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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Belastungen in
Fahrzeugen wie die Belastungen, die in Lastmeßgrößenumformern gemessen werden,
welche in den Kupplungen zwischen Zug- und Anhängefahrzeugen angeordnet sind.
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Solche
Belastungsmeßvorrichtungen
zur Anwendung bei Fahrzeugen, wie für die Bestimmung der Kuppelkraft,
müssen
in schwierigen Umgebungsbedingungen betreibbar und funktionsfähig sein. Dies
erfordert, daß die
Sensoren und zugehörige Schnittstellenanordnungen
in großer
Nähe angeordnet
sind und, idealerweise, als eine einteilige, vollkommen geschlossene
Baugruppe mit der geringstmöglichen
Anzahl externer Verbindungen mit einer Hauptelektroniksteuereinheit
des Fahrzeugs verbunden ist.
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Bei
solchen Vorrichtungen bestehen Schwierigkeiten bei der Eichung hinsichtlich
sowohl der Betriebsart Nullpunkteinstellung als auch der Betriebsart
Eichung. Es ist im Stand der Technik bekannt, externe Einrichtungen
zum Generieren eines einzelnen Eichvorgangs zu benutzen, der im
normalen Fahrzeugbetrieb nicht wiederholbar ist. Derartige Einrichtungen
erfüllen
nicht die gewünschte
Forderung nach Nullpunkteinstellung und Eichung am Fahrzeug während dessen
Betriebs, in dem Eingaben zur Nullpunkteinstellung nicht gesteuert
werden können
und in dem eine periodische Wiederholung des Vorgangs wünschenswert
wäre.
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Die
EP 0 423 622 B1 beschreibt
ein Detektorsystem mit einem Detektor, einer Diagnoseeinrichtung
für den
Detektor und einer Signalverarbeitungseinrichtung. Zur Online-Stimulation
des Detektors wird diesem von der Verarbeitungseinrichtung ein Stimulationssignal
zugeführt.
Anschließend
wertet die Signalverarbeitungseinrichtung das Ausgangssignal des
Detektors aus und diagnostiziert den Zustand des Detektors.
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Aus
der
US 4,691,290 A ist
eine Waage mit Kriechfehlerausgleich bekannt, die eine Wägevorrichtung,
Mittel zur Gewichtsdarstellung und Mittel zur Vorausbestimmung des
Kriechzustands der Wägevorrichtung
unter Verwendung der Gewichtsdarstellung aufweist. Um eine Anzeige
des Gewichts auf der Wägevorrichtung
mit Kriechfehlerausgleich zu schaffen, sind weiterhin Mittel zur
Kombination des Kriechzustands mit der Gewichtsdarstellung vorgesehen.
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Die
GB 2 215 469 A beschreibt
eine Wägemaschine
mit einer Meßdosenanordnung,
die durch einen Anregungssignal-Generator erregt wird, um ein von
der ausgeübten
Last abhängiges
analoges Ausgangssignal bereitzustellen. Ein Analog-Digital-Wandler
und ein digitaler Filter verarbeiten das Ausgangssignal. Die Wägemaschine
hat eine Selbstkalibrierung, wobei Referenzspannungen an den Analog-Digital-Wandler
und entsprechende digitale Filter geliefert werden, die Signale
erzeugen, deren Werte mit gespeicherten Werten verglichen werden, die
während
der Anfangskalibrierung der Maschine erzeugt wurden.
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Die
EP 0 225 118 A2 offenbart
eine adressierbare Wandlerschnittstelle, die einem speziellen elektrischen
Wandler zugeordnet ist, wobei Korrekturdaten zur Korrektur von den
Wandler betreffenden Fehlern gespeichert werden, so daß beim Adressieren
der Schnittstelle durch externe Steuerglieder die Korrekturdaten
zusammen mit den Meßdaten
von der Schnittstelle an die Steuerglieder übermittelt werden. Dadurch
lassen sich Meßfehler
des Wandlers während
der Nutzung des Wandlers korrigieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile
bekannter Vorrichtungen zu überwinden.
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Diese
Aufgabe löst
eine Vorrichtung zum Messen von Belastungen unter Verwendung von Dehnungs-
oder Wegmeßfühlern und
einer lokalen elektronischen Schnittstelle, die mit einer Hauptelektronikeinheit
in einem Fahrzeug verbindbar ist, dem die Belastungsmeßvorrichtung
zugeordnet ist, wobei die Belastungsmeßvorrichtung erfindungsgemäß eine interne
Mikrosteuereinheit in der Schnittstelle aufweist, die von der Hauptelektronikeinheit
angewiesen werden kann, Bauteile der Belastungsmeßvorrichtung
sowohl in die Betriebsart Nullpunkteinstellung als auch in die Betriebsart
Eichung zu schalten, wobei die Mikrosteuereinheit einen elektrisch veränderbaren,
nichtflüchtigen
Speicher aufweist, der die Nullpunkteinstellung und die Eichung
betreffende Daten zur späteren
Verwendung in der normalen Betriebsart der Vorrichtung (Belastungsmessung) zu
speichern vermag.
