DE4421906A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandes eines Widerstandssensors - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandes eines WiderstandssensorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Schaltungsanordnung zur Messung des Widerstandes eines
Widerstandssensors, beispielsweise eines Feuchtesensors,
über die Änderungsgeschwindigkeit der Ladung eines
Kondensators, wobei jeweils ein Meßzyklus aus einem Laden
des Kondensators, einem unvollständigen Entladen des
Kondensators über den Widerstandssensor und einer
anschließenden Messung der im Kondensator verbliebenen
Ladung besteht.
Beispielsweise zur Messung der Feuchte auf einer
Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs werden
Sensorwiderstände in Form von ineinander verkämmten
streifenförmigen Elektroden verwendet. Berühren
Wassertropfen beide Elektroden, so sinkt der Widerstand, was
zur automatischen Steuerung eines Scheibenwischers benutzt
werden kann. Zur Messung des Widerstandes ist grundsätzlich
das Anlegen einer Spannung an den Widerstandssensor
erforderlich. Durch Gleichspannungsanteile der anzulegenden
Spannung kann es jedoch zu Elektrolyseerscheinungen zwischen
den Elektroden kommen, die letztlich zu einer Begrenzung der
Lebensdauer der Widerstandssensoren führen. Eine Einrichtung
für die Steuerung eines Antriebsmittels für ein
Fahrzeugzubehör mit einem derartigen Widerstandssensor ist
beispielsweise in WO 90/08680 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
Elektrolyseerscheinungen an Widerstandssensoren,
insbesondere an Feuchtesensoren, zu verhindern.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch gelöst, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus die Richtung
des Entladestroms durch den Widerstand wechselt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat nicht nur den Vorteil,
daß elektrolytische Anlagerungen bzw. Abtragungen an den
Elektroden verhindert werden, sondern daß auch durch die
symmetrische Beaufschlagung des Widerstandssensors die
Festigkeit gegenüber Störstrahlungen erhöht wird.
Die Messung der im Kondensator verbliebenen Ladung kann in
einfacher Weise dadurch erfolgen, daß der Kondensator
weiterhin definiert entladen wird und daß die Zeit der
definierten Entladung bis zum Unterschreiten einer
vorgegebenen Spannung gemessen wird oder daß der Kondensator
definiert wieder aufgeladen wird und daß die Zeit der
definierten Aufladung bis zum Überschreiten einer
vorgegebenen Spannung gemessen wird.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß der zum Entladen des Kondensators mit dem
Widerstandssensor gebildete Stromkreis potentialfrei ist.
Dadurch, daß bei dieser Weiterbildung der Widerstandssensor
und der Kondensator weder mit Massepotential noch mit einem
davon abweichenden Potential beaufschlagt sind, bilden sich
keine Ströme zwischen den Elektroden des Widerstandssensors
und der Fahrzeugkarosserie, so daß auch eine durch solche
Ströme bedingte Elektrolyse verhindert wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus der
Kondensator mit wechselnder Polarität an eine
Lade/Entladestromquelle und an einen Eingang einer
Schwellwertschaltung angeschlossen wird.
Die Erfindung umfaßt ferner eine vorteilhafte
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Lade/Entladestromquelle
und der Eingang einer Schwellwertschaltung gemeinsam, der
Widerstandssensor und der Kondensator mit einem steuerbaren
zweipoligen Mehrfachumschalter (Multiplexer) verbunden sind,
wobei der Multiplexer in Abhängigkeit von zugeführten
Steuersignalen ein Anschlußpaar mit einem von weiteren
Anschlußpaaren verbindet, daß das Anschlußpaar mit dem
Kondensator verbunden ist, daß an eines der weiteren
Anschlußpaare der Widerstandssensor angeschlossen ist, und
daß an ein zweites der weiteren Anschlußpaare der Eingang
der Schwellwertschaltung und Massepotential und an ein
drittes der weiteren Anschlußpaare der Eingang der
Schwellwertschaltung und Massepotential mit gegenüber dem
zweiten weiteren Anschlußpaar vertauschter Polarität
angeschlossen sind. Geeignete Multiplexer sind auf dem Markt
als integrierte Schaltkreise erhältlich.
