in diesem Fall eine Parallelschaltung eines ersten Widerstandes 18 und eines zweiten Kondensators 19 ist. Der erste Ausgang 15 kann an einen ADC-Eingang eines Mikrokontrollers angeschlossen werden (der hier nicht dargestellt ist). Die zweite Leitung 7 ist mit einem zweiten Knoten 20 verbunden, der über einen dritten Kondensator 21 wechselstromgeerdet und über einen zweiten Widerstand 22 gleichstromgeerdet ist. In dieser Ausführungsform ist der Rahmen 2 über den ersten und zweiten Kondensator 16, 19 sowie über den dritten Kondensator 21 wechselstromgeerdet, wobei eine redundante Wechselstrom-Erdung vorgesehen ist. Es wäre möglich, z. B. den ersten und zweiten Kondensator 16, 19 wegzulassen. Die erste Spannungsquelle 12 kann eine Wechselspannungsquelle oder eine Gleichspannungsquelle sein. Die Widerstände 18, 22 können weggelassen werden, wenn es sich um eine Wechselspannungsquelle handelt.
Zur Durchführung der Diagnose legt die erste Spannungsquelle 12 ein Diagnosesignal mit mindestens zwei verschiedenen Gleichspannungspegeln an. Für jeden dieser Spannungspegel wird die Spannung am ersten Ausgang 15 gemessen (entweder durch die Diagnoseschaltung 10 oder durch eine externe Messvorrichtung). Diese Spannung ist durch den bekannten Spannungspegel der ersten Spannungsquelle 12, das erste und zweite Impedanzelement 13, 17, den unbekannten ersten und zweiten Verdrahtungswiderstand 6, 8, die Erdungsimpedanz 3 und die unbekannte Erdungsverlagerungsspannung 4 definiert. Durch Auswerten der Ergebnisse der beiden Messungen lassen sich die äquivalente Quellenspannung und der äquivalente Quellenwiderstand einer Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einem Widerstand (Thevenin-Ersatzschaltung), die zwischen Masse und dem ersten Schaltungsanschluss 10.1 angeschlossen ist, berechnen. Der berechnete Quellenwiderstand weist einen Beitrag aus dem ersten Verdrahtungswiderstand 6 auf, wobei der verbleibende Widerstand zwischen dem Rahmen 2 und Masse kleiner als der berechnete Quellenwiderstand sein muss. Die berechnete Quellenspannung kann darüber hinaus zur Diagnose eines Kurzschlusses zwischen dem ersten Schaltungsanschluss 10.1 oder dem Rahmen 2 und einer externen Spannungsquelle verwendet werden, die einen größeren Spannungspegel als die Erdungsverlagerungsspannung 4 hat, z. B. die Batteriespannung.
Die Messung der Spannung am ersten Ausgang 15 ermöglicht auch die Bestimmung einer Gesamtimpedanz und eines Gesamtwiderstandes. In dieser Hinsicht ermöglicht der erste Widerstand 18 die Erkennung eines Kurzschlusses zwischen dem ersten Knoten 14 und Masse, da der gemessene Gesamtwiderstand immer höher sein muss als der Widerstand des ersten Widerstandes 18.
Alternativ kann die erste Spannungsquelle 12 auch ein Wechselspannungssignal liefern. Vorzugsweise unterscheidet sich die Frequenz des Wechselspannungssignals von der Messfrequenz des kapazitiven Messsystems (und vorzugsweise sind auch ihre jeweiligen Oberwellen unterschiedlich). Im Allgemeinen kann es ausreichend sein, wenn es keine signifikante Korrelation zwischen dem Diagnosesignal und dem für die Messung verwendeten Signal gibt. Dies ermöglicht den parallelen Betrieb des kapazitiven Messsystems und der Diagnoseschaltung 10, ohne dass es zu einer Störung zwischen den beiden kommt. Wenn die beiden Frequenzen gleich sind, müssen beide Messungen abwechselnd durchgeführt werden. Ähnliche Anforderungen gelten für andere Wechselspannungsquellen und Wechselstromquellen, auf die weiter unten Bezug genommen wird.