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Vorzugsweise
sind die Dehnungs- oder Wegmeßfühler und
die lokale elektronische Schnittstelle gemeinsam in einer dicht
abgeschlossenen Umhüllung
angeordnet.
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Vorzugsweise
können
Einstellungen der Arbeitsweise der Schnittstelle über die
interne Mikrosteuereinheit vorgenommen werden, die digital arbeitet
und Signale von einem Sensorverstärker über einen Analog/Digital-Wandler
zu empfangen vermag, wobei die Mikrosteuereinheit eine Sensornullpunktverschiebung
durch Anlegen einer Ausgleichsspannung an den Eingang des Sensorverstärkers über einen
beliebigen Digital/Analog-Wandler und die interne Nullpunkteinstellung
durch Kurzschließen
des Ausgangs des Sensors einzustellen vermag, derart, daß am Sensorverstärker ein
Nulleingangszustand erzeugt wird, wobei das Ergebnis des Vorgangs
des Auslesens des Analog/Digital-Wandlers in der sich im Nulleingangszustand
befindlichen Mikrosteuereinheit im nichtflüchtigen Speicher zur Benutzung
bei der Ableitung nullkorrigierter Werte für spätere Messungen gespeichert
wird.
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Bei
einer Ausführungsform
wird der Nullastzustand durch eine zugehörige externe Mikrosteuereinheit
der Hauptelektronikeinheit gesteuert, die ein Nulltest-Befehlssignal durch
Auswertung und/oder Ableitung von laufenden Messungen erzeugt und
zu einem verschiedenen Zeitpunkt in Abhängigkeit von einem externen
Eingang der Mikrosteuereinheit, die auch die Eichinformationen überträgt, einen
Eichbefehl an die Schnittstellen-Mikrosteuereinheit weiterleitet.
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Die
Schnittstellen-Mikrosteuereinheit beeinflußt auch den Signalbereich des
Sensors nach Korrektur aufgrund von Veränderungen der Versorgungsspannung
durch Multiplizieren von eingegebenen Messungen mit einem festen
Eichfaktor, der automatisch eingestellt wird, wenn in die Eichbetriebsart
eingetreten wird und ein Signal von einer externen Quelle, welche
die Mikrosteuereinheit sein kann, an die Schnittstellen-Mikrosteuereinheit
gesendet wird, das die auf das Sensorsystem wirkende Last anzeigt, um
eine korrekt skalierte Ausgabe abzugeben, wonach der Eichfaktor
im nichtflüchtigen
Speicher der Schnittstelle gespeichert und bei allen späteren Messungen
benutzt wird.
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Die
Einstellung für
Nullpunkt und Eichung kann in einem der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit zugeordneten
nichtflüchtigen
Speicher gespeichert werden und in Kraft bleiben, bis in Abhängigkeit
von Meßbedingungen
oder externen Anreizen wieder in Nullpunkteinstellungs- und Eichbetriebsarten
eingetreten wird, wobei nach Beendigung dieser Prozedur die generierten
neuen Parameter in den nichtflüchtigen
Speicher überschrieben
oder in neue Speicherplätze
eingeschrieben werden und ein Zeiger zu diesen neuen Speicherplätzen eingestellt
wird.
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Die
Korrektur einer Drift der Schnittstellenelektronik erfolgt vorzugsweise
automatisch in durch ein Programm in der lokalen Mikrosteuereinheit
eingestellten regelmäßigen Zeitabständen durch
Festlegen der Sensorausgangsspannung auf Null mittels eines elektronischen
Schalters und Speichern der Nullausgangsspannung nach Umwandlung
in digitale Form und durch Beziehen aller späteren Messungen auf diesen
gespeicherten Nullpegel.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
sind zwei Lastmeßkanäle einer
einzelnen Mikrosteuereinheit- und Schnittstellen-Baugruppe zugeordnet,
bei der eine einzelne bidirektionale Datenübertragungsleitung eine externe
Verbindung zweier Ausgangssignale herstellt, die in Parametern einer
Impulsfolge dargestellt sind, welche die Mikrosteuereinheit in einem
vorbestimmten codierten, seriellen Format erzeugt.
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Vorteilhafterweise
sind die Doppelkanaldaten in einer einfachen, sich wiederholenden
Impulsfolge durch das Impulstastverhältnis (die jeweiligen Zeichen-
und Pausenbreiten) dieser Impulsfolge dargestellt.
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Die
Signalleitung kann auch Sensorsystembefehle leiten, wobei die Umschaltung
auf die Befehlsbetriebsart fernbetätigt wird, vorzugsweise in der
Hauptelektroniksteuereinheit, die die Sensorsignalimpulsfolge empfängt und
auf sie durch Legen dieser Signalleitung auf einen voreingestellten
Pegel eine Zeitdauer lang wirkt, wobei die Unterdrückung des
Ausgangssignals eine Umschaltung auf eine Eingabebetriebsart an
der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit
bewirkt, um die externen Befehlssignale zu empfangen.