Eine besonders vorteilhafte Steuerung des Multiplexers und
der Lade/Entladestromquelle sowie ein Messen der restlichen
Ladung durch Zählen von Impulsen, bis die Ladespannung eine
vorgegebene Schwelle unterschreitet, kann in einfacher Weise
dadurch durchgeführt werden, daß Steuereingänge des
Multiplexers, die Lade/Entladestromquelle und ein Ausgang
der Schwellwertschaltung mit Ein- bzw. Ausgängen eines
Mikroprozessors verbunden sind.
Die auf dem Markt erhältlichen Multiplexer weisen häufig
vier weitere Anschlußpaare auf, so daß in einfacher Weise
ein zweiter Widerstandssensor angeschlossen werden kann.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auch in
vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet werden, daß ein
viertes weiteres Anschlußpaar zu Zwecken der
Selbstkalibrierung an einen Referenzwiderstand anschließbar
ist. Im Mikrocomputer ist dann ein geeignetes Programm
vorzusehen, das den im Falle des Referenzwiderstandes
gemessenen Widerstandswert für die Meßergebnisse im Falle
des Widerstandssensors als Vergleichswert benutzt.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine
davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer
Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und
Fig. 2 Diagramme der bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1
auftretenden Spannungen und Signale.
Der Multiplexer 1 bei der Schaltungsanordnung nach Fig.
ist ein auf dem Markt erhältlicher Baustein, beispielsweise
vom Typ 4052, bei welchem zwei Anschlüsse X, Y in
Abhängigkeit von zugeführten Steuersignalen A, B mit jeweils
einem der weiteren Anschlüsse X0, X1, X2 oder X3 bzw. Y0,
Y1, Y2 oder Y3 verbunden werden können. Über ein weiteres
Steuersignal EN können alle möglichen Verbindungen hochohmig
geschaltet werden. Obwohl in derartigen Bausteinen die
einzelnen Verbindungen über Feldeffekttransistoren
geschaltet werden, wurde der besseren Übersichtlichkeit
halber in Fig. 1 die Darstellung von Mehrfachumschaltern
gewählt. Die Steuersignale A, B, EN werden von einem
Mikroprozessor 2 erzeugt und den Steuereingängen des
Multiplexers 1 zugeführt.
Die Anschlüsse X und Y des Multiplexers 1 sind über je einen
Widerstand 6, 7 mit einem Kondensator 8 verbunden. Die
Widerstände 6, 7 sollen Stromspitzen beim Anschalten des
Kondensators 8 verhindern, was gegebenenfalls bereits durch
den ohnehin vorhandenen Innenwiderstand des Multiplexers 1
möglich ist. An die Anschlüsse X3 und Y3 ist ebenfalls über
je einen Schutzwiderstand 9, 10 ein Widerstandssensor 11
angeschlossen, der aus zwei kammförmigen Elektroden 12, 13
besteht, die beispielsweise in Form von dünnen
Metallauflagen auf der Windschutzscheibe eines
Kraftfahrzeugs aufgebracht sind. Die Schutzwiderstände 9, 10
verhindern eine Beschädigung oder Zerstörung der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, falls an den außen
angebrachten Widerstandssensor Batteriespannung oder
Massepotential angelegt werden sollte.
Die Anschlüsse X0 und Y1 des Multiplexers sind mit einem
Eingang 14 einer Schwellwertschaltung verbunden, während die
Anschlüsse X1 und Y0 an Massepotential angeschlossen sind.
Die Schwellwertschaltung besteht aus einem
Differenzverstärker 15, dessen nichtinvertierendem Eingang
über einen Spannungsteiler 16, 17 eine Vorspannung und über
einen Widerstand 18 ein Teil der Ausgangsspannung des
Differenzverstärkers 15 zugeführt wird. Der invertierende
Eingang ist mit dem Eingang 14 verbunden. Der Ausgang des
Differenzverstärkers 15 ist mit einem Eingang des
Mikroprozessors 2 und über einen Arbeitswiderstand 18 mit
positiver Betriebsspannung verbunden. Das Ausgangssignal der
Schwellwertschaltung ist mit T bezeichnet.
Ein weiterer Ausgang des Mikroprozessors 2 führt ein Signal
P, das zur Bildung eines Ladestroms und eines Entladestroms
für den Kondensator 8 herangezogen wird, und ist über einen
Meßwiderstand 20 und zwei Dioden 21, 22 mit dem Eingang 14
der Schwellwertschaltung verbunden. Die Signale EN, B, A, P
und T sind binäre Signale, das heißt, sie können nur jeweils
einen von zwei Spannungspegeln einnehmen.
