DE4323380A1

DE4323380A1 - Verfahren und Schaltung zur Fehlererkennung bei Widerstands-Meßbrücken

Info

Publication number: DE4323380A1
Application number: DE19934323380
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Rathjen; Wolfgang Dipl Ing Stehr
Original assignee: WABCO VERMOEGENSVERWALTUNGS-GMBH 30453 HANNOVER DE; Wabco Vermogensverwaltung GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 1993-07-13
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1995-01-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fehler erkennung bei Widerstandsmeßbrücken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Widerstandsmeßbrücken bestehen im allgemeinen aus vier Widerständen, die auf einer Membran aufgeklebt oder ein geätzt sind und deren Widerstandswert insbesondere von ihrer Verformung (Kraft- oder Druckeinwirkung) abhängt. Die Membran kann mit einem Gasdruck oder einer Kraft be aufschlagt werden, wodurch die Widerstände gedehnt oder gestaucht werden. Hieraus läßt sich auf die Größe des Druckes oder der Kraft schließen. Die unter der Kraftein wirkung geringfügig veränderten Widerstandswerte lassen sich elektronisch auswerten, womit die Meßgröße relativ genau bestimmt werden kann. Durch die Ausbildung als Brücke sollen Temperatureinflüsse eliminiert werden.

Bekannt ist die Ausbildung als sogenannter Dehnungsmeß streifen (DMS), der aus einer Folie mit aufgebrachten Wi derstandsbahnen besteht. Wenn die genannte Folie auf einen Träger aufgeklebt ist, läßt sich damit eine Durch biegung des Trägers erfassen.

Die oben beschriebenen Widerstandsmeßbrücken können nun, insbesondere nach längerem Betrieb, gewisse Fehler auf weisen.

So sind z. B. Rißbildungen der Membran möglich, wodurch die Sensoranordnung schlagartig ausfällt. Weiterhin kön nen auch durch Korrosionswirkungen Querschnittsverminde rungen der Widerstandsbahnen auftreten, wodurch sich die Meßwerte schleichend verändern. Der letztgenannte Fehler ist naturgemäß schwierig zu erkennen.

Zur Fehlererkennung sind insbesondere Grenzwertbetrach tungen bekannt. Hier wird z. B. überprüft, ob der Meßwert innerhalb physikalisch möglicher Grenzwerte bleibt, oder etwa unmögliche Werte annimmt. Ebenfalls kann geprüft werden, ob die Änderungsgeschwindigkeit zu hoch ist (DE- OS 35 04 096).

Die erwähnte Prüfung und eine Fehleranzeige bzw. -speicherung kann dann durch einen Mikrocontroller über nommen werden. Schwierig ist jedoch die Erkennung schlei chender Fehler. Diese können im allgemeinen nur durch redundante Anordnungen erkannt werden, die jedoch einen erheblichen Kostenaufwand bedeuten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kosten günstiges Verfahren zur Fehlererkennung bei Widerstands meßbrücken anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angege bene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen, insbesondere eine geeignete Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild einer zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens geeigneten elektronischen Schal tung.

Die zu überwachende Meßbrücke besteht aus den vier ohm schen Widerständen (1, 2, 3, 4). Die Meßbrücke wird ver sorgt von einer Versorgungsspannung U_V. Bei mechanischer Belastung der Meßbrücke ergibt sich zwischen den Punkten (5) und (6) eine Brückenspannung U_B. Die erwähnten Punkte (5) und (6) sind an den Eingang eines Operationsverstär kers (8) mit der Verstärkung A angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers (8) ist über einen Ana log/Digital-Wandler (A/D) (9) an einen Eingang (13) eines Mikrocontrollers (10) angeschlossen. Dieser steuert über einen Ausgang (15) dort angeschlossene Geräte (nicht dar gestellt).

Zur erfindungsgemäßen Fehlererkennung ist an dem Punkt (5) der Meßbrücke ein Widerstand (12) mit dem Wert R1 an geschlossen. Dieser ist über einen Schalter (7) mit Masse verbindbar. Der Schalter (7) ist vorzugsweise als elek tronischer Schalter (S) ausgebildet und vom Mikrocontrol ler (10) über einen Ausgang (14) und eine Leitung (11) ansteuerbar. Die Ansteuerung erfolgt in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen, immer dann, wenn der Mikro controller (10) eine Prüfung der Meßbrücke ausführen will.

Die Widerstände (1 bis 4) der Meßbrücke haben typischer weise einen Wert von Rb = 1 bis 4 kOhm. Die Widerstands änderung bei Belastung (dR) beträgt typischerweise 3 bis 4%. Die Versorgungsspannung (U_V) kann von 5 V bis 24 V betragen. Der Widerstand (R1) beträgt etwa 75 kOhm. In unbelastetem Zustand der Meßbrücke ist deren Ausgangs spannung U_B gleich Null, da dR = 0 ist. Bei Belastung der Meßbrücke ergibt sich ein Ausgangswert von (U_B) im Millivoltbereich, welcher vom Verstärker (8) verstärkt wird und über den A/D-Wandler (9) digital zum Mikro controller (10) weitergegeben wird.

