DE3643945A1 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung des innenwiderstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Innenwiderstandes eines Gebers. In Steuerungs- und Regelanlagen werden viele verschie­ denartige Geber verwendet, welche physikalische Grö­ ßen in elektrische Signale, vorzugsweise Spannungen, umwandeln, die dann als Soll- oder Istwert in die Steuerungs- und Regelanlagen eingegeben werden. Bei der Erfüllung sicherheitsrelevanter Funktionen wird von derartigen Gebern ein hohes Maß an Zuverlässig­ keit gefordert. Dieses gilt beispielsweise für den Sollwert-Geber einer elektronischen Gaspedalanlage, der ein Potentiometer enthält, dessen Schleifer mit dem Gaspedal verbunden ist. Einer der möglichen Feh­ lerquellen eines derartigen Gebers ist der Übergangs­ widerstand zwischen der Widerstandsbahn und dem Schleifer.

Es sind jedoch auch andere Geber bekannt, bei denen die Funktionstüchtigkeit eingeschränkt ist, wenn der Innenwiderstand einen vorgegebenen Wert überschrei­ tet. Ein solcher Geber ist beispielsweise eine soge­ nannte Lambda-Sonde, welche den Sauerstoffgehalt im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors mißt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache und zuverlässige Möglichkeit anzugeben, den Innen­ widerstand eines Gebers zu überwachen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Geber derart mit einem Oszil­ lator verbunden ist, daß der Innenwiderstand des Gebers die Schwingfähigkeit des Oszillators beein­ flußt, und daß die Ausgangsspannung des Oszillators einem Demodulator zugeführt ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich in einfacher Weise mit wenigen elektronischen Bauele­ menten verwirklichen und ist für eine Vielzahl von Gebern geeignet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Innen­ widerstand des Gebers Teil eines Rückkopplungsnetz­ werkes des Oszillators ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein erster Anschluß des Gebers mit festem Potential beaufschlagt ist und daß ein zweiter Anschluß den Ausgang des Gebers bildet, daß der Ausgang mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist, daß dem Geber ein erster Kondensator parallelgeschaltet ist und daß zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingang eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem zweiten Kondensator vorgesehen ist.

Diese Weiterbildung ermöglicht eine besonders ein­ fache Realisierung, zu der lediglich ein integrier­ ter Verstärker, zwei Widerstände und zwei Kondensato­ ren sowie eine Demodulatorschaltung benötigt werden.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein LC-Oszillator vorgesehen ist, dessen Schwingkreis-Induktivität eine erste Wicklung auf­ weist, und daß die Schwingkreis-Induktivität mit einer zweiten Wicklung versehen ist, die in Reihe mit einem Kondensator an den Geber angeschlossen ist. Dadurch ist eine galvanische Trennung zwischen dem Geber und dem Oszillator möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Wei­ terbildung ist zur Überwachung von weiteren Gebern die Schwingkreis-Induktivität mit weiteren Wicklun­ gen versehen. Dadurch ist mit besonders geringem Auf­ wand die Überwachung mehrerer Geber möglich.

Andere Weiterbildungen sehen vorteilhafte Kombinatio­ nen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit anderen Maßnahmen zur Überwachung eines Gebers vor. Eine derartige Weiterbildung besteht darin, daß Mit­ tel vorgesehen sind, welche die Ausgangsspannung des Gebers bei ungestörtem Betrieb auf einen Teil des durch die Betriebsspannung des Gebers vorgegebenen Bereich begrenzen, daß die Ausgangsspannung des Gebers einem Fensterkomparator zugeführt ist und daß die Ausgangsspannung des Fensterskomparators und die Ausgangsspannung des Demodulators je einem Eingang einer ODER-Schaltung zugeführt sind.

Dadurch können außer der unzulässigen Erhöhung des Innenwiderstandes andere Fehler des Gebers, bei­ spielsweise ein Schluß zwischen dem Ausgang und der Betriebsspannung, festgestellt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Weiterbildung besteht darin, daß der Geber ein Potentiometer ist, dessen Schleifer den Ausgang des Gebers bildet und bei dem die Enden der Widerstandsbahn mit den Polen einer Betriebsspannungsquelle verbunden sind, und daß der in das Ausgangssignal des Gebers umzuwandeln­ de Verstellweg des Potentiometers nicht die Endbe­ reiche der Widerstandsbahn umfaßt.

Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit trägt eine andere Weiterbildung bei, bei der vorgesehen ist, daß ein einen vorgegebenen Wert der Eingangsgröße des Gebers kennzeichnendes Signal mit einem von der Ausgangsspannung des Gebers abgeleiteten Signal ver­ glichen wird und daß bei einer Abweichung der zu vergleichenden Signale ein Fehler gemeldet wird.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Drei davon sind schematisch in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbei­ spiels,

Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spiels und

Fig. 3 das Schaltbild eines dritten Ausführungsbei­ spiels.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Widerstandsbahn eines Potentiometers 1 mit einer bei 2 zugeführten Betriebsspannung beaufschlagt. Der Schleifer 3 des Potentiometers 1 ist beispielsweise mit einem Gaspedal gekoppelt. Die Spannung am Schlei­ fer 3 ist daher der Stellung des Gaspedals analog und wird über einen als Impedanzwandler geschalteten Operationsverstärker 4 einem Ausgang 5 zugeführt, von dem sie beispielsweise dem Regler einer elektro­ nischen Gaspedalanlage zugeführt wird.

Ein Verstärker 6 ist durch ein geeignetes Rückkopp­ lungsnetzwerk als Oszillator geschaltet. Dazu sind zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Verstär­ kers und dem Ausgang eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 7 und einem Widerstand 8 sowie zwischen dem Eingang und Massepotential ein Kondensator 9 vorgesehen. Der sich aus dem Übergangswiderstand des Schleifers 3 und der Parallelschaltung beider Teile der Leiterbahn ergebende Innenwiderstand des Poten­ tiometers 1 ist signalmäßig dem Kondensator 9 paral­ lelgeschaltet. An den Ausgang des Verstärkers 6 bzw. des Oszillators ist eine Demodulatorschaltung 10 angeschlossen, deren Ausgang 11 ein Signal entnommen werden kann, welches einen ersten Wert annimmt, wenn der Oszillator nicht schwingt und beim Schwingen des Oszillators einen zweiten Wert erreicht. Gegebenen­ falls kann die Demodulatorschaltung 10 mit einem entsprechenden Begrenzer versehen sein, so daß am Ausgang 11 ein für digitale Schaltkreise, beispiels­ weise TTL-Schaltungen, geeigneter Pegel zur Verfü­ gung steht.

Bei idealem Kontakt zwischen dem Schleifer 3 und der Widerstandsbahn ist der Innenwiderstand des Poten­ tiometers 1 in der Mittelstellung am größten (voraus­ gesetzt ist dabei ein linearer Widerstandsverlauf der Leiterbahn). Dieser Wert zuzüglich eines als un­ kritisch anzusehenden Übergangswiderstandes bedämpft den Oszillator so stark, daß er nicht anschwingt. Erst wenn der Übergangswiderstand einen unzulässig hohen Wert erreicht bzw. die Leitung zwischen dem Schleifer und der Schaltung unterbrochen wird, schwingt der Oszillator.

Ein Koppelkondensator 12 sowie ein Eingangswider­ stand 13 des Verstärkers, welche in Fig. 1 gestri­ chelt dargestellt sind, sind entsprechend bei der Berechnung der Schwingfähigkeit des Oszillators zu berücksichtigen. Der Koppelkondensator 12 hält dabei die veränderliche Ausgangsspannung des Gebers vom Verstärkereingang fern und sollte einen möglichst großen Wert aufweisen, damit seine Kapazitätstole­ ranz so gering wie möglich die Ansprechschwelle beeinflußt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein LC-Oszillator verwendet, bei welchem der Verstärkerausgang über einen Widerstand 15 mit dem Eingang verbunden ist, an welchem ein aus einem Kon­ densator 16 und eine Induktivität 17 gebildeter Parallelschwingkreis liegt. Bei genügend geringem Innenwiderstand des Gebers erfolgt die Dämpfung des Oszillators dadurch, daß eine zweite Wicklung 18 der Induktivität 17 in Reihe mit einem Kondensator 19 an den Ausgang des Gebers bzw. an den Schleifer 3 des Potentiometers 1 angeschlossen ist. Der Kondensator 19 dient dazu, wechselspannungsmäßig das vom Schlei­ fer 3 abgewandte Ende der Wicklung 18 mit Massepoten­ tial zu verbinden, wobei die Ausgangsspannung des Gebers praktisch nicht beeinflußt wird. Die Schwing­ frequenz des Oszillators wird derart hoch gewählt, daß die möglichen Änderungen der Ausgangsspannung des Gebers dagegen vernachlässigbar langsam sind.

