DE4027031A1 - Sensoranordnung zur auswertung von masseversatzbehafteten signalen eines fremdspannungsversorgten sensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Auswer­ tung von masseversatzbehafteten Signalen eines fremd­ spannungsversorgten Sensors, insbesondere im Kraftfahr­ zeug-Bereich.

In vielen Fällen, insbesondere im Kraftfahrzeug-Bereich, werden aktive Sensoren eingesetzt, d. h. Sensoren, die Anschlüsse für eine externe Spannungsversorgung aufwei­ sen. Ein derartiger Sensor verfügt dann über mindestens drei Anschlüsse, nämlich zwei Versorgungseingänge, an denen die Versorgungsspannung anliegt, und einen Signal­ ausgang, an dem ein der durch den Sensor ermittelten Größe proportionales Ausgangssignal abgenommen werden kann. Einer der Versorgungsanschlüsse liegt in der Regel auf Masse. Für diesen Anschluß ist dann meistens keine getrennte Zuleitung vorgesehen. Der Stromfluß erfolgt hier über ebenfalls auf Masse liegende Gehäuse-, Aggre­ gat- oder Karosserieteile. Das Ausgangssignal ist aber nicht nur abhängig von der vom Sensor ermittelten Größe, sondern ebenfalls von der Versorgungsspannung, genauer gesagt den beiden an den Versorgungseingängen anliegenden Potentialen. Obwohl diese Potentiale theoretisch stabil sein sollten, läßt sich dies in der Praxis nur schwer erreichen. Aufgrund der besonders im Kraftfahrzeug-Be­ reich begrenzten Leiterquerschnitte für die Zufuhr der elektrischen Leistung zu den einzelnen Verbraucher kann es zu starken Spannungsabfällen kommen, wenn am gleichen Leitungsstrang weitere Verbraucher angeschlossen sind, die einen hohen Stromverbrauch aufweisen. In der Regel ist ein Pol der Versorgungsspannungsquelle, die im Kraft­ fahrzeug durch eine Gleichstrombatterie realisiert ist, mit Masse verbunden, während der andere Pol die eigent­ liche "Versorgungsspannung" liefert. Während sich Ein­ brüche oder Absenkungen dieser "Versorgungsspannung" in der Regel relativ einfach feststellen lassen, können Verschiebungen des Massepotentials nur schwer erfaßt werden. Eine Verschiebung des Massepotentials kann aber auftreten, wenn Verbraucher mit einem großen Strombedarf ihren Strom über den Masseanschluß an die Batterie zu­ rückspeisen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn im Kraftfahrzeug ein Anlasser betätigt wird. Die hohen, vom Anlasser benötigten Stromstärken, führen zu einer Verschiebung des Massepotentials um größenord­ nungsmäßig 100 mV. Dies entspricht etwa einem Prozent der Versorgungsspannung. Ein fremdspannungsversorgter Sensor wird deswegen in diesem Fall auch einen Fehler in dieser Größenordnung aufweisen.

Bisher wurden zur Auswertung der Ausgangssignale dieser fremdspannungsversorgten Sensoren Differenzverstärker und Analogmultiplizierer verwandt. Hierbei müssen jedoch relativ komplexe Schaltungen mit hohem Bauteileaufwand verwendet werden. Nach dem Aufbau dieser Schaltungen muß ein Abgleich erfolgen. Hierzu müssen Abgleichpunkte vorgesehen werden. Ansonsten ergeben sich nicht mehr tolerierbare hohe Fehler, die im wesentlichen durch die große Anzahl von Bauteilen bestimmt sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung anzugeben, die auch bei fremdspannungs­ versorgten Sensoren ein Sensorausgangssignal mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung zur Auswer­ tung von masseversatzbehafteten Signalen eines fremdspan­ nungsversorgten Sensors, insbesondere im Kraftfahrzeugbe­ reich, gelöst mit einer Recheneinrichtung, die mit den Versorgungseingängen und dem Signalausgang des Sensors verbunden ist, wobei die Recheneinrichtung den tatsäch­ lichen Wert der Spannung an den Versorgungseingängen und dem Signalausgang ermittelt.