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Bei
einigen Ausführungsformen
werden die beiden Messungen von getrennten Sensoren durchgeführt und
werden kombiniert, derart, daß die erforderlichen
zwei Ausgangssignaldaten durch Verarbeiten der analogen Signale
zu Summen- und Differenzsignalen und durch Verstärken der sich ergebenden Spannungen
durch Verstärker
mit voreingestellter Verstärkung
erzeugt werden, in denen die Verstärkungsfaktoren nicht gleich
zu sein brauchen, sondern von der Amplitude der erwarteten Summen-
und Differenzspannungen abhängig
sind.
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Bei
anderen Ausführungsformen
sind die vorstehend genannten zwei analogen Signale, die verarbeitet
werden, ein Originalsensorsignal und das Differenzsignal, und das
zweite Originalsignal wird vom umgewandelten Lastsignal und dem
umgewandelten Differenzsignal abgeleitet.
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Alternativ
kann jedes der beiden Sensorsignale ohne Kombination verstärkt und
umgewandelt werden, wobei die Verarbeitung der Summen- und Differenzsignale
digital in der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit durchgeführt wird,
in welchem Falle einzelne den Nullpunkt und die Eichung betreffende Zahlen
für jedes
der beiden Sensorsignale gespeichert werden.
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Bei
einer noch weiteren Anordnung werden die beiden Sensorsignale durch
eine Kombination von primären
und sekundären
Eingangskräften
erzeugt, und eine Eicheinrichtung mißt jede Kraftkomponente einzeln
nacheinander und dann in Kombination, wobei die lokale Mikrosteuereinheit
alle sich aus gegenseitiger Störung
ergebenden Änderungen
des Ausgangs verarbeitet, um Übersprechkoeffizienten (Koeffizienten
der gegenseitigen Beeinflussung der Signale) zu erzeugen, die in
dem zugehörigen
nichtflüchtigen
Speicher gespeichert und zum Korrigieren der primären und
sekundären
Messungen bei späteren
Auswertungen benutzt werden.
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Vorteilhafterweise
sind die primären
und sekundären
Eingangskräfte
bidirektional und besitzen je zwei Eichfaktoren, welche durch die
abgetastete Richtung der beiden Eingangskräfte ausgewählt werden, und es gibt insgesamt
vier Übersprechkoeffizienten,
die ebenfalls in zweckdienlicher Weise durch Eingangskraftrichtungen
ausgewählt
werden, um jede nachfolgende Messung zu korrigieren.
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Bei
einer bevorzugten Anordnung stellt die Mikrosteuereinheit den Meßbereich
durch Beeinflussen der Brückenversorgungsspannung über einen zweiten
Digital/Analog-Wandler ein, in welchem Fall die Versorgungsspannung
bei normalen Messungen auf einem Pegel gehalten wird, der während eines vorherigen
Eichvorgangs eingestellt wurde, wobei der Versorgungspegel so eingestellt
wurde, daß sich nach
analoger Verarbeitung ein Meßausgangswert ergibt,
der der bekannten tatsächlichen
Belastung entspricht, welche der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit über eine
externe Digitaldatenübertragung übermittelt
wurde, und die digitalen Daten, die den Versorgungspegel einstellen,
werden im nichtflüchtigen Speicher
der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit gespeichert.
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Bei
einer anderen bevorzugten Anordnung stellt die Mikrosteuereinheit
den Meßbereich
durch Ansteuern des digitalen Eingangs eines multiplizierenden D/A-Wandlers ein, der
im Analogsignalweg an einer Stelle angeordnet ist, die eine Ausgabe
mit verhältnismäßig hohem
Pegel erzeugt, um eine geeichte analoge Ausgabe abzugeben, wobei
der digitale Eingang während
einer Eichphase gespeichert ist.
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Dank
der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Belastungsmessung
geschaffen, die eine interne Schnittstellen-Mikrosteuereinheit aufweist, die durch
serielle Übertragungen
angewiesen wird, Routinen zur Nullpunkteinstellung und Eichung auszuführen, wobei
die Ergebnisse in einem nichtflüchtigen
Speicher zur Verwendung bei späteren Messungen
entsprechend einer wiederholbaren Operation gespeichert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Belastungssensor-Subsystems,
mit einer Darstellung seiner Verbindungen mit einer Hauptsystem-Steuereinheit
des Fahrzeugs, die eine Mikrosteuereinheit enthält,
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2 ein
Blockschaltbild eines abgewandelten Belastungssensor-Subsystems in Form
eines 2-Kanal-Systems,
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3 eine 2 ähnliche
Darstellung des Systems unter verschiedenen Betriebszuständen, und
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4 und 5 zwei verschiedene
Abwandlungen des Systems von 2.
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Im
allgemeinen löst
die erfindungsgemäße Anlage
die weiter oben beschriebenen Schwierigkeiten des Standes der Technik
durch die Anwendung einer digitalen Arbeitsweise und von in die
Schnittstelle eingegliederter lokaler Intelligenz, die in der Lage
ist, das Subsystem wie nachstehend beschrieben sowohl in eine Betriebsart
Nullpunkteinstellung als auch in die Betriebsart Eichung zu schalten.
