DE3007747A1 - Sensor fuer eine physikalische groesse - Google Patents

Sensor fuer eine physikalische groesse

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Description

28.2.1980 Ve/Hm
ROBERT BOSCH GMBH3 7OOO STUTTGART 1
Sensor für eine physikalische Größe Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Solche Sensoren sind in vielfältiger Weise bekannt, so werden z.B. zur Steuerung einer Brennkraftmaschine über einen Zündungs- und/oder Einspritzrechner Sensoren zur Erfassung der Drehzahl, der Drehwinkelstellung, der Temperatur des Unterdrucks usw. benötigt. Dabei besteht das Problem, daß einmal eine Vielzahl von verschiedenen Sensoren benötigt wird, was die Anlage aufwendig und teuer macht und zum anderen werden Sensoren zur Messung einer ersten physikalischen Größe, z.B. Drehzahlsensoren, durch andere physikalische Größen, z.B. die Temperatur, beeinflußt und verfälschen das Meßergebnis für die erste physikalische Größe. Um dies zu verhindern, ;·■ iri'i eine Vielzahl von Kompensationsschaltungen bekannt.
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Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Beeinflussung eines Sensors für eine erste physikalische Größe durch eine zweite physikalische Größe dazu verwendet wird, die zweite physikalische Größe mit zu messen, so daß nur ein einziger Sensor zur Messung zweier verschiedener physikalischer Größen benötigt wird. Diese zweite physikalische Größe ist in den meisten praktischen Anwendungsfällen die Temperatur oder der Druck.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, z.B. bei einem Piezoresistiven-Drucksensor, bei einem induktiven Sensor oder bei einem Feldplattensensor die Änderung des Innenwiderstands als Folge eines Temperatureinflusses auszuwerten oder bei einem Hall-Sensor entsprechend die Änderung des Versorgungsstroms zu messen. Dadurch kann auf einfache Weise die physikalische Größe Temperatur mitbestimmt werden. Dies gilt "z.B. auch für die physikalische Größe Druck, durch die die entsprechenden Sensorparameter bestimmter Sensortypen verändert werden.
Zur Verstärkung dieses Effekts kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dem Sensor ein durch die zweite physikalische Größe beeinflußbares sensitives Element zugeschaltet werden, z.B. ein temperaturabhängiger Widerstand, sofern als zweite physikalische Größe die Temperatur mit erfaßt werden soll. Hier überlagen sich die Temperatureinflüsse, wobei die durch dieses Element erzeugten Änderungen elektrischer Größen - bei einem Hall-Geber z.B. die Ausgangsspannung - durch die Sensorausgangs-
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leitungen für die erste physikalische Größe mit übertragbar sind. Auf diese Weise kann ohne zusätzliche Leitungen eine weitere physikalische-Größe mit erfaßt und übertragen werden.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels mit einem induktiven Sensor, Fig. 2 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Hall-Sensor, Fig. 3 ein schaltungsmäßiger Aufbau eines Hall-Sensors ohne zusätzliches sensitives Element und Fig. 4 eine Schaltung eines Hall-Sensors mit einem zusätzlichen sensitiven Element.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel steuert ein induktiver Drehzahl- bzw. Winkelmarkensensor 10 einen Zündungsrechner 11. Ein solcher, z.B. als Segmentgeber ausgebildeter Sensor 10 ist z.B. aus der DE-OS 2 5^4 bekannt. Dabei werden segmentartige Blechteile in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine an einem induktiven Element vorbeigeführt und verändern dessen Induktivität, bzw. induzieren eine Spannung. Prinzipiell könnte dieses induktive Element natürlich auch z.B. ein induktiver Weggeber oder ein induktiver Druckgeber sein.