Die Recheneinrichtung ermittelt also nicht mehr nur die Spannung der Spannungsquelle, sondern ermittelt für jeden Versorgungseingang des Sensors getrennt dessen Potential bzw. die Potentialdifferenz, mit anderen Worten die Versorgungsspannung. Auf die gleiche Art und Weise wird das Potential, d. h. die Spannung gegen einen imagi­ nären, aber für alle drei Punkte gleiches Potential ermittelt. Da diese drei Potentiale auf die gleiche Art und Weise gewonnen werden, werden in die gleiche Richtung wirkende Fehler eliminiert. Das Sensorausgangs­ signal läßt sich also mit einer höheren Genauigkeit einordnen.

Besonders bevorzugt ist dabei, daß die Recheneinrichtung aus den Spannungen an den Versorgungseingängen des Sen­ sors einen Meßbereich bildet und die Lage der Spannung am Signalausgang in dem Meßbereich ermittelt und ausgibt. Das Ausgangssignal des Sensors bewegt sich in der Regel in einem vorbestimmten Bereich, der zwischen dem Poten­ tial am einen Versorgungseingang und dem Potential am anderen Versorgungseingang liegt. Durch den Masseversatz, d. h. die Potentialverschiebung an dem Masse zugeordneten Versorgungseingang kann sich eine Verschiebung oder Verkürzung des Meßbereichs nicht nur am oberen Ende, wie bei einem Spannungseinbruch, sondern auch am unteren Ende ergeben. Wenn nun aber die Spannung am Signalausgang den beiden Grenzen des Meßbereichs zugeordnet wird, läßt sich eine Verschiebung der Meßbereichsgrenzen kom­ pensieren.

Dabei ist bevorzugt, daß die Recheneinrichtung einen Wert nach folgender Beziehung errechnet:

wobei S der Sensorausgangswert, ausgedrückt als Bruchteil des Meßbereichs, U_ist die tatsächliche Sensorausgangs­ spannung und U+, U- die tatsächlichen Spannungen an den Versorgungseingängen des Sensors sind. Das Sensoraus­ gangssignal wird also nicht mehr als Absolutwert ausge­ geben, sondern als Relativwert in Bezug zum Meßbereich. Da der Meßbereich des Sensors aber bekannt ist, läßt sich hieraus leicht der vom Sensor tatsächlich ermittelte Wert berechnen. Die Grenzen des Meßbereichs sind hierbei variabel, so daß Änderungen der Versorgungsspannungen zwar unmittelbar Auswirkungen auf das Ausgangssignal des Sensors haben, die relative Lage des Ausgangssignals im Meßbereich jedoch unverändert bleibt.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Recheneinrichtung jedes Eingangssignal analog/digital wandelt. Die Recheneinrich­ tung arbeitet also auf digitaler Basis. Sie kann bei­ spielsweise durch einen Mikrocomputer realisiert sein. Hierbei sind für eine äußere Beschaltung nur noch ausge­ sprochen wenige Bauteile notwendig. Ein Abgleichen oder Kalibrieren der Recheneinrichtung ist nicht notwendig.

Bevorzugt ist hierbei, daß jeder Eingang der Rechenein­ richtung einen eigenen Analog/Digital-Wandler aufweist. Die Analog/Digital-Wandlung kann also für alle drei Eingänge gleichzeitig erfolgen. Dies erhöht die Rechenge­ schwindigkeit.

Hierbei ist wiederum bevorzugt, daß die Analog/Digital- Wandlung mit einer Auflösung von zehn oder mehr Bit erfolgt. Bei einer derartig hohen Auflösung liegt der Auflösungsfehler unter einem Promille. Die Genauigkeit der Recheneinrichtung wird hierdurch praktisch nicht mehr beeinflußt.