Durch die Erzeugung eines Wechselstromsignals mit bekannten Eigenschaften wird der Einfluss der Erdungsverlagerungsspannung 4 auf das Diagnosemessergebnis eliminiert, vorausgesetzt, es besteht keine Korrelation zwischen den von der ersten Spannungsquelle 12 erzeugten Signalen und der Erdungsverlagerungsspannung 4. Um den obigen äquivalenten Quellenwiderstand zu messen, reichen lediglich ein von der ersten Spannungsquelle 12 erzeugter Wechselspannungspegel und eine Messung am Ausgang 15 aus.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfinderischen Systems 1, die mit der in 1 gezeigten Ausführungsform weitgehend identisch ist und daher nicht noch einmal im Detail erläutert werden soll. Allerdings wurde das erste Impedanzelement 13 weggelassen und die erste elektrische Quelle 11 ist eine Gleich- oder Wechselstromquelle 23 mit bekanntem Ausgangsstrompegel. Alle für das System 1 in 1 beschriebene Messungen können in gleicher Weise auf das System 1 in 2 angewendet werden, indem der entsprechende Strompegel und die Wechselstrom- oder Gleichstrom-Betriebsart der Stromquelle 23 eingestellt werden.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfinderischen Systems 1, die weitgehend mit der in 1 gezeigten Ausführungsform identisch ist. Der zweite Knoten 20 ist jedoch mit einem zweiten Ausgang 24 verbunden, der z. B. an denselben Mikrokontroller wie der erste Ausgang 15 angeschlossen werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform sind keine sequentiellen Gleichstrommessungen erforderlich. Die erste Spannungsquelle 12 legt eine Gleichspannung an, und die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Ausgang 15, 24 wird gemessen und ausgewertet. Wenn die Spannungsdifferenz unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, gelten die Verbindungen zwischen den Schaltungsanschlüssen 10.1, 10.2 und dem Rahmen 2 als intakt. Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform in 2 könnte die erste Spannungsquelle 12 durch eine Stromquelle 23 ersetzt und das erste Impedanzelement 13 weggelassen werden.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfinderischen Systems 1, die wiederum der in 1 gezeigten Ausführungsform weitgehend ähnlich ist. Diese Ausführungsform ist jedoch für eine Situation ausgestaltet, in der kein Gleichstrom in den Rahmen 2 eingespeist werden darf und in der die äußere Verbindung zwischen Rahmen und Masse nicht definiert ist (vorhanden, nicht vorhanden oder nicht bekannt). Um zu verhindern, dass ein Gleichstrom zwischen dem Rahmen 2 und Masse fließt, sind das erste und zweite Impedanzelement 13, 17 entweder rein kapazitiv oder eine Reihenschaltung aus einer Kapazität und einem Widerstand. Dasselbe gilt für ein drittes Impedanzelement, durch das der erste Ausgang 15 mit dem ersten Knoten 14 verbunden ist. Auch die Gleichstrom-Erdungsverbindung über den zweiten Widerstand 22 wurde eliminiert. In dieser Ausführungsform muss die erste Spannungsquelle 12 natürlich eine Wechselspannungsquelle sein. In dieser Ausführungsform könnte die erste Spannungsquelle 12 durch eine Stromquelle ersetzt und das erste Impedanzelement 13 weggelassen werden. Die Wechselstrom-Erdung und -diagnose ist ähnlich der Ausführungsform in 1, mit der Ausnahme, dass zwischen dem Rahmen 2 und Masse ein reiner Wechselstrompfad besteht. Auch hier wäre es möglich, den zweiten Knoten 20 mit dem zweiten Ausgang 24 zu verbinden, um eine Differenzmessung von zwei Spannungen durchzuführen.