Die Funktion der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 wird im
folgenden anhand der Zeitdiagramme nach Fig. 2 näher
erläutert. Die Steuersignale A, B, EN und P werden vom
Mikroprozessor mit einem geeigneten Programm erzeugt. Die
Stellungen des Multiplexers in Abhängigkeit von den
Steuersignalen A und B sind in folgender Tabelle
dargestellt.
Zum Zeitpunkt t1 beginnt der erste dargestellte Meßzyklus
M1. Der Multiplexer befindet sich in den Stellungen X0 und
Y0, während über das Signal P und die Dioden 21, 22 ein
Ladestrom erzeugt wird, der jedoch erst zu fließen beginnt,
wenn EN den Wert 0 einnimmt. Die Ladespannung des
Kondensators, welche zwischen t1 und t2 der Spannung U14 am
Schaltungspunkt 14 entspricht, steigt bis zum Zeitpunkt t2
an, wobei der Ladestrom über den Schaltungspunkt 14, die
Anschlüsse X0 und X, den Widerstand 6, den Kondensator 8,
den Widerstand 7 und die Anschlüsse Y und Y0 nach
Massepotential fließt.
Zum Zeitpunkt t2 ist 2/3 der Spannung U erreicht. Deshalb
springt das Ausgangssignal T der Schwellwertschaltung auf 1.
Daraufhin setzt der Mikroprozessor die Steuersignale A und B
auf 1, so daß die Anschlüsse X3 und Y3 mit den Anschlüssen X
und Y, das heißt, mit dem Kondensator verbunden werden.
Kurzzeitig wird EN auf 1 gesetzt, so daß eine gleichzeitige
Verbindung der Anschlüsse X0 und X3 bzw. Y0 und Y3
verhindert wird. In dem folgenden Zeitraum bis t3 wird nun
der Kondensator 8 über den Widerstandssensor 11 entladen
(gestrichelte Linie), wobei die Geschwindigkeit der
Entladung von der Feuchte abhängig ist. Die Spannung am
Schaltungspunkt 14 bleibt während dieser Zeit auf ihrem
Maximalwert. Nach einer vorgegebenen konstanten Zeit (t3-t2)
wird dadurch, daß die Steuersignale A und B wieder auf 0
fallen, der Kondensator 8 mit Masse und mit dem Eingang 14
der Schwellwertschaltung verbunden. Auch hierbei wird der
Multiplexer 1 durch EN = 1 kurzzeitig hochohmig geschaltet.
Außerdem wird wenig später die Spannung P auf 0 gesetzt, so
daß der Kondensator 8 nur kurzzeitig über die Dioden 21, 22
aufgeladen und dann über den Meßwiderstand 20 entladen wird,
bis bei t4 ein vorgegebener Schwellwert, nämlich 1/3 U,
unterschritten wird. Dadurch nimmt das Ausgangssignal T der
Schwellwertschaltung die in der Zeile T in Fig. 2
dargestellte Form ein, wobei die Dauer des Zustandes 1 ein
Maß für die Spannung am Kondensator zum Zeitpunkt t3 und
damit ein Maß für den Widerstand des Sensorwiderstandes 11
ist. Die Dauer dieses Zustandes wird im Mikroprozessor mit
Hilfe eines Zählers gemessen, dessen Zählerstand zum
Zeitpunkt t4 das Meßergebnis darstellt.
In dem folgenden Zeitabschnitt zwischen t4 und t5 ist der
Multiplexer hochohmig (EN = 1), so daß die Spannung U14 auf
0 fällt, während die Spannung am Kondensator (gestrichelt
dargestellt) fast konstant bleibt. Damit wird eine
Vorbereitung zum Umpolen des Kondensators erzielt und Zeit
für eine Synchronisierung des Mikroprozessors geschaffen.
Das Steuersignal A und das Signal P werden während dieses
Zeitabschnitts auf 1 gesetzt, so daß zum Zeitpunkt t5 durch
Nullsetzen des Signals EN der Ladevorgang beginnen kann.