In Fig. 3 ist das Potentiometer 1 etwas detaillier­ ter in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt. Dabei stellt der Widerstand 21 den Übergangswider­ stand dar, während die Widerstände 22, 23 mangelnde Isolierungen zwischen dem Schleifer bzw. dem Aus­ gangsanschluß 24 und dem Anschluß 2 für die Betriebs­ spannung einerseits und Massepotential andererseits darstellen. Zwei in Reihe mit der Leiterbahn des Potentiometers gezeichnete Widerstände 25, 26 zei­ gen, daß bei der Anordnung nach Fig. 3 der durch die Verstellung des Schleifers 3 erzielbare Bereich der Ausgangsspannung des Gebers begrenzt ist - beispiels­ weise zwischen 10% und 90% der bei 2 zugeführten Betriebsspannung. Dieses kann entweder durch Verwen­ dung zweier Widerstände 25, 26 oder durch eine mecha­ nische Begrenzung der Schleiferbewegung erfolgen.

Wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 wird das Ausgangssignal des Gebers über einen Impedanzwandler 4 einem Ausgang 5 zugeführt. Der Oszillator ist im wesentlichen wie der in Fig. 1 dargestellte Oszillator aufgebaut. Es sind lediglich zusätzlich Spannungsteiler 31, 32; 33, 34 zur Fest­ legung des Arbeitspunktes der beiden Eingänge des als Differenzverstärker ausgeführten Verstärkers 6 vorgesehen. Außerdem erfolgt eine Gegenkopplung mit Hilfe eines Widerstandes 35.

Die in den Fig. 1 und 2 lediglich schematisch angedeutete Demodulatorschaltung ist in Fig. 3 eben­ falls detaillierter dargestellt. Die Dioden 36, 37 bilden zusammen mit den Kondensatoren 38, 39 einen an sich bekannten Amplitudendemodulator bzw. Spitzen­ wertgleichrichter. Ein Widerstand 40 dient zur Fest­ legung des Arbeitspunktes des nichtinvertierenden Eingangs eines Differenzverstärkers 41. Außerdem bestimmt sein Wert die Entladezeitkonstante des Kon­ densators 39. Der invertierende Eingang des Diffe­ renzverstärkers 41 erhält eine von Massepotential abweichende Vorspannung über den Spannungsteiler 42, 43.

Schwingt der Oszillator nicht, so stellt sich am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 41 Massepotential ein, die Ausgangsspannung befindet sich an der einen Grenze des Aussteuerbereiches. Schwingt der Oszillator, so lädt sich der Kondensa­ tor 39 auf die Amplitude der Schwingungen auf, der nichtinvertierende Eingang wird mit einer Spannung beaufschlagt, die positiver ist als diejenige am invertierenden Eingang, so daß die Ausgangsspannung den anderen Grenzwert des Aussteuerbereiches ein­ nimmt. Durch geeignet Wahl der Betriebsspannung des Differenzverstärkers 41 kann damit ein für logische Bausteine geeigneter Pegel erzielt werden.

Durch die Überwachung des Innenwiderstandes des Gebers können nicht alle Fehler des Gebers festge­ stellt werden. Tritt ein Kurzschluß innerhalb des Gebers auf, so daß beispielsweise der Wert eines der Widerstände 22, 23 gegen null geht, dann wird der Innenwiderstand noch kleiner als beim Normalbetrieb, so daß der Oszillator nicht anschwingt. Um auch derartige Fehler festzustellen, ist der Ausgang 5 mit dem Eingang eines an sich bekannten Fensterkompa­ rators 42 verbunden, der an seinem Ausgang ein Sig­ nal abgibt, wenn die Spannung am Eingang entweder über 90% oder unter 10% liegt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist zur wei­ teren Erhöhung der Sicherheit eine Schaltung vorge­ sehen, welche das Ausgangssignal eines mit dem Schleifer 3 mechanisch gekoppelten Schalters 43 mit der Spannung am Ausgang 5 vergleicht. Der Schalter 43 gibt beim Durchfahren einer vorgegebenen Stellung des Potentiometers, beispielsweise bei 17% des Stellbereichs einen Sprung von logisch L auf H ab.