Im Normalbetrieb gilt für die Ausgangsspannung der Brücke (hinter dem Operationsverstärker (8)):

Der Wert dR verändert sich dabei entsprechend der mecha nischen Belastung der Brücke.

Beim Testbetrieb schließt der Mikrocontroller (10) den Schalter (7), wodurch die Brücke durch den eingeschalte ten Widerstand (12) (R1) verstimmt wird. Der Zusatzwider stand R1 liegt dabei parallel zum Brückenwiderstand (3). Für einen geschlossenen Schalter (S) und dR = 0 (unbelastete Brücke) gilt:

Darin ist:
V_out = Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
A = Verstärkung des Operationsverstärkers
U_V = Versorgungsspannung
Rb = Brückenwiderstand
R1 = Zusatzwiderstand

Der korrekte Wert für diese Spannung, d. h. der Sollwert von V_out bei unbelasteter Meßbrücke, wird im Mikro controller (10) eingespeichert. Falls nun nach längerem Betrieb die Meßbrücke defekt wird, d. h. ein oder mehrere der Widerstände R_b ihren ursprünglichen Wert verändert haben, ergibt sich für den obengenannten Wert V_out ein Wert, der vom ursprünglichen eingespeicherten Wert ab weicht. Hieraus kann der Mikrocontroller (10) einen De fekt der Meßbrücke erkennen. Der durch das Schließen des Schalters (7) erzeugte Spannungssprung der Spannung V_out beträgt etwa 1 V.

Wie bereits erwähnt, muß im Testbetrieb die Brücke unbe lastet sein. Ob diese Voraussetzung erfüllt ist, wird dem Mikrocontroller durch ein zusätzliches Element, z. B. einen Bremslichtschalter (17), über einen Eingang (16) mitgeteilt. Dies gilt für den Fall, daß die Meßbrücke z. B. zur Druckmessung in einem Fahrzeug-Bremszylinder eingesetzt ist.

Es sind auch Anwendungsfälle denkbar, in denen die Brücke stets mit einer Grundlast beaufschlagt ist. Dies ist z. B. der Fall bei einem Gewichtssensor in einem Lastwa gen, der an der Achse angebaut ist. Hier wird sich stets das Gewicht des Aufbaus auswirken, auch im unbeladenen Zustand.

Es läßt sich aber nachweisen, daß auch in diesem Fall die oben beschriebene Berechnung für V_out gilt, wenn die Vor aussetzung, daß dR«R₁ und dR«R_b, erfüllt ist. In diesem Fall ist der Schalter (17) nicht notwendig.

Ein nicht schleichender Fehler, wie z. B. ein Kabelbruch im Bereich der Meßbrücke, kann üblicherweise, wie oben erwähnt, durch die Auswertung von Grenzwertbetrachtungen erkannt werden.

Der Operationsverstärker (8) ist aus zwei Gründen sinn voll. Erstens ist die Brückenausgangsspannung (U_B) für sich zu klein, um direkt vom Aalog/Digital-Wandler (9) oder vom Mikrocontroller (10) auswertbar zu sein. Sie be trägt maximal 50 mV. Zweitens müssen die Eingänge des Operationsverstärkers (8) potentialfrei sein, also allein die Spannungsdifferenz am Eingang auswerten. Dies ist mit einem normalen Mikrocontroller (10) nicht möglich, da dort kein potentialfreier Eingang zur Verfügung steht.

Das beschriebene Prüfverfahren ist prinzipiell auch bei anderen Meßbrücken möglich, die nicht mit ohmschen Wider ständen, sondern mit kapazitiven oder induktiven Wider ständen aufgebaut sind, und an Wechselspannung betrieben werden.

Claims

1. Verfahren zur Fehlererkennung bei einer Widerstands- Meßbrücke, deren Brückenspannung (U_B) von der zu mes senden Größe abhängt, und die von einer Versorgungs spannung (U_V) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im unbelasteten Zustand oder bei einer definierten Belastung in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen ein Pol (5) der Meßbrücke (1, 2, 3, 4) über einen Widerstand (12) nach Masse geschaltet wird, und aus dem sich dadurch ergebenden Sprung der Brückenspannung (U_B) auf einen Fehler der Meßbrücke (1, 2, 3, 4) geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus Grenzwertbetrachtun gen der Brückenspannung (U_B) auf einen Kabelbruch im Bereich der Meßbrücke (1, 2, 3, 4) geschlossen wird.

3. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pol (5) der Meßbrücke (1, 2, 3, 4) über einen Widerstand (12) und einen Schalter (7) an Masse liegt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenspannung (U_B) über einen Verstärker (8) und einen A/D-Wandler (9) zu einem auswertenden Mikrocontroller (10) geschaltet ist, und dieser den korrekten Wert des Sprunges der Brückenspannung (U_B) gespeichert hat.

5. Schaltung nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (10) über eine Steuerleitung (11) an den Schalter (7) an geschlossen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (7) als elektronischer Schalter ausgebildet ist.