Dabei ist allerdings der Multiplexer 1 in der Stellung X1,
Y1, so daß der Kondensator 8 mit umgekehrter Polarität
aufgeladen wird. Zum Zeitpunkt t6 wird dann der geladene
Kondensator wieder mit dem Widerstandssensor 11 verbunden
und durch diesen bis zum Zeitpunkt t7 entladen. Danach
erfolgt wieder eine Entladung über den Meßwiderstand 20, bis
zum Zeitpunkt t8 der Schwellwert der Schwellwertschaltung
erreicht ist, wodurch das Signal T wieder von 1 auf 0
springt. Der Zeitraum zwischen t8 und t7 wird dann wiederum
im Mikroprozessor gemessen. Zum Zeitpunkt t9 ist dann der
zweite Meßzyklus M2 beendet.
Bei einer praktisch ausgeführten erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung wurden folgende Werte für die
gleichlautend mit den Bezugszeichen bezeichneten Widerstände
und den Kondensator 8 gewählt:
C8 = 0,1 µF
R6 = R7 = 221 Ω
R9 = R10 = 4,75 kΩ
R16 = RI7 = 100 kΩ
RI8 = 57,6 kΩ
R19 = 4,75 kΩ
R20 = 26,7 kΩ.
R6 = R7 = 221 Ω
R9 = R10 = 4,75 kΩ
R16 = RI7 = 100 kΩ
RI8 = 57,6 kΩ
R19 = 4,75 kΩ
R20 = 26,7 kΩ.
Claims (9)
1. Verfahren zur Messung des Widerstandes eines
Widerstandssensors, beispielsweise eines Feuchtesensors,
über die Änderungsgeschwindigkeit der Ladung eines
Kondensators, wobei jeweils ein Meßzyklus aus einem Laden
des Kondensators, einem Entladen des Kondensators über den
Widerstandssensor und einer anschließenden Messung der im
Kondensator verbliebenen Ladung besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus die Richtung
des Entladestroms durch den Widerstand wechselt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kondensator weiterhin definiert entladen wird und daß
die Zeit der definierten Entladung bis zum Unterschreiten
einer vorgegebenen Spannung gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kondensator definiert wieder aufgeladen wird und daß die
Zeit der definierten Aufladung bis zum Überschreiten einer
vorgegebenen Spannung gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der zum Entladen des Kondensators mit
dem Widerstandssensor gebildete Stromkreis potentialfrei
ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß von Meßzyklus zu Meßzyklus der
Kondensator mit wechselnder Polarität an eine
Lade/Entladestromquelle und an einen Eingang einer
Schwellwertschaltung angeschlossen wird.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Lade/Entladestromquelle (20, 21,
22) und der Eingang (14) einer Schwellwertschaltung (15 bis
19) gemeinsam, der Widerstandssensor (11) und der
Kondensator (8) mit einem steuerbaren zweipoligen
Mehrfachumschalter (Multiplexer) (1) verbunden sind, wobei
der Multiplexer (1) in Abhängigkeit von zugeführten
Steuersignalen ein Anschlußpaar (X; Y) mit einem von
weiteren Anschlußpaaren (X0 bis X3; Y0 bis Y3) verbindet,
daß das Anschlußpaar (X; Y) mit dem Kondensator (8)
verbunden ist, daß an eines (X3; Y3) der weiteren
Anschlußpaare der Widerstandssensor (11) angeschlossen ist,
und daß an ein zweites (X0; Y0) der weiteren Anschlußpaare
der Eingang (14) der Schwellwertschaltung (15 bis 19) und
Massepotential und an ein drittes (X1; Y1) der weiteren
Anschlußpaare der Eingang (14) der Schwellwertschaltung (15
bis 19) und Massepotential mit gegenüber dem zweiten (X0;
Y0) weiteren Anschlußpaar vertauschter Polarität
angeschlossen sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß Steuereingänge des Multiplexers (1), die
Lade/Entladestromquelle (20 bis 22) und ein Ausgang der
Schwellwertschaltung (15 bis 19) mit Ein- bzw. Ausgängen
eines Mikroprozessors (2) verbunden sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes (X2; Y2) weiteres
Anschlußpaar an einen zweiten Widerstandssensor anschließbar
ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes (X2; Y2) weiteres
Anschlußpaar zu Zwecken der Selbstkalibrierung an einen
Referenzwiderstand anschließbar ist.
Priority Applications (2)
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