Besonders bevorzugt ist, daß die Analog/Digital-Wandler in die Recheneinrichtung integriert sind. Da dies bei modernen Mikrocomputern bereits häufig erfüllt ist, werden zusätzliche Bauelemente eingespart.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Versor­ gungseingänge des Sensors mit einer Spannungsteilerein­ richtung verbunden, die mindestens zwei von den Versor­ gungsspannungspotentialen verschiedene Potentiale aus­ gibt. Hierdurch läßt sich eine Anpassung der Potentiale oder Spannungen an den Versorgungseingängen des Sensors an den Eingangsbereich der Analog/Digital-Wandler er­ reichen.

Auch ist von Vorteil, daß am Signalausgang des Sensors eine Potentialanpasseinrichtung angeordnet ist. Auch diese Potentialanpasseinrichtung dient dazu, die am Signalausgang des Sensors ausgegebene Spannung an den Eingangsbereich des zugeordneten Analog/Digital-Wandlers anzupassen.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Potentialanpasseinrichtung einen zwischen den beiden Versorgungseingängen des Sen­ sors angeordneten Spannungsteiler aufweist, mit dessen Mittelabgriff der Signalausgang über eine Impedanz ver­ bunden ist. Hierdurch wird erreicht, daß am Eingang des dem Signalausgang des Sensors zugeordneten Analog/Di­ gital-Wandlers eine von den beiden Spannungen oder Poten­ tialen an den Versorgungseingängen abhängige Spannung abgegriffen werden kann.

Vorteilhafterweise sind die Eingänge der Recheneinrich­ tung über Kondensatoren gleicher Größe mit Masse verbun­ den. Wenn alle Kondensatoren die gleiche Größe haben, entstehen hierdurch keine Unsymmetrien oder sonstigen Schieflagen der Sensoranordnung. Diese Anordnung ist besonders bevorzugt bei verrauschten Signalen.

Auch ist von Vorteil, daß die Eingänge der Recheneinrich­ tung jeweils mit einer Schutzschaltung verbunden sind, die ein Ober- oder Unterschreiten der zulässigen Ein­ gangswerte verhindert. Eine solche Schutzschaltung kann beispielsweise durch sogenannte "clamping"-Bausteine realisiert werden. Hiermit werden die Analog/Digital- Wandler geschützt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt die einzige Figur eine Sensor­ anordnung.

Eine Sensoranordnung 1 weist einen Sensor 2 auf, der über zwei Versorgungseingänge U+ und U- mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden ist. Die Span­ nungsquelle kann beispielsweise durch eine Batterie in einem Kraftfahrzeug realisiert sein.

Der Sensor 2 ermittelt eine Größe, beispielsweise eine Temperatur, einen Füllstand, einen Druck oder eine Ver­ schiebung zwischen zwei Teilen und gibt ein der ermittel­ ten Größe entsprechendes Signal an einem Signalausgang U_ist aus.

Die Versorgungsspannung, d. h. die Potentiale an den Versorgungseingängen U+ und U-, ist zwar größenordnungs­ mäßig konstant. Beide Potentiale können aber aufgrund von hohen, von anderen Verbrauchern geforderten Strömen, verändert werden. Wenn der Sensor beispielsweise der Temperaturermittlung im Motorblock eines Kraftfahrzeugs dient, wird für den Versorgungseingang U- in der Regel keine getrennte Leitung zur Batterie vorgesehen sein. Vielmehr ist der Sensor in diesem Fall in den Motorblock hineingeschraubt, der wiederum mit der Batterie verbunden ist. Wenn nun ein Anlasser betätigt wird, der einen Strombedarf von größenordnungsmäßig 80 bis 100 Ampere hat, wird das Potential des Motorblocks gegenüber dem Potential der Spannungsquelle um größenordnungsmäßig 100 mV steigen. Dies wird durch den über das Masseband fließenden Strom verursacht. Im gleichen Verhältnis würde das Ausgangssignal am Signalausgang U_ist des Sen­ sors steigen, ohne daß tatsächlich eine Änderung in der vom Sensor zu ermittelnden Temperatur eingetreten wäre.

