具有改进的故障识别的测量电桥组件的制作方法

本发明大体上涉及一种测量电桥组件，如何将所述测量电桥组件用于检测物理量，例如压力、力、温度、磁场。这样的测量电桥组件包含多个电阻元件、压电电阻元件或者磁阻元件，所述元件能够被布线为惠斯通电桥。本发明尤其涉及用于识别在所述测量电桥、引线和信号准备中的故障状态的设备和方法。故障识别在安全至关重要的应用中、例如在汽车-或者医疗技术中是必不可少的。例如，给药仪器、如胰岛素泵或者自动注射器必须具有用于识别在给药路径中的闭塞的测量设备，为此有利地使用压力传感器或者力传感器。由于闭塞识别是关键功能，因此必须识别出测量装置的失灵或者功能性故障。

背景技术：

在国际公开号为wo99/01777a1的pct申请中公开了一种用于监控压电电阻式惠斯通-传感器桥电路的功能的电路。当被比较的信号偏离得超过能接受的数值时，窗口比较器的输出端发出警报信号。被公开的电路在某种程度内监控电桥电阻以及与asic的连接。但是，这个被引用的现有技术复杂并且比较贵。在所述被引用的现有技术中的方法需要两个单独的处理电路，所述处理电路必须准确地在时间和温度上被调整并且必须是稳定的。

ep2269009b1公开了一种用于过程仪器的测量变换器，在所述测量变换器中根据由于化学的污染引起的变化对基板的状态进行监控，所述基板承载了用于产生测量信号的传感器的测量电阻。附加地，根据断开、也就是说电的中断对所述测量电阻和其连接线路进行监控。对传感器断开的探测能够例如通过昂贵的测量被布线成惠斯通-电桥的测量电阻的电流接收来进行。

wo2014170051a1中的发明涉及了一种用于过程仪器的测量变换器，所述测量变换器具有用于检测物理的或化学的量的传感器，其中，所述传感器具有被布线成惠斯通-电桥的测量电阻，用以产生模拟的测量信号。为了执行测量变换器诊断，该惠斯通-电桥的至少一个第一分压器的中间触点引出头通过由至少一个第一电阻和第一开关组成的串联电路暂时与基准电势连接。操控-和评估装置在第一开关打开或者闭合时分别求取数字测量信号的值，借助于模拟-数字-转换器从模拟的测量信号中获得所述数字测量信号。如果两个值的偏差在预定的公差范围之外，则探测并且显示该测量转换器、尤其是该模拟-数字-转换器（adc）的故障。这具有下述优点：用于监控该模拟-数字-转换器的功能性故障的第二模拟-数字-转换器不是必需的。这个现有技术没有教导与传感器的状态无关的测量转换器诊断。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提供设备和方法，所述设备和方法比在上文提到的现有技术中的教导更简单地和更成本有利地实现在测量电桥组件中的故障的检测。根据本发明的一种改型方案的另一个任务是，当在测量电桥组件中出现故障时，提供警报。

总而言之，能够根据本发明的结构方面中的一个方面对本发明进行如下说明：用于可变的输入量、例如力的测量电桥组件，其包含具有两个半桥的测量电桥，所述两个半桥各具有一个测量连接端，在所述两个测量连接端之间根据该输入量的值能够截取电桥差分电压作为测量信号；此外还包含具有两个检验连接端的参考分压器，在所述两个检验连接端之间能够截取预定的检验差分电压作为检验信号；此外还包含两个能够被控制的、用于所述测量信号或者检验信号的转换开关和差分放大器，该差分放大器的输出信号能够通向模拟-数字-转换器。放大器输入端各与一个电容器连接。根据本发明的实施方式和方法由独立权利要求得出，本发明的有利的改型方案和应用情况由从属权利要求得出。

所述测量电桥由四个或者更多个元件、尤其是电阻元件构成，在所述元件中至少一个元件、有利地两个元件通过变化的输入量的影响改变所述元件的电阻值。所述测量电桥相对于基准电势由参考电压供电。相对于基准电势，在半桥被调谐的情况下在所述测量连接端处出现共模电压，所述共模电压被输入量相关的电桥差分电压叠加，所述电桥差分电压能够作为在所述半桥之间的测量信号ua被截取。

所述参考分压器由三个或者更多个串联的电阻构成，并且相对于基准电势由另一个参考电压供电、有利地和所述测量电桥由同一个参考电压供电。关于所述参考电压，在所述电阻上出现与值成比例的分电压，所述分电压中的一个分电压能够作为检验信号up在一个或者多个电阻上在所述检验连接端处被截取。