Ein im System benutzter Mikrorechner ist mit einem elektrisch veränderbaren
Dauerspeicher versehen, der Bereiche für die Nullpunkteinstellung
und die Eichung betreffende Daten zur Benutzung in der normalen
Betriebsart zu speichern vermag.
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1 zeigt
in vereinfachter Form ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen "intelligenten" Belastungsmeßanlage,
die mit einer internen Stromversorgung 10 versehen ist,
welche über
eine Spannungsleitung 12 mit einer (nicht dargestellten)
Fahrzeugbatterie zur Schaffung einer lokalen stabilisierten Spannungsquelle
auf ihrer Ausgangsleitung 14 für die Sensor- und Schnittstellen-Schaltungsanordnung
verbunden ist.
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Die
einzigen Verbindungen, die zum Fahrzeugsystem erforderlich sind,
sind die zweckgebundene Versorgungsleitung 12, eine Masseleitung 16 und
eine für
Zweiweginformationsübertragung
ausgelegte Signalleitung 18.
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Das
Sensorsubsystem weist eine Mikrosteuereinheit 20 auf, die
einen Mikrorechner 22 mit einem elektrisch löschbaren
nichtflüchtigen
Speicher 24 und einen Mehrkanal-Analog/Digital-Wandler 26 enthält. Das
Sensorsubsystem umfaßt
ferner eine Brückenanordnung
B, die bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform eine Anzahl (4 Stück) Dehnungsmeßfühler 28,
die auf angelegte Last ansprechen, aufweist und den Eingang eines
Verstärkers 30 über ein
Nulleinstellorgan 32 speist. Wenn dieser Verstärker 30 eine
Ausgabe hohen Pegels erzeugt, wird diese vom A/D-Wandler 26 zusammen
mit der Brückenspeisespannung,
die von der Stromversorgung 10 geliefert wird, gelesen
(über eine
Leitung 34). Die lokale Mikrosteuereinheit 20 liefert
zwei digitale Ausgangssignale, davon das eine an einen Digital/Analog-Wandler 36,
der eine Kompensationsspannung gesteuerten Pegels an einen Signalverstärker 30 abgibt,
und ein Hauptausgangssignal auf einer Leitung 38, das zweckmäßigerweise
in ein Impulssignal umgeformt wird, in dem die Pulsbreite den Kanalmeßwert darstellt.
Dies ist eine Alternative gegenüber
der Bereitstellung eines analogen Ausgangssignals durch die Verwendung
eines (nicht dargestellten) zweiten Digital/Analog-Wandlers, die
für Fahrzeugsysteme
den Vorteil großer
Störsicherheit hat.
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Das
vorstehend beschriebene Sensorsubsystem ist für den Einbau in das abzutastende
mechanische Teil ausgelegt und im fertiggestellten Zustand vollständig geschlossen,
so daß Nach-Einstellungen
nach der Herstellung und später
beim Benutzer durch elektronische Signalübermittlung von einer Systemsteuereinheit
(Hauptsteuereinheit) 40 im Fahrzeug erfolgen, die den Sensorausgang
auf der Leitung 38 (18) abfragt und Befehle zur
Nullpunkt- und Bereichseichung unter verschiedenen Testbedingungen
erteilt, die während
der Fertigung und beim Benutzer erzeugt und angelegt werden können. Selbstverständlich können bei
der "Fertigungsendkontrolle" die entsprechenden
Signale durch einen Simulator der elektronischen Steuereinheit erzeugt werden,
der in einen Belastungskontrollmeßplatz eingegliedert ist.
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In
beiden Fällen
geschieht der Eichvorgang in drei Phasen: 1) die Nullpunkteinstellung
des Eingangsverstärkers 30;
2) die Nullpunkteinstellung des Meßinstrumentes, und 3) die Eichung
des Instrumentenmeßbereichs
(normalerweise in dieser Reihenfolge). Jedoch ist es nicht notwendig,
diese Operationen alle drei bei jedem Eintritt in die Eichbetriebsart auszuführen, und
beispielsweise
wird Phase (1) üblicherweise regelmäßig während des
Fahrzeugbetriebs ausgeführt,
wird
Phase (2) üblicherweise
in Wartungsintervallen ausgeführt,
wenn das Fahrzeug unbeladen und waagerecht ausgerichtet ist, und
wird
Phase (3) weniger häufig,
mit einer bekannten Last, beispielsweise auf einer Brückenwaage
ausgeführt.