Jede der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen lässt sich für den Fall vereinfachen, dass der Rahmen 2 über die Impedanz 3 in definierter Weise bereits extern an Masse angeschlossen ist. In diesem Fall können der dritte Kondensator 21 und der zweite Widerstand 22 weggelassen werden.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfinderischen Systems 1 für eine Situation, in der ein Gleichstrom nicht in den Rahmen 2 eingespeist werden darf und in der die externe Verbindung zwischen Rahmen 2 und Masse undefiniert ist (vorhanden, nicht vorhanden oder nicht bekannt). Auch hier sind das erste, zweite und dritte Impedanzelement 13, 17, 25 so gewählt, dass zwischen dem ersten Stromkreisanschluss 10.1 und Masse ein reiner Wechselstrompfad besteht. Die Diagnoseschaltung 10 weist einen ersten Transimpedanzverstärker 26 mit einem Signaleingang 26.1, einem Bezugseingang 26.2 und einem Ausgang 26.3 auf. Der Signaleingang 26.1 ist mit dem ersten Knoten 14 über das erste Impedanzelement 13 verbunden, während der Bezugseingang 26.2 mit einer zweiten Spannungsquelle 27 verbunden ist. Die zweite Leitung 7 ist, über einen vierten Kondensator 28, mit einer dritten Spannungsquelle 29 verbunden, die allgemeiner als eine zweite elektrische Quelle 31 angesehen werden kann. Optional kann die dritte Spannungsquelle 29 die Schutzspannungsquelle einer Schaltung zur Messung eines kapazitiven Lademodus sein, und der vierte Kondensator 28 kann die Kapazität zwischen einer Schutzelektrode und dem Rahmen 2 sein. In diesem Fall hat der zweite Verdrahtungswiderstand 8 0 Ohm.
In einem ersten Schritt erzeugt die dritte Spannungsquelle 29 eine Wechselspannung und die zweite Spannungsquelle 27 ist deaktiviert. Ein Strom fließt durch den vierten Kondensator 28, den zweiten Verdrahtungswiderstand 8, den ersten Verdrahtungswiderstand 6, das zweite Impedanzelement 17 und das erste Impedanzelement 13 in den Signaleingang 26.1 des ersten Transimpedanzverstärkers 26 und erzeugt eine entsprechende Ausgangsspannung am Ausgang 26.3. Wenn es zu einer Unterbrechung in der Verbindung zwischen dem ersten Schaltungsanschluss 10.1 und dem Rahmen 2 kommt, fließt kein Strom in den ersten Transimpedanzverstärker 26 und es gibt keine Ausgangsspannung am Ausgang 26.3, was als Kriterium zur Ausgabe eines Fehlersignals oder ähnlichem verwendet werden kann. Eine weitere Ursache für einen vernachlässigbaren Strom in den Signaleingang 26.1 kann jedoch auch darin liegen, dass die Erdungsimpedanz 3 so niedrig ist, dass im Wesentlichen der gesamte von der dritten Spannungsquelle 29 bereitgestellte Strom zur Masse fließt. Daher wird ein zweiter Messschritt durchgeführt. Die zweite Spannungsquelle 27 wird eingeschaltet und erzeugt ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz, die sich vorzugsweise von der kapazitiven Messfrequenz (und damit vom Signal der dritten Spannungsquelle 29, falls diese die Schutzspannungsquelle ist) unterscheidet. Dabei hilft der erste Transimpedanzverstärker 26, den Rahmen 2 für die kapazitive Messfrequenz auf Wechselstrommasse zu halten. Alternativ muss bei gleicher Frequenz die dritte Spannungsquelle 29 vorübergehend abgeschaltet werden, wodurch ebenfalls die kapazitive Messung unterbrochen wird. Da die Spannung am Signaleingang 26.1 der Spannung des Bezugseingangs 26.2 folgt, wird sie im Wesentlichen durch die zweite Spannungsquelle 27 definiert. Daher ist der durch den Bezugseingang 26.2 fließende Strom, und damit die Spannung am Ausgang 26,3, bezeichnend für den Strom, der durch den ersten Verdrahtungswiderstand 6 fließt. Daher kann eine potentielle Unterbrechung aus dem Spannungspegel des Ausgangs 26.3 abgeleitet werden. Der erste Ausgang 15 ist in dieser Ausführungsform optional und ermöglicht die Erkennung eines direkten Kurzschlusses des ersten Kondensators 16, wie in den Ausführungsformen der 1 bis 4. Man kann auch sagen, dass in dieser Ausführungsform die erste elektrische Quelle 11 ein erstes Diagnosesignal an den Rahmen 2 anlegt, während die zweite elektrische Quelle 31 ein zweites Diagnosesignal anlegt.