Zur Erfassung der physikalischen Größe Temperatur neben der direkt dem Rechner 11 zugeführten physikalischen Größe Drehzahl bzw. Drehwinkel ist der induktive Sensor 10, bzw. dessen Wicklung mit dem Innenwiderstand Ri als ein Zweig
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einer im übrigen aus drei Widerständen 12 bis Ik bestehenden Brückenschaltung geschaltet, die zwischen einer positiven Versorgungsspannungsklemme 15 und Masse liegt. Die abgegriffene Brückenspannung ist einem Komparator 16 zugeführt, dessen Ausgangsspannung als Istwert I für die Temperaturabweichung im Sensor 10 einer Soll-Istwert-Vergleichsstufe 17 zugeführt ist. Der Sensor 10 ist weiterhin über einen Sollwert-Funktionsgenerator 18 mit dem Sollwerteingang S der Soll-Istwert-Vergleichsstufe 17 verbunden. Deren Ausgang ist über einen Regelverstärker 19 einem Eingang des Rechners 11 zur Erfassung der Temperatur zugeführt. Weiterhin ist der Ausgang des Regelverstärkers 19 über einen Punktionsgenerator 20 zur Schwellenverschiebung zu einem Eingang des !Comparators l6 zurückgeführt.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß der induktive Sensor 10 zunächst eine Drehzahl- bzw. Drehwinkelinformation direkt dem Zündungsrechner 11 abgibt. Zur weiteren Erfassung der physikalischen Größe Temperatur ist der Sensor 10 als ein Zweig einer Brückenschaltung 10, 12, 13, I^ geschaltet. Ändert sich die Temperatur im Sensor 10, so ändert sich gleichzeitig die abgegriffene Brü^kenspmnung, und der Komparator 16 gibt einen anderen Isuwer; vor. Bedingt durch die Physik eines induktiven Drehzahlgebers ist der Temperatureinfluß bei unterschiedlichen Drehzahlen verschieden. Um dies auszugleichen erzeugt der Sollwert-Funktionsgenerator 18 einen sich entsprechend mit der Drehzahl ändernden Sollwert. Der Sollwert ändert sich dabei mit der Funktion, mit der sich auch der Temperatureinfluß bei ändernder Drehzahl verschiebt. Um den Wechselspannungsanteil des Gebers 10 in der Brücke zu kompensieren, verschiebt die Regelspannung des Regelverstärkers 19 über den Funktions generator 20 die Schwelle des Komparators 16. Dadurch wird
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die Brücke wechselspannungsmäßig auf Null geregelt. Der Funktionsgenerator 20 dient zur Anpassung der Spannungen.
In dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Hall-Sensor 21 über eine Klemme 22 mit dem Zündungsrechner 11 verbunden. Ein solcher Hall-Sensor, der im dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum zur Erfassung von Drehzahl bzw. Drehwinkel dienen soll, ist z.B. aus der DE-OS 2 842 386 bekannt. Da ein solcher Hall-Sensor kein kontinuierlich sich veränderndes Ausgangssignal erzeugt, sondern lediglich zwischen zwei Spannungswerten in Abhängigkeit des Passierens eines Segments oder einer Marke hin- und herspringt, kann eine wesentlich vereinfachte Auswerteschaltung für die TemperaturheStimmung verwendet werden. Der Hall-Sensor 21 ist über eine Klemme 23 wiederum mit den Widerständen 12 bis 14 verbunden, die zusammen eine Brückenschaltung bilden. Die Brückenspannung ist einem Differenzverstärker 24 zugeführt, dessen Ausgang über einen Zwischenspeicher 25 dem Temperaturmeßeingang des Rechners 11 zugeführt ist. Der Setzeingang des Speichers 25 ist mit der Klemme 22 verbunden.
In Fig. 3 ist der innere Aufbau eines integrierten Hall-Sensors dargestellt, wie er z.B. aus dem angegebenen Stand der Technik bekannt ist. Die über den Widerstand der Klemme 23 zugeführte Versorgungsspannung ist einem Hall-Element 26, einer Verstärkerstufe 27 sowie über einen Widerstand 28 dem Kollektor eines Ausgangs-Leistungstransistors 29 zugeführt. Dabei liegen die jeweils zweiten Anschlüsse, bzw. der Emitter des Transistors 29 an Masse. Die im Hall-Element infolge des durchfliessenden Stroms erzeugte Spannung wird über den Verstärker 27 der Basis des Transistors 29 zugeführt. Der Kollektor des Transistors 29 ist mit der Ausgangsklemme 22 verbunden.