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Es
wird nun nacheinander jede Phase des Eichvorgangs untersucht. Die
Sensor-Mikrosteuereinheit 20 wirkt mit einer Mikrosteuereinheit 42 in
der System-Steuereinheit 40 des
Fahrzeugs zusammen, um in die entsprechende Eichbetriebsart einzutreten. Dies
wird durch die Hauptsteuereinheit 40 bzw. die Steuereinheit 42 signalisiert,
welche die Übertragungsleitung 38 (18)
kurzzeitig auf niedrigem Pegel blockiert, was die Sensor-Mikrosteuereinheit 20 als mangelndes
Ansprechen erkennt, und sie wird dann veranlaßt, in eine Empfangsbetriebsart
einzutreten, um von der Hauptsteuereinheit 40 bzw. der
Steuereinheit 42 eine Befehlsnachricht und möglicherweise Daten
zu empfangen. Die erste Phase des Vorgangs wird jedoch regelmäßig während des
normalen Betriebs ausgeführt
und kann wahlweise auch durch die Sensor-Mikrosteuereinheit 20 in die
Wege geleitet werden, weil keine externen Bedingungen zu erfüllen sind
und der Vorgang mit geringstmöglicher
Unterbrechung des Meßzyklus
durchgeführt
werden kann. Eine solche Verstärkernullpunkteinstellung
wird alle paar Minuten durchgeführt,
und dies kann durch einen (nicht dargestellten) internen Zeitgeber
gesteuert oder durch die Hauptsteuereinheit 40 bzw. die
Steuereinheit 42 veranlaßt werden. Beim Empfang des bevorzugten
Intervallzeitimpulses erzeugt die Sensorschaltung eine feste zeitliche
Steuerung der Impulse auf der Leitung 38 zur Messung in
der Hauptsteuereinheit 40 bzw. der Steuereinheit 42,
während sie
die Verstärkernullpunktoperation
ausführt.
Dies geschieht durch Schließen
eines Schalters im Nulleinstellorgan 32 zum Kurzschließen des
Ausgangs der Brücke
B und durch Generieren eines Nulleingangszustands am Differential-Signalverstärker 30. Das
Verstärkerausgangssignal,
das im Idealfall null sein sollte, ist nicht null, wenn Drift eingetreten
ist. Dieser Meßwert
wird im Analog/Digital-Wandler 26 abgetastet und im Speicher
der Sensorschnittstelle gespeichert, wobei alle späteren Meßwerte vor
ihrer Ausgabe als nullkorrigierte Werte auf diesen Pegel bezogen
werden.
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Die
zweite Eichphase wird stets bei statischem Fahrzeugzustand ausgeführt, mit
Steuerung durch die Hauptsteuereinheit
40 bzw. die Mikrosteuereinheit
42,
die das Nichtanliegen von Lastsignalen am Meßsystem und das Fehlen jeder
Bewegung erfaßt.
Gelegentlich kann diese Steuereinheit externe Wartungssignale empfangen,
die eine allgemeine Neueinstellung des Nullpunktes auslösen, wenn
das Fahrzeug vollkommen unbelastet, waagerecht ausgerichtet und
statisch ist, wie es in unserem älteren Patent
EP 0 246 791 beschrieben
ist.
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Dies
ermöglicht
es, jedes Driftsignal vom Abfühlorgan
bzw. der Brückenschaltung
B aus dem Eingangsverstärker 30 durch
Anlegen einer Ausgleichsspannung zu beseitigen, die von der Sensor-Elektroniksteuereinheit 42 über einen
Digital/Analog-Wandler (D/A-W) 36 an den Pluseingang des Verstärkers 30 geliefert
wird; dieses Digital/Analog-Wandlersignal wird so eingestellt, daß jede Sensorausgabe
korrigiert wird und daß die
Sensor-Mikrosteuereinheit 20 die
korrekte Nullsignaleingangsspannung abtastet, die der gleich ist,
welche bei geschlossenem Eingangsschalter abgetastet wurde, d. h.
der Verstärker 30 wird
auf den erwarteten Nullsignalzustand eingestellt. Diese Nullpunkteinstellung
wird durch Software ausgeführt,
die eine auf den Digital/Analog-Wandler 36 wirkende Ausgangseinheit
so einstellt, daß die richtige
Ausgleichsspannungszufuhr ausgeführt
wird, und diese Einstellung der Eingangsschaltung hält den dynamischen
Verstärkerausgangsbereich
auch bei einer großen
Sensordrift aufrecht. Die Ansteuerdaten für den Digital/Analog-Wandler 36 werden
im NVRAM 24 (nichtflüchtiger
Schreib-/Lesespeicher) gespeichert, der ein EEPROM oder ein EAPROM sein
kann, und werden danach bis zur nächsten neuen Nullpunkteinstellung
des Instrumentes aufrechterhalten. Bei einem großen NVRAM ist es möglich, mehrere
benutzte Korrekturpegel in einem Stapelspeicher zu speichern, indem
ein Zeiger zum aktuellen Speicherplatz verwendet wird, der ebenfalls
im NVRAM gespeichert ist, und dies ermöglicht es, die eingetretene
Sensordrift zu protokollieren.
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Die
Meßbereichseichung
wird durch eine externe Ansteuerung über die Hauptsteuereinheit 40 bzw.
die Mikrosteuereinheit 42 (oder ihr simuliertes Äquivalent)
ausgeführt,
weil hier die Anwendung einer bestimmten Last auf das Meßsystem
notwendig ist.