Die Ausführungsform in 5 kann für den Fall vereinfacht werden, wenn der Rahmen 2 bereits in einer definierter Weise über die Erdungsimpedanz 3 extern an Masse angeschlossen ist. In diesem Fall können der vierte Kondensator 28 und die dritte Spannungsquelle 29 weggelassen werden.
6 zeigt eine Ausführungsform, die die exakte Messung der Verdrahtungswiderstände 6 und 8 sowie der Erdungsimpedanz 3 ermöglicht. Hinsichtlich der an die erste Leitung 5 angeschlossenen Bauteile ist diese Ausführungsform mit der in 5 gezeigten Ausführungsform identisch. Jedoch ist ein Signaleingang 36.1 eines zweiten Transimpedanzverstärkers 36 über ein viertes Impedanzelement 30 mit einem dritten Knoten 32 verbunden, der seinerseits mit der zweiten Leitung 7 über ein fünftes Impedanzelement 35 verbunden ist. Der zweite Knoten 32 ist wie der erste Knoten 14 über einen fünften Kondensator 34 wechselstromgeerdet und mit einem dritten Ausgang 33 über ein sechstes Impedanzelement 38 verbunden. Der Bezugseingang 36.2 des zweiten Transimpedanzverstärkers 36 ist mit einer vierten Spannungsquelle 37 verbunden. Der zweite Transimpedanzverstärker 36 und die vierte Spannungsquelle können als Teile einer zweiten elektrischen Quelle 31 angesehen werden. Die erste und die vierte Spannungsquelle 27, 37 erzeugen jeweils Wechselspannungen mit einer Frequenz, die sich von der kapazitiven Messfrequenz unterscheidet. Dadurch können die Transimpedanzverstärker 26, 36 dazu beitragen, die Schaltungsanschlüsse 10.1, 10.2 bei Wechselstrommasse auf der kapazitiven Messfrequenz zu halten. Wenn eine der Frequenzen der Spannungsquellen 27, 37 mit der kapazitiven Messfrequenz übereinstimmt, können die Diagnose und die kapazitive Messung nicht gleichzeitig durchgeführt werden.
Durch Einstellen der Wechselspannungsquellen 27, 37 auf unterschiedliche Pegel können die Verdrahtungswiderstände 6, 8 und die Erdungsimpedanz 3 mit den in der WO 1999/059003 A1 bzw. der WO 2000/048010 A1 beschriebenen Verfahren bestimmt werden.
7 zeigt eine siebte Ausführungsform eines erfinderischen Systems 1, die als eine Kombination der Ausführungsformen von 1 und 5 angesehen werden kann. Die zweite Spannungsquelle 27 erzeugt eine Wechselspannung am Signaleingang 26.1 des Transimpedanzverstärkers 26. Ähnlich wie die Ausführungsform in 1 deutet die Ausgangsspannung des Ausgangs 26.3 auf die äquivalente Reihenimpedanz eines Thevenin-Ersatzschaltkreises hin, wie für die Ausführungsform in 1 beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: System
2: Rahmen
3: Erdungsimpedanz
4: Erdungsverlagerungsspannung
5, 7: Leitung
6, 8: Verdrahtungswiderstand
10: Diagnoseschaltung
10.1, 10.2: Schaltungsanschluss
11, 31: elektrische Quelle
12, 27, 29, 37: Spannungsquelle
13, 17, 25, 30, 35, 38: Impedanzelement
14, 20, 32: Knoten
15,24,33: Ausgang
16, 19, 21, 28, 34: Kondensator
18, 22: Widerstand
23: Stromquelle
26, 36: Transimpedanzverstärker
26.1, 36.1: Signaleingang
26.2, 36.2: Bezugseingang
26.3, 36.3: Ausgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 1999/059003 A1 [0027, 0046]
WO 2000/048010 A1 [0027, 0046]

Claims

Ein System (1) zur Erdung und Diagnose, das Folgendes aufweist: - einen leitenden Rahmen (2) zum Befestigen eines kapazitiven Sensors; und - eine Diagnoseschaltung (10), durch die der Rahmen (2) wechselstromgeerdet ist, und die eine elektrische Quelle (11) aufweist, die mit dem Rahmen (2) über eine erste Leitung (5) verbunden und ausgestaltet ist, um über die erste Leitung (5) ein Diagnosesignal an den Rahmen (2) anzulegen, wobei die Diagnoseschaltung (10) mit dem Rahmen (2) über eine zweite Leitung (7) verbunden und ausgestaltet ist, um mindestens eine Größe bereitzustellen, die von dem Diagnosesignal und einer Erdungsverbindung des Rahmens (2) abhängt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2) über mindestens eine von der ersten Leitung (5) und der zweiten Leitung (7) wechselstromgeerdet ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseschaltung (10) ausgestaltet ist, um mindestens eine Größe bereitzustellen, die die Bestimmung mindestens einer von einer Erdungsimpedanz (3) und/oder einer Erdungsverlagerungsspannung (4), die der Rahmen (2) im Hinblick auf die Erdung hat, ermöglicht.