Mit Hilfe eines aus den Widerständen 44, 45, 46 bestehenden Spannungsteilers werden aus der Betriebs­ spannung zwei Spannungen gewonnen, welche jeweils um eine zulässige Abweichung oberhalb und unterhalb des Wertes liegen, bei welchem der Schalter 43 betätigt wird. Diese Werte werden mit Hilfe von Komparatoren 47, 48 mit der Ausgangsspannung verglichen. Die durch diesen Vergleich erhaltenen Signale werden je einem Eingang zweier NICHT-ODER-Schaltungen 49, 50 zugeführt, deren andere Eingänge einerseits mit dem Signal des Schalters 43 und andererseits mit dem mit Hilfe der NICHT-ODER-Schaltung 51 negierten Signal des Schalters beaufschlagt sind. Mit Hilfe einer ODER-Schaltung 52 werden die Ausgangssignale der NICHT-ODER-Schaltung 49, 50 derart verknüpft, daß ein Fehlersignal abgegeben wird, wenn der Schleifer des Potentiometers 1 bei 17% besteht, die Ausgangs­ spannung jedoch davon abweicht.

Mit Hilfe einer weiteren ODER-Schaltung 53 werden die Fehlersignale zusammengefaßt, so daß am Ausgang 54 der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung ein Fehlersignal auftritt, wenn der Übergangswiderstand zu groß wird, wenn die Ausgangsspannung U einen Wert einnimmt, der außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, oder wenn bei einer vorgegebenen Stellung des Potentiometers ein abweichender Wert der Ausgangs­ spannung U auftritt.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung des Innenwi­ derstandes eines Gebers, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber derart mit einem Oszillator verbunden ist, daß der Innenwiderstand des Gebers die Schwingfähig­ keit des Oszillators beeinflußt, und daß die Aus­ gangsspannung des Oszillators einem Demodulator zuge­ führt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand des Gebers Teil eines Rückkopplungsnetzwerkes des Oszillators ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Anschluß des Gebers (1) mit festem Potential beaufschlagt ist und daß ein zweiter Anschluß den Ausgang des Gebers (1) bil­ det, daß der Ausgang mit dem Eingang eines Verstär­ kers (6) verbunden ist, daß dem Geber (1) ein erster Kondensator (9) parallelgeschaltet ist und daß zwischen dem Ausgang des Verstärkers (6) und dem Eingang eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (8) und einem zweiten Kondensator (7) vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein LC-Oszillator vorgesehen ist, dessen Schwingkreis-Induktivität (17) eine erste Wicklung aufweist, und daß die Schwingkreis-Indukti­ vität (17) mit einer zweiten Wicklung (18) versehen ist, die in Reihe mit einem Kondensator (19) an den Geber (1) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung von weiteren Gebern die Schwingkreis-Induktivität (17) mit weite­ ren Wicklungen versehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (25, 26) vorgesehen sind, welche die Ausgangsspannung des Gebers (1) bei ungestörtem Betrieb auf einen Teil des durch die Betriebsspannung des Gebers (1) vorge­ gebenen Bereich begrenzen, daß die Ausgangsspannung des Gebers einem Fensterkomparator (42) zugeführt ist und daß die Ausgangsspannung des Fensterskompa­ rators (42) und die Ausgangsspannung des Demodula­ tors (10) je einem Eingang einer ODER-Schaltung (53) zugeführt sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber ein Potentiometer (1) ist, dessen Schleifer (3) den Ausgang des Gebers bildet und bei dem die Enden der Widerstandsbahn mit den Polen einer Betriebsspannungsquelle verbunden sind, und daß der in das Ausgangssignal des Gebers umzuwandelnde Verstellweg des Potentiometers nicht die Endbereiche der Widerstandsbahn umfaßt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen vorgegebenen Wert der Eingangsgröße des Gebers (1) kennzeichnendes Signal mit einem von der Ausgangs­ spannung des Gebers (1) abgeleiteten Signal vergli­ chen wird und daß bei einer Abweichung der zu ver­ gleichenden Signalen ein Fehler gemeldet wird.