所述差分放大器具有至少两个放大器输入端，所述放大器输入端中的一个放大器输入端是同相的放大器输入端，一个是反相的放大器输入端。所述差分放大器具有预定的电压增益，所述电压增益在1到100000之间、有利地在10到10000之间、还更有利地在100到1000之间，例如123。所述放大器输入端的输入电阻有利地比该测量电桥的和该参考分压器的内阻高数倍。在所述放大器输出端处可用的输出电压工作范围有利地通过使用所谓的“轨到轨仪表放大器”能够不失真地被使用到从所述基准电势直至放大器馈电电势的几乎全部的电压范围上，所述放大器馈电电势有利地对应于该测量电桥的参考电压或者与这个参考电压成预定的比例关系。

在所述放大器输出端处的电压能够被供给给模拟-数字-转换器。该模拟-数字-转换器的参考电压有利地与所述放大器馈电电势相同。所述模拟-数字-转换器将在其输入端处的、与信号成比例的电压值在需要时或者周期性地转化为离散的数字值，其中，最小值能够对应于所述基准电势，最大值能够对应于所述参考电压。这些值供后续的数字处理使用，尤其是供比较、计算、储存或者显示使用。尤其是，这样的进一步的处理能够被程序控制地在控制器或者计算机中进行。

通过转换开关，放大器输入端能够可选地与在所述测量电桥处的测量连接端或者在所述参考分压器处的检验连接端连接，所述转换开关有利地在半导体技术中被实施为所谓的“模拟开关”。在此，该差分放大器的同相输入端和反向输入端各与一个转换开关连接。当两个转换开关在其正常的第一位置中时，所述转换开关能够例如将所述测量信号从所述测量电桥施加到所述放大器输入端处。在所述转换开关的被操作的第二位置中，所述转换开关能够例如将所述检验信号从所述参考分压器施加到所述放大器输入端处。根据本发明，所述转换开关进一步地也能够被如此操作或者确定，使得例如第一转换开关将同相的放大器输入端连接到在所述测量电桥处的测量连接端处，并且同时第二转换开关将反相的放大器输入端连接到在所述参考分压器处的检验连接端处。适合的模拟开关有利地成组地被集成地作为所谓的“多路复用器”供使用。所述转换开关的开关位置的、个别的或者共同的操作或者确定能够有利地通过数字信号进行，所述信号能够由控制器或者计算机来程序控制。

根据本发明，在所述放大器输入端处设置电容器。这些电容器以足够的精度以已知的方式根据所述电容器的电容c和被连接的电压源的有效的内阻r在一些时间常数τ、有利地在5τ或者甚至于10τ之后接收被接通的测量连接端或者检验连接端的电势，其中，按照下述公式计算所述时间常数：

τ=rc。

被接通的测量电势或者检验电势能够在对应的充电时间之后以足够的精度被放大，并且如上所述地被进一步处理。

如果所述电压源被断开或者如果连接线路中断，则被接收的电势通过电容器充电首先存在于在所述放大器输入端处或者比较地说随着所述充电只非常缓慢地减少，并且能够在缓慢的放电开始时以足够的精度被放大并且如上所述地被进一步处理。在电容c相同时再次按照下述公式计算所述时间常数：

τ‘=r‘c。

在此，对于缓慢的放电来说，有利地非常高的有效内阻r‘是决定性量，所述内阻r‘由放大器输入端电阻、电容器绝缘性能、开关绝缘性能以及另外的绝缘电阻得出。根据本发明，该测量电桥的和该参考分压器的有效内阻r应该被选择得显著地小于所述有效内阻r‘，例如100倍到1000000倍地小于所述有效内阻r‘。所述电容器能够有利地具有1到100nf的电容，例如10nf。在所述有效内阻非常高或者非常低时，所述电容能够对应地也被选择得还更小或者还更大。

所描述的测量电桥组件允许根据本发明的第一方法，所述第一方法用于诊断信号处理、尤其是该差分放大器和该模拟-数字-转换器的信号处理以及用于诊断这些元件的连接的完整性。所述参考分压器在此通过所述电阻值的对应的选择有利地被如此度量（设计），使得能够在所述检验连接端处被截取的检验信号的电压值大于在正常运行中作为测量信号产生的最大电桥差分电压uamax。在此，该差分放大器的电压增益g能够被如此度量（设计），使得所述输出电压小于该输出电压工作范围的上限、有利地在该输出电压工作范围的上限附近。对应地，能够为所述第一检验连接端与所述第二检验连接端之间的差分电压乘以所述电压增益的的合理值确定第一额定值范围。在所述运行中，现在所述转换开关能够在需要时通过所述控制信号被放置到所述检验连接端上，并且在该电容器的上文所述的足够长的充电时间之后能够评估在所述放大器输出端处的电压值，并且当所述电压值出现在该第一额定值范围之外时能够识别出第一故障状态。