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Die
Last kann ein Eichgewicht oder eine regulierte Kraft sein, die auf
eine bestimmte Stelle am Fahrzeug ausgeübt wird, oder eine willkürliche Last, die
auf das auf einer Brückenwaage
stehende Fahrzeug ausgeübt
wird, wodurch das Messen der Last durch die aufgezeichnete Erhöhung des
gesamten Achs- oder Fahrzeuggewichts ermöglicht wird. In allen Fällen muß der tatsächliche
Wert der angelegten Last in die Hauptsteuereinheit 40 bzw.
die Mikrosteuereinheit 42 über einen (nicht dargestellten)
Diagnoseingang eingegeben werden, und derselbe Wert wird an die
Sensor-Steuereinheit 22 geleitet. Sodann wird der Sensor
abgelesen, und der Eichfaktor ergibt sich aus der Division des letztgenannten
Meßwertes durch
die angelegte Last und durch Speichern des Ergebnisses im NVRAM 24.
Alle späteren
Meßwerte werden
mit diesem Eichfaktor multipliziert, bevor sie nach zweckdienlichem
bekannten Skalieren an die Hauptsteuereinheit 40 bzw. die
Mikrosteuereinheit 42 übertragen
werden.
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2 zeigt
eine weiterentwickelte Version in Form eines Zwei-Kanal-Systems, in dem die
einzige Mikrosteuereinheit 20a die weiter oben beschriebenen
Funktionen ausführt,
jedoch für
zwei Sensoren B1 und B2, die bei der bevorzugten Ausführungsform derselben
Messung zugeordnet sind, wie nachstehend erläutert wird. Jedoch können die
beiden Kanäle
gleichermaßen
gut unabhängig
sein, bei einer kleinen Abwandlung an den Verbindungswegen zwischen
den Vorverstärkern
und den Verarbeitungsverstärkern
(z. B. Operationsverstärkern)
gemäß 2. Die
bevorzugte Ausführungsform
umfaßt
die Messungen, die in einer bestimmten Lastermittlungsaufgabe erforderlich
sind, bei der es notwendig ist, die Summe und die Differenz zweier
Sensorausgangssignale zu messen, um Meßwerte für waagerechte (primäre) und
senkrechte (sekundäre)
Lasten in einer speziellen Struktur zu generieren.
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2 zeigt
die Merkmale entsprechend 1 bei Anwendung
auf diese Aufgabe, bei der die Vorverstärkersignale von einzelnen Sensoren
B1 und B2 weiterverarbeitet und, wenn nötig, zusätzlich verstärkt werden,
um Summen- und Differenzsignale zu erzeugen. Der Vorgang generiert
Ausgangssignale, die in zweckdienlicher Weise skaliert sind, so
daß beispielsweise
das Differenzsignal zur Erzeugung eines großen Analogsignals verstärkt wird,
das bei Umwandlung in eine Zahl durch den A/D-Wandler eine gute
Auflösung
behält.
Die Verstärkung
des Differenzverstärkers
ist durch das erzeugte erwartete maximale Differenzsignal oder durch
den Pegel, der gemessen werden muß, eingestellt. Die verarbeiteten Analogsignale
A1 (a + b) und A2 (a – b) werden über zwei
(nicht dargestellte) A/D-Wandlerkanäle in die Mikrosteuereinheit 20a eingegeben
und in der digitalen Mikrosteuereinheit gespeichert und weiterverarbeitet,
bevor sie zur Bereitstellung der Meßausgangssignale benutzt werden.
Eine Alternative zu den Summier- und Differenzeingängen, die
gemäß 2 verwendet
werden, kann die Auflösung
des Summensignals vergrößern, indem
das Signal b (oder das Signal a) entfernt wird und die Verstärkung des "summierenden" Verstärkers auf
2A1 erhöht
wird. Dies generiert bei Umsetzung ein Signal "a" mit
doppelter Auflösung,
und das Signal b kann in der Mikrosteuereinheit folgendermaßen abgeleitet
werden:
Eingegebene Summe S = 2A1a.
Eingegebene
Differenz D = A2 (a – b).
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Daher
b = a – D/A2.
2A1b = S – D (2A1/A2).
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Dies
erzeugt in der Mikrosteuereinheit drei Signale: 2A1a,
2A1b und A2 (a – b).
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3 zeigt
das Schaltbild für
die Mikrosteuereinheits-Eingänge
2A1a und A2 (a – b).
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Wenn
die Differenzsignale von ähnlicher Größenordnung
sind wie die Grundsignale a und b, könnte es vorteilhaft sein, Signale
A1a und A1b an die Eingänge der
Mikrosteuereinheit anzulegen und diese Signale intern zur Generierung
der Differenzsignale zu verarbeiten.
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Dies
ergibt den Vorteil, daß Eichkorrekturen durch
Software vorgenommen und während
einer erneuten Eichphase mit auf die Struktur ausgeübten vorbestimmten
Lasten automatisch geändert
werden können.
Dies würde
die gleiche Schaltungsauslegung erfordern, jedoch würden die
Summier- und Differenzverstärker
gemäß 2 zu
Verstärkern
mit einem einzigen Eingang und voreingestellter Verstärkung A1 werden.