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β ί 1 a
Die Wirkungsweise des in den Pig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß sich infolge eines Temperatureinflusses hier der Versorgungsstrom ändert, was wiederum zu einer Veränderung der Brückenspannung führt. Da sich die vom Hall-Sensor erzeugte Spannung nicht kontinuierlich mit der Drehzahl ändert, sondern lediglich in Abhängigkeit der Drehzahl zwischen zwei im wesentlichen konstanten Pegeln schwankt, ergibt sich eine wesentlich einfachere Auswerteschaltung gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Brückenspannung ist hier direkt ein Maß für die Temperaturabweichung und wird im Differenzverstärker 2k auf ein auswertbares Maß verstärkt. Auch hier kann bei Bedarf natürlich ein Sollwert-Funktionsgenerator vorgesehen sein, dessen Sollwert sich z.B. mit der Versorgungsspannung ändert, um deren Einfluß auf die Meßgröße auszuschalten. Dieser Generator kann entweder einem oder beiden Eingängen des Differenzverstärkers vorgeschaltet sein, oder auf dessen Verstärkungsfaktor einwirken. Dabei darf natürlich die Stromänderung, bzw. die Änderung der Brückenspannung nur bezüglich eines der beiden Ausgangspegel des Sensors betrachtet werden, da der Strom durch den Hall-Sensor für die beiden Pegel verschieden ist. Um dies zu erreichen, wird der Ausgangswert des Differenzverstärkers 2k zyklisch im Speicher 25 gespeichert, wobei der .'Einspeichervorgang durch eine der Sensorflanken selbst gesteuert werden kann. Bei Bedarf muß noch ein nicht näher dargestelltes Verzögerungsglied vorgesehen werden, damit die Einspeicherung nach einem Pegelwechsel erst dann stattfindet, wenn wieder stationäre Zustände vorliegen.
Im Hall-Element 26 ist gewöhnlich auf einer Platine eine integrierte Auswerteschaltung zugeordnet, durch die das Sensorsignal aufbereitet wird. Dies geschieht im wesentlichen dadurch, daß die infolge des durchfließenden Stroms im Hall-Element 26 erzeugte Querspannung in einer Verstär-
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keranordnung verstärkt wird, wobei der Endstufentransistor durch seinen Schaltzustand die beiden Ausgangspegel vorgibt. Das Hall-Element 26 bildet dabei einen Zweig der Brückenschaltung. Der parallel geschaltete Verstärker ergibt einen zusätzlichen Temperatureffekt durch temperaturabhängige Veränderung des Versorgungsstroms. Dieser zusätzliche Effekt des Verstärkers braucht jedoch prinzipiell nicht vorgesehen sein.
Die in Fig. k angegebene Schaltung eines Hall-Sensors entspricht im wesentlichen der Schaltung gemäß Fig. 3, jedoch ist zusätzlich ein temperaturabhängiger Widerstand 30 parallel zur Schaltstrecke des Endstufentransistors 29 geschaltet. Die Stromversorgung erfolgt direkt über die Versorgungsspannungsklemme 15, und die beiden Klemmen 22, 23 sind beide mit dem Kollektor des Transistors 29 verbunden. Dadurch entfällt der Brückenwiderstand 12. An seine Stelle tritt der Widerstand 28. Durch den temperaturabhängigen Widerstand 30 wird ein größerer Temperatureffekt erzielt, dessen ausgewertete Spannung über die gleichen Verbindungsleitungen gemäß Fig. 2 dem Rechner 11 zugeführt werden kann.
-l
Die Auswerteschaltung für den Temperatureffekt 12 bis 20 bzw. 12 bis Ik, 2k, 25 ist vorzugsweise auf der Geberplatine angeordnet, bzw. mit integriert. Sie kann jedoch natürlich auch im Rechner 11 enthalten sein.
Falls erforderlich, kann das Temperatursignal auch noch anhand einer gewünschten oder vorgegebenen Kennlinie aufbereitet werden. Ein dafür notwendiger Funktionsgenerator kann ebenfalls entweder auf der Geberplatine oder im Rechner 11 entlaaten sein.