所描述的测量电桥组件允许根据本发明的第二方法，所述第二方法用于诊断信号准备、尤其是在所述测量电桥中的信号准备以及用于诊断所述测量电桥与所述差分放大器的连接的完整性。所述参考分压器在此通过所述电阻值的对应的选择有利地被如此度量（设计），使得能够在所述检验连接端处被截取的检验信号的电压值大于在所述正常运行中作为测量信号产生的最大电桥差分电压uamax。在此，该差分放大器的电压增益g能够被如此度量（设计），使得最大输出电压小于该输出电压工作范围的上限、有利地在该输出电压工作范围的上限附近，特别有利的是被如此度量（设计）的输出电压定义该输出电压工作范围的上限。进一步地，所述参考分压器和所述测量电桥通过所述电阻值的对应的选择被如此度量（设计），使得所述两个半桥的共模信号ugt的电压值要么比在所述第一检验连接端+ur处的电压值大最大测量差分电压uamax的数值的至少二分之一，要么比在所述第二检验连接端-ur处的电压值小该最大测量差分电压uamax的数值的至少二分之一。

在所述运行中，用于检验相位的转换开关能够通过所述控制信号被放置到所述检验连接端上，并且在所述电容器的上文所述的足够长的充电时间之后，在所述电容器处或者在所述放大器输入端处各出现一个偏离所述共模信号ugt的电势。然后，用于测量相位的转换开关能够通过所述控制信号被放置到所述测量连接端上。在引线完好的情况下并且在所述电容器的上文所述的足够长的充电时间之后，在所述电容器处或者在所述放大器输入端处各出现一个在该共模信号ugt的高度的电势，所述电势被当前的测量差分电压ua叠加。被放大的测量信号存在于所述放大器输出端vout处，所述测量信号必须位于该输出电压工作范围的下限之上和上限之下。如果不满足这个标准，则存在第二故障状态，所述第二故障状态尤其也能够由失调的或者失灵的测量电桥引起。

如果从所述测量电桥到所述差分放大器的两条信号线路中的一条信号线路被中断，则受到影响的放大器输入端由于电容器充电保留在该检验连接端的电势上。另一个放大器输入端接收该测量连接端的电势。由于上述度量（设计），在所述放大器输入端之间产生电势差，所述电势差大于所述最大测量差分电压uamax。通过所述电压增益g在所述放大器输出端处产生在该输出电压工作范围之外的电压，或者所述放大器被过调制并且以其输出值进入“止挡状态（inanschlag）”、也就是说近乎止挡放大器馈电电势或者参考电势或者基准电势，两种情况能够被识别为第三故障状态。

如果两条信号线路被中断，则两个受到影响的放大器输入端由于所述电容器充电在从所述检验相位切换到所述测量相位之后保留在所述检验连接端的电势上，尽管这些检验连接端不再连接。通过所述电压增益在所述放大器输出端处保留在该第一额定值范围内的电压，这能够被识别为第四故障状态。

被识别的故障状态、尤其是第一到第四故障状态能够有利地与所述故障情况、如运行类型和时间/日期一起被存储用于进一步的或者以后的处理。同时地或者延迟地，能够触发警报和/或改变运行状态或者发出信号或者输出数据。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的测量电桥组件的实施方式；

图2示意性地示出用于测量电桥的信号评估的优选的实施方式。

具体实施方式

图1与本发明的第一实施方式相一致地示出测量电桥组件100，所述测量电桥组件包含测量电桥101、具有参考分压器102的参考电压源vref、包含两个能够被控制的转换开关s1和s2的多路复用器103、差分放大器104和包含集成的模拟-数字-转换器adc和数字控制输出端stg的控制器105，该差分放大器的输入端vin+和vin-相对于基准电势与所述电容器c1和c2连接，并且所述差分放大器具有输出端vout。

所述测量电桥101相对于基准电势gnd被供应所述参考电势vref。两个电阻元件r3、r4形成具有测量连接端+ud的第一半桥，其中，r4具有固定的电阻值，r3基于可变的外部的物理的量改变其电阻。另外两个电阻元件r1和r2形成具有测量连接端-ud的第二半桥，其中，r1具有固定的电阻值，r2基于变化的外部的物理的量改变其电阻。优选地，所述电桥被如此调谐，使得所述电桥差分电压ua在外部的量最小或者最大时接近零值。相对于基准电势，在此在所述测量连接端处出现所述共模电压ugt。