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Stehen
die erforderlichen Sensorausgangssignale nur durch Verarbeitung
der und/oder Ableitung von den vorstehend beschriebenen Sensorgrundsignalen
zur Verfügung,
kann die beschriebene einfache Summen- und Differenzverarbeitung
infolge leichter Unterschiede bei den Sensororganen, ihrer Anordnung
oder aufgrund der Toleranz von mechanischen Abmessungen an oder
um die Sensorstandorte Fehler verursachen. Die Auswirkung dieser
Differenzen ist im allgemeinen zu erkennen, wenn das Anlegen einer
Sekundäreingabe,
die differentiell abgetastet wird, beispielsweise nicht bewirkt,
daß die
Erhöhung
bei a gleich der Abnahme bei b ist, so daß die Summe (a + b) nicht konstant
bleibt. Diese Störung bei
der Messung der Primärkraft
ist als Übersprechen (cross-talk)
bekannt, und eine Verbesserung der Meßgenauigkeit wird durch Korrigieren
des Übersprechens
erreicht. Umgekehrt tritt reverses Übersprechen auf, wenn, bei
einer bestimmten Sekundärkrafteingabe,
die konstant ist, eine Änderung
der angelegten Primärkraft
die Messung der Sekundärkraft stört. Bei
der beschriebenen Sensoranordnung werden die erforderlichen Übersprechkorrekturen
gemessen und in der Mikrosteuereinheit 20a gespeichert.
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Eine übliche Eichprozedur,
wie nachstehend beschrieben, kann an den mit dem Sensorsystem versehenen
mechanischen Strukturen an einem Meßplatz durchgeführt werden,
der sowohl Primärkräfte als
auch Sekundärkräfte (Summe
+ Differenz) zu erzeugen vermag. Die Meßsysteme werden, wie weiter
oben beschrieben, im lastfreien Zustand genullt. Es wird eine große Primärkraft bis
zu einem bekannten Pegel ausgeübt,
und der Primäreingang
wird geeicht. Die Primäreingabe
wird aufgehoben und es wird eine vorbestimmte Sekundäreingabe
angelegt, und es wird der Sekundärkanal
geeicht. Die Sekundärkraft
wird beibehalten, und die zum Eichen benutzte Primärkraft wird
gleichzeitig erneut angelegt. Die Primär- und Sekundärmeßwerte werden
beide abgelesen und mit den Eichmeßwerten für die einzelnen Kräfte verglichen.
Es werden Differenzzahlen abgeleitet, welche die durch die gleichzeitige
Belastung der Struktur und der Meßsysteme verursachte Verschiebung
der Eichung zeigen. Nach dem Dividieren jeder Verschiebung des Eichwerts
durch die entgegengesetzte angelegte Kraft, und nach Bestimmung eines Übersprechkoeffizienten,
wird jeder spätere Wertesatz
folgendermaßen
korrigiert: Primärlast = Primärablesewert – Sekundärablesewert × sekundärer Übersprechkoeffizient. Sekundärlast
= Sekundärablesewert – Primärablesewert × primärer Übersprechkoeffizient.
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Entsprechende
Schritte der Eichprozedur werden wiederholt, wobei die Richtung
der Sekundärkraft
umgekehrt wird, um ein zweites Paar Übersprechkoeffizienten für die umgekehrte
Richtung der Sekundärlast
zu erzeugen, die gespeichert und für später korrigierte Ablesewerte
ausgewählt
werden, die sich aus der Ermittlung der Richtung der Sekundärbelastung
ergeben.
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Diese
Technik ermöglicht
auch doppelte Eichzahlen für
die Sekundärkraft
in beiden Richtungen ebenso wie doppelte Übersprechkoeffizienten.
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Bei
Strukturen, in denen die Primärlast
in der einen oder der anderen Richtung auftreten kann, wird die
vorstehend beschriebene Eichprozedur bei umgekehrter Richtung der
Primärkraft
wiederholt, und es wird ein vollständiger neuer Satz Eichkoeffizienten abgeleitet
und gespeichert. Auch diese werden als Hauptentscheidung ausgehend
von der ermittelten Richtung der genannten Primärkraft ausgewählt.
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Eine
Reduzierung der Verdrahtung ist ein wichtiges Merkmal heutiger elektronischer
Systeme, und der Signalmultiplexbetrieb ist zu ihrer Verwirklichung
allgemein üblich.
Das beschriebene Meßsystem
benutzt einen einzelnen Übertragungsdraht,
der vorzugsweise zwei Ausgangssignale für Primär- und Sekundärlastmessungen
leitet und Befehle von einem Steuerrechner empfängt, um die Anweisungen zur
Nullpunkteinstellung und Eichung auszuwählen, und während des weiter oben beschriebenen
Eichvorganges Lastwertdaten anzunehmen.
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Die
normale Arbeitsweise ist folgende: Die Primär- und Sekundärlasten
darstellenden Meßsignale
werden von der Mikrosteuereinheit 20 der Meßanlage
als Rechtecksignal veränderlicher
Frequenz ausgegeben. Die Zeichen- und Pausendauern tHPL und tLPL
enthalten die Meßinformationen
nach folgendem Beispiel:
- – Primärwert = Po ± Kp Pm als die Zeichendauer, und
- – Sekundärwert =
So ± Ks Sm als die Pausendauer,
worin
Po und So vorbestimmte
Konstanten, in μs,
für Nullast,
Pm und Sm die Dauern
der Meßimpulse
(Meßimpulsbreiten)
und Kp und Ks Skalierfaktoren
mit den Dimensionen μS/KN
sind.