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-Jr-
In bekannter Weise kann des Temperatursignal noch mit weiteren Gebersignalen verknüpft werden, sofern der Rechner 11 Informationen über weitere physikalische Größen benötigt.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die angegebenen Ausführungsbeipiele beschränkt, in denen der Einfluß der physikalischen Größe Temperatur auf einen induktiven Sensor und einen Hall-Sensor zur Erfassung der Drehzahl bzw, der Kurbelwellenwinkelstellung beschrieben sind. Dieses Prinzip ist überall dort anwendbar, wo ein beliebiger Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe durch eine zweite physikalische Größe beeinflußt wird. Diese zweite physikalische Größe muß zwangsläufig einen Sensorparameter beeinflussen, z.B. den aufgenommenen Strom oder den Innenwiderstand. Die Auswertung dieser Sensorparameteränderung infolge des Einflusses der zweiten physikalischen Größe ergibt einen Meßwert für diese zweite physikalische Größe selbst.
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R. 6118
28.2.1980 Ve/Hm
ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1
Sensor für eine physikalische Größe Zusammenfassung
Es wird ein Sensor für eine physikalische Größe (z.B. Drehzahl, Weg, Winkelstellung, Druck) vorgeschlagen, wobei die Sensor-Ausgangsgröße durch die zweite physikalische Größe (z.B. Temperatur, Druck) beeinflußt wird. Diese Beeinflussung wird dazu benutzt, diese zweite physikalische Größe ebenfalls zu erfassen, wodurch zwei physikalische Größen durch einen einzigen Sensor erfaßt werden können. Diö Beeinflussung äußert sich in einer Änderung eines Sensorparameters (z.B. Innenwiderstand, Versorgungsstrom) . In einer zusätzlichen elektronischen Auswerteschaltung (1220 bzw. 1214, 2k, 25) wird dies erfaßt und in einen in Abhängigkeit der zweiten physikalischen Größe stehenden Wert umgewandelt.
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Claims (1)

  1. R. 6 1 18
    28.2.1980 Ve/Hm
    ROBERT BOSCH GMBH3 7000 STUTTGART 1
    Ansprüche
    1.)Sensor für eine physikalische Größe, wobei die Sensor-Ausgangsgröße durch eine zweite physikalische Größe beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Erfassung der zweiten physikalischen Größe eine zusätzliche elektronische Auswerteschaltung (12 bis 20 bzw. 12 bis I1J, 21J, 25) für einen Sensorparameter vorgesehen ist, der sich in Abhängigkeit der zweiten physikalischen Größe ändert.
    »2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite physikalische Größe die Temperatur ist.
    3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich ändernde Sensorparameter der Innenwiderstand (z.B. beim Piezo-Drucksensor, induktivem Sensor, Feldplattensensor) bzw. der Versorgungsstrom (z.B. beim Hall-Sensor) ist.
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    k. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Soll-/ Istwert-Vergleichsstufe (17-b'zw. 2k) zur Erfassung der Änderung des Sensorparameters aufweist, deren Ausgangssignal ein Maß für die zweite physikalische Größe ist.
    5. Sensor nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10, 21) einen Teil einer Brückenschaltung (12 bis Ik) bildet, wobei die Brückenquerspannung der Soll-/ Istwert-Vergleichsstufe (17, 24) zugeführt ist.
    6. Sensor, dessen Sensorparameter zur Erfassung der zweiten physikalischen Größe sich auch in Abhängigkeit der ersten physikalischen Größe stetig ändert, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung (18, 20) für den Einfluß der ersten physikalischen Größe auf den Sensorparameter vorgesehen ist.
    7. Sensor, dessen Sensorparameter zur Erfassung der zweiten physikalischen Größe sich in Abhängigkeit der ersten physikalischen Größe zyklisch ändert, nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichereinrichtung (25) zur Zwischenspeicherung des Werts des Sensorparameters vorgesehen ist, wobei der Speicherwert im Zyklus der Änderung eingespeichert wird.
    130039/0058
    8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die zweite physikalische Größe beeinflußbares sensitives Element (30) dem Sensor (21) zugeschaltet ist, wobei die durch dieses Element
    (30) erzeugten Änderungen elektrischer Größen durch die Sensorausgangsleitungen für die erste physikalische Größe mit übertragbar sind.
    9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sensitive Element (30) parallel zum Sensorausgang geschaltet ist.
    10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das sensitive Element (30) einen Zweig der Brückenschaltung (12 bis IiJ) bilden.
    130039/0058
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