所述参考分压器102由三个电阻r5、r6、r7的串联电路形成，并且位于基准电势gnd与参考电势vref之间。所述检验连接端+ur位于r5与r6之间，所述检验连接端-ur位于r6与r7之间。在-ur与+ur之间能够截取检验电压up。

在所述多路复用器103中的转换开关s1利用其公共连接端com1与所述同相的放大器输入端vin+连接，该转换开关的工作触点no1与所述检验连接端+ur连接，该转换开关的静止接点nc1与所述测量连接端+ud连接。该转换开关s1的控制线路与该控制器105的数字输出端连接。在所述多路复用器103中的转换开关s2利用其公共连接端com2与所述反相的放大器输入端vin-连接，该转换开关的工作触点no2与所述检验连接端-ur连接，该转换开关的静止接点nc2与所述测量连接端-ud连接。该转换开关s2的控制线路与该控制器105的数字输出端stg连接。

所述差分放大器104、优选具有所述同相的放大器输入端vin+和所述反相的放大器输入端vin-的仪表放大器类型的集成电路具有能够通过外界元件被确定的电压增益g和输出端vout，所述输出端输出乘以g的、在所述放大器输入端处的电势的差，只要这个值能够是基准电势与放大器馈电电压之间的电势。在vout处的电势被引导到在所述控制器105中的模拟-数字-转换器adc的模拟输入端处。

所述控制器105能够是固定布线的逻辑电路，优选地与之相反是实施被程序控制的逻辑电路的微控制器或者asic。所述控制器105在所示出的实施方式中通过至少一个数字输出端stg控制所述多路复用器103，并且促使模拟-数字-转换和被转换的测量值的评估和处理。

图2与本发明的优选的第二实施方式相一致地示出用于所述测量电桥（未示出）的能够拆卸的连接端j200、具有由电阻r132、r133、r134组成的参考分压器的参考电压源supply_ref、包含两个能够被控制的转换开关的多路复用器n203、差分放大器n200和包含集成的模拟-数字-转换器的控制器u101，该差分放大器的输入端vin+和vin-相对于基准电势与所述电容器c223和c222连接，并且所述差分放大器具有输出端vo。

该第二实施方式的功能和结构原则上对应于所述第一实施方式。在下文中说明的具体的度量（设计）应该说明本发明的方面，并且仅仅是一种可能的实施方式。所述测量电桥（未画出）与插口j200连接。模拟多路复用器n203具有两个集成的、双极的、低阻抗的、具有小串扰的转换开关。所述线路occ_signal_test将主处理器的控制信号引导向该模拟多路复用器n203的控制输入端。当occ_signal_test=低（low）时：所述输入端nc与所述输出端com连接，所述输入端no是打开的。当occ_signal_test=高（high）时：所述输入端no与所述输出端com连接，所述输入端nc是打开的。

r131到r134在参考电势supply_ref、例如3.0v处形成分压器链。在r133处生成具有1.425v的共模电平的22.3mv的差分电压。r133的两个电势被引导到该模拟多路复用器n203的no1连接端和no2连接端处。在occ_signal_test=高时，利用所述分压器链生成的检验信号被放置到该放大器n200的两个输入端处。在被调整的增益具有增益=123时，n200产生大约2.75v的参考信号。在occ_signal_test=低时，该测量电桥的两个输出信号被放置到该放大器n200的输入端处。在这种模式中，所述电路对应于一般常见的用于评估所述测量电桥-输出信号的基本电路。

两个电容器c222和c223用于在通向所述测量电桥的一个或者多个连接线路中断时进行故障探测。工作方式如下：首先评估所述检验信号。所述两个电容器由此获得在大约1.425v的共模电平的范围中的被定义的电势。

当所述多路复用器被切换时，所述两个电容器在连接完好的情况下在最短的时间内接收低阻抗的测量电桥的电势作为具有大约1.5v的共模电平的测量差分电压。在n200的输出端处存在被放大的测量差分电压。当与之相反信号-线路被中断时，受到影响的电容器的电势保留在原始电平上。因此，在所述放大器输入端处出现比较高的、大约75mv的差分电压，所述差分电压将具有增益=123的仪表放大器n200计算在内（基准电势gnd0v或者参考电势supply_ref3v）。

在两条信号线路都中断时，所述检验信号继续存在于n200的输出端处。这个检验信号与正常的测量值相比具有不能接受地高的值。

该差分放大器的输出电压occ_signal通过模拟的低通滤波器r124、c134被供给给在所述控制器u101中的模拟-数字-转换器。替代地或者补充地，所述输出电压occ_signal也能够被供给给在另一个控制器中的独立的第二过滤和再处理r230、c344、u200。