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Bei
einer Ausführungsform
der Meßanlage werden
die Befehle für
die Eichung nur beim oder kurz nach dem Anlegen der Spannung an
die Schnittstellen-Elektronikschaltung angenommen, und dieses Betriebsartensignal
wird in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt,
um die Anlage in der Eichbetriebsart zu halten. Dies ist eine Sicherheitsmaßnahme,
die verhindert, daß die
Betriebsart eingeschaltet oder beibehalten wird, wenn das Fahrzeug
in Betrieb ist. Während
des Eichens wird die Lastinformation von einer externen Quelle über die
Signalleitung so eingegeben, daß die
Eichung mit einer beliebigen zweckdienlichen Last ausgeführt werden
kann, die verfügbar
ist und durch externe Mittel, z. B. eine Brückenwaage, gemessen werden
kann, oder mit einer externen hydraulischen Vorrichtung ausgeübt wird.
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Eine
alternative Ausführungsform
der anfänglich
beschriebenen Belastungsmeßvorrichtung gemäß 1 ist
in 4 dargestellt. Diese weist ein digitales
Bauteil auf, in dem der Vorgang durch Signale gesteuert wird, die
von einer Elektroniksteuereinheit des Hauptsystems übertragen
werden, und in dem sich auf die Nullpunkteinstellung und die Eichung
beziehende Werte in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert
sind, jedoch wird das Signal in der Schnittstellenelektronik nicht
digital verarbeitet. Dies geschieht so, daß die Signale als analoge Spannungen
oder Ströme
der System-Elektroniksteuereinheit
zugeleitet werden, in der sie selbstverständlich in digitale Daten umgewandelt
werden können.
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4 zeigt ein Blockschaltbild einer Meßanlage,
die nicht so sparsam verdrahtet ist wie die zuvor beschriebene,
weil Verbindungsleitungen ohne Multiplexbetrieb verwendet werden,
da die Anordnung getrennte Analogsignalausgänge aufweist, die verarbeitete
Signale abgeben, wogegen der Vorgang durch die lokale Schnittstellen-Mikrosteuereinheit 20b digital
gesteuert wird, die Befehls- und Eichdaten von der System-Elektroniksteuereinheit über eine
Digitalleitung 40' empfängt, die
in diesem Fall keine Meßausgangsdaten überträgt.
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Die
digitale Steuerung steuert den Meßvorgang über zwei Kanäle der Digital/Analog-Umwandlung
D/A1 und D/A2, die
Nullpunkt und Bereich steuern. Die Nullpunkteinstellung geschieht,
wie weiter oben beschrieben, durch die Zufuhr einer Ausgleichsspannung,
mit der Ausnahme, daß in
diesem Fall die Nullpunkteinstellung auf Befehl der Elektroniksteuereinheit
des Hauptsystems vorgenommen wird, wenn der Sensor in einem Nullastzustand
ist. Die Einstellung der Ausgleichsspannungszufuhr korrigiert sowohl
die Sensor- als auch die Verstärkerdrift. Die
zugeführte
Spannung wird so eingestellt, daß in Nullastzuständen die
Ausgangsspannung auf einen voreingestellten Nullpegel eingestellt
ist, der nicht eine tatsächliche
Nullspannung ist.
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Unter
Eichbedingungen wird in der Anordnung gemäß 4 die
Ausgangsspannung durch Verändern
der Brückenspannung
eingestellt, die durch den D/A-Wandler D/A2 verändert wird,
bis die Ausgangsspannung den der angelegten Last entsprechenden
Pegel erreicht. Diese Ausgangsspannung wird durch den A/D-Wandler,
der die Steuereinheit in der Schnittstelle speist, überwacht,
wodurch eine lokale Einstellung der Werte für die Nullpunkteinstellung
und die Eichung möglich
ist, entsprechend der Auswahl durch die Hauptsystem-Elektroniksteuereinheit,
und wird an die Schnittstellen-Mikrosteuereinheit
zusammen mit Signalen übertragen, welche
die Betriebsarten Nullpunkteinstellung und Eichung in der für die zuerst
angegebene Vorrichtung beschriebenen Weise einschalten.
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Eine
alternative Anordnung des analogen Verarbeitungskanals, die einen
größeren Bereich
für die
Eicheinstellung ermöglicht,
ist in 5 dargestellt. Sie benutzt eine feste, voreingestellte
Brückenspannung
und stellt die Meßverstärkung in
einem multiplizierenden D/A-Wandler MDAC ein, in dem der Multiplikationsfaktor
durch die lokale Schnittstellen-Mikrosteuereinheit 20c so
gewählt
wird, daß in Abhängigkeit
von der Anlegung einer bekannten Last an die Meßvorrichtung ein voreingestelltes
Ausgangssignal erzeugt wird. Diese bekannte Last wird der Schnittstellen-Mikrosteuereinheit
durch die Hauptsystem-Steuereinheit
mitgeteilt, welche die Daten manuell über einen Diagnoseeingang empfängt.