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Quelle (11) eine erste Spannungsquelle (12) oder eine Stromquelle (23) ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Quelle (11) mit der ersten Leitung (5) über ein erstes Impedanzelement (13) verbunden ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Quelle (11) mit der ersten Leitung (5) über einen ersten Knoten (14), der wechselstromgeerdet ist, verbunden ist.
System gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseschaltung (10) ausgestaltet ist, um eine erste Spannung eines ersten Ausgangs (15), der mit dem ersten Knoten (14) verbunden ist, bereitzustellen.
System gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Impedanzelement (17) zwischen dem ersten Knoten (14) und der ersten Leitung (5) angeschlossen ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (7) mit einem zweiten Knoten (20), der zumindest wechselstromgeerdet ist, verbunden ist.
System gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseschaltung (10) ausgestaltet ist, um einen Unterschied zwischen der ersten Spannung und einer zweiten Spannung eines zweiten Ausgangs (24), der mit dem zweiten Knoten (20) verbunden ist, zu messen.
System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgang (15) mit dem ersten Knoten (14) über ein drittes Impedanzelement (25) verbunden ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseschaltung (10) eine zweite elektrische Quelle (31) aufweist, die mit dem Rahmen (2) über die zweite Leitung (7) verbunden ist.
System gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Quelle (11) einen ersten Transimpedanzverstärker (26) aufweist, mit einem Bezugseingang (26.2), der mit einer zweiten Spannungsquelle (27) verbunden ist, und mit einem Signaleingang (26.1), der mit dem ersten Knoten (14) verbunden ist.
System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (7) mit einer dritten Spannungsquelle (29) über ein Kapazitanzelement (21) verbunden ist.
System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseschaltung (10) einen zweiten Transimpedanzverstärker (36) mit einem Bezugseingang (36.2) aufweist, der mit einer vierten Spannungsquelle (37) verbunden ist, und mit einem Signaleingang (36.1), der mit einem dritten Knoten (32) verbunden ist, der wechselstromgeerdet und mit der zweiten Leitung (7) verbunden ist, und dass die Diagnoseschaltung (10) ausgestaltet ist, um eine dritte Spannung eines dritten Ausgangs (33), der mit dem dritten Knoten (32) verbunden ist, bereitzustellen.
Eine Diagnoseschaltung (10) für einen leitenden Rahmen (2) zur Befestigung eines kapazitiven Sensors, wobei die Diagnoseschaltung (10) zur Wechselstrom-Erdung des Rahmens (2) ausgestaltet ist und eine elektrische Quelle (11) aufweist, die zur Verbindung mit dem Rahmen (2) über eine erste Leitung (5) ausgestaltet ist, und um ein Diagnosesignal an den Rahmen (2) über die erste Leitung (5) anzulegen, wobei die Diagnoseschaltung (10) ausgestaltet ist, um mit dem Rahmen (2) über eine zweite Leitung (7) verbunden zu werden, und ausgestaltet ist, um mindestens eine Größe, die von dem Diagnosesignal und einer Erdverbindung des Rahmens (2) abhängt, bereitzustellen.