Um Einflüsse von Änderungen der Potentiale an den Ver­ sorgungseingängen U+ und U- auf das Sensorausgangssignal zu kompensieren, ist eine Recheneinrichtung 3 vorgesehen, die durch einen Mikrocomputer gebildet ist. Die Rechen­ einrichtung 3 weist drei A/D-Wandler 4, 5, 6 auf, die mit einer Verarbeitungseinheit 7 verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit 7 führt die eigentlichen Rechen­ operationen durch und gibt das Ergebnis der Rechnung über eine Anzeigeeinrichtung 8 aus. Die A/D-Wandler 4, 5, 6 haben eine Auflösung von zehn oder mehr Bit, d. h. der durch die Digitalisierung verursachte Fehler liegt unter einem Promille.

Zwei A/D-Wandler 4, s der Recheneinrichtung 3 dienen zur Ermittlung der Potentiale bzw. Spannungen an den Versorgungseingängen U+, U- des Sensors 2. Dazu sind die beiden Versorgungseingänge U+, U- des Sensors 2 über eine durch drei Widerstände R1, R2, R3 gebildete Spannungsteileranordnung miteinander verbunden. Die Spannungsteileranordnung R1, R2, R3 gibt zwei Spannungen aus, nämlich einmal an einem Abgriff 9 zwischen R1 und R2 und zum anderen an einem Abgriff 10 zwischen R2 und R3. Der Abgriff 9 ist über einen Clamping-Baustein 11 mit dem A/D-Wandler 4 der Recheneinrichtung 3 verbunden. Der Clamping-Baustein 11 dient als Schutzschaltung und sorgt dafür, daß am Eingang des A/D-Wandlers 4 nur Werte ankommen, die im zulässigen Eingangsbereich des A/D-Wand­ lers 4 liegen. Dies können beispielsweise Werte im Be­ reich zwischen 0 V und 5 V sein. In gleicher Weise ist der Abgriff 10 zwischen den beiden Widerständen R2 und R3 über einen Clamping-Baustein 12 mit dem A/D-Wandler 5 der Recheneinrichtung 3 verbunden. Beide Abgriffe 9, 10 sind über je einen Kondensator C mit Masse ver­ bunden.

Der Signalausgang U ist des Sensors 2 ist über einen Widerstand R4 mit einem Mittelabgriff 14 eines Spannungs­ teilers R5, R6 verbunden, der ebenfalls die beiden Ver­ sorgungseingänge U+, U- des Sensors 2 miteinander verbin­ det. Der Mittelabgriff 14 ist über einen Clamping-Bau­ stein 13 mit dem A/D-Wandler 6 der Recheneinrichtung 3 verbunden. Der Mittelabgriff 14 ist über einen Konden­ sator C an Masse gelegt. Alle drei Kondensatoren haben die gleiche Kapazität C. Die Kapazitäten dienen zur Rauschunterdrückung.

Die Spannungsteileranordnung R1, R2, R3 und der Span­ nungsteiler R5, R6 mit dem vorgeschalteten Widerstand R4 dienen dazu, die Spannungen U_A, U_B und U_C an den Eingangsbereich der A/D-Wandler 4, 5, 6 anzupassen. Die Verarbeitungseinheit 7 kann aus den Spannungen U_A, U_B und U_C die Potentiale an den Versorgungseingängen U+, U- und am Signalausgang U_ist ermitteln. So ergeben sich die Spannungen an den Versorgungseingängen U+, U- zu:
U+ = U_A + (U_A-U_B) × R1/R2
U- = U_B - (U_A-U_B) × R3/R2

Die Spannung am Signalausgang U_ist ergibt sich zu

U_ist = U_C - (U--U_C) × R4/R6 - (U+-U_C) R5/R6

In Kenntnis der Spannungen U+, U- und U_ist kann die Verarbeitungseinheit 7 nun den Ausgangswert des Sensors ausgeben und zwar beispielsweise als Bruchteil, even­ tuell in Prozent ausgedrückt, des durch die Spannungen an den Versorgungseingängen U+, U- definierten Werte­ bereichs. Beispielsweise kann vereinbart sein, daß

In diesem Fall gehen Verschiebungen in den einzelnen Potentialen an den Versorgungseingängen nicht mehr in das Ergebnis ein, das aus dem Sensorausgangssignal ermit­ telt wird.

Die Spannungsteileranordnung R1, R2, R3 und der Span­ nungsteiler R5, R6 mit dem vorgestellten Widerstand R4 ist natürlich nur dann notwendig, wenn die Spannungsdif­ ferenz zwischen den Versorgungseingängen U+ und U- bzw. die Spannung am Signalausgang U_ist des Sensors 2 den Eingangsbereich der A/D-Wandler 4, 5, 6 überschreitet. Ist dies nicht der Fall, beispielsweise wenn der Aus­ gangsspannungsbereich des Sensors 2 ohnehin innerhalb des Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers 6 liegt, kann der Spannungsteiler R5, R6 und der Widerstand R4 auch weggelassen werden. In diesem Fall ist U_C=U_ist. Natürlich können, falls dies von den Spannungsverhält­ nissen möglich ist, auch die Eingänge U_A mit U+ und U_B mit U- verbunden werden.

Claims (12)

1. Sensoranordnung zur Auswertung von masseversatzbe­ hafteten Signalen eines fremdspannungsversorgten Sensors, insbesondere im Kraftfahrzeug-Bereich, mit einer Recheneinrichtung (3) die mit den Versorgungs­ eingängen (U+, U-) und dem Signalausgang (U_ist) des Sensors (2) verbunden ist, wobei die Recheneinrich­ tung den tatsächlichen Wert der Spannung an den Ver­ sorgungseingängen (U+, U-) und dem Signalausgang (U_ist) ermittelt.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Rechenein­ richtung (3) aus den Spannungen an den Versorgungs­ eingängen (U+, U-) des Sensors (2) einen Meßbereich bildet und die Lage der Spannung am Signalausgang (U_ist) in dem Meßbereich ermittelt und ausgibt.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, bei der die Rechen­ einrichtung (3) einen Wert nach folgender Beziehung errechnet: wobei S der Sensorausgangswert ausgedrückt als Bruch­ teil des Meßbereichs, U_ist die tatsächliche Ausgangs­ spannung am Signalausgang und U+, U- die tatsächlichen Spannungen an den Versorgungseingängen des Sensors (2) sind.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Recheneinrichtung (3) jedes Eingangssig­ nal analog/digital wandelt.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, bei der jeder Ein­ gang (U_A, U_B, U_C) der Recheneinrichtung (3) einen eigenen A/D-Wandler (4, 5, 6) aufweist.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die A/D-Wandlung mit einer Auflösung von zehn oder mehr Bit erfolgt.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die A/D-Wandler (4, 5, 6) in die Rechenein­ richtung (3) integriert sind.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Versorgungseingänge (U+, U-) des Sensors (2) mit einer Spannungsteilereinrichtung (R1, R2, R3) verbunden sind, die mindestens zwei von den Versor­ gungsspannungspotentialen verschiedene Potentiale ausgibt.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der am Signalausgang (U_ist) des Sensors eine Potentialanpasseinrichtung (R4, R5, R6) angeordnet ist.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, bei der die Poten­ tialanpasseinrichtung einen zwischen den beiden Versorgungseingängen (U+, U-) des Sensors (2) ange­ ordneten Spannungsteiler (R5, R6) aufweist, mit dessen Mittelabgriff (14) der Signalausgang (U_ist) über eine Impedanz (R4) verbunden ist.

11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Eingänge (U_A, U_B, U_C) der Recheneinrich­ tung (3) über Kondensatoren (C) gleicher Größe mit Masse verbunden sind.

12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge (U_A, U_B, U_C) der Recheneinrichtung (3) jeweils mit einer Schutzschaltung (11, 12, 13) verbunden sind, die ein Über- oder Unterschreiten der zulässigen Ein­ gangswerte verhindert.