本發(fā)明大體上涉及一種測量電橋組件，如何將所述測量電橋組件用于檢測物理量，例如壓力、力、溫度、磁場。這樣的測量電橋組件包含多個電阻元件、壓電電阻元件或者磁阻元件，所述元件能夠被布線為惠斯通電橋。本發(fā)明尤其涉及用于識別在所述測量電橋、引線和信號準(zhǔn)備中的故障狀態(tài)的設(shè)備和方法。故障識別在安全至關(guān)重要的應(yīng)用中、例如在汽車-或者醫(yī)療技術(shù)中是必不可少的。例如，給藥儀器、如胰島素泵或者自動注射器必須具有用于識別在給藥路徑中的閉塞的測量設(shè)備，為此有利地使用壓力傳感器或者力傳感器。由于閉塞識別是關(guān)鍵功能，因此必須識別出測量裝置的失靈或者功能性故障。

背景技術(shù)：

在國際公開號為wo99/01777a1的pct申請中公開了一種用于監(jiān)控壓電電阻式惠斯通-傳感器橋電路的功能的電路。當(dāng)被比較的信號偏離得超過能接受的數(shù)值時，窗口比較器的輸出端發(fā)出警報信號。被公開的電路在某種程度內(nèi)監(jiān)控電橋電阻以及與asic的連接。但是，這個被引用的現(xiàn)有技術(shù)復(fù)雜并且比較貴。在所述被引用的現(xiàn)有技術(shù)中的方法需要兩個單獨的處理電路，所述處理電路必須準(zhǔn)確地在時間和溫度上被調(diào)整并且必須是穩(wěn)定的。

ep2269009b1公開了一種用于過程儀器的測量變換器，在所述測量變換器中根據(jù)由于化學(xué)的污染引起的變化對基板的狀態(tài)進行監(jiān)控，所述基板承載了用于產(chǎn)生測量信號的傳感器的測量電阻。附加地，根據(jù)斷開、也就是說電的中斷對所述測量電阻和其連接線路進行監(jiān)控。對傳感器斷開的探測能夠例如通過昂貴的測量被布線成惠斯通-電橋的測量電阻的電流接收來進行。

wo2014170051a1中的發(fā)明涉及了一種用于過程儀器的測量變換器，所述測量變換器具有用于檢測物理的或化學(xué)的量的傳感器，其中，所述傳感器具有被布線成惠斯通-電橋的測量電阻，用以產(chǎn)生模擬的測量信號。為了執(zhí)行測量變換器診斷，該惠斯通-電橋的至少一個第一分壓器的中間觸點引出頭通過由至少一個第一電阻和第一開關(guān)組成的串聯(lián)電路暫時與基準(zhǔn)電勢連接。操控-和評估裝置在第一開關(guān)打開或者閉合時分別求取數(shù)字測量信號的值，借助于模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器從模擬的測量信號中獲得所述數(shù)字測量信號。如果兩個值的偏差在預(yù)定的公差范圍之外，則探測并且顯示該測量轉(zhuǎn)換器、尤其是該模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器（adc）的故障。這具有下述優(yōu)點：用于監(jiān)控該模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器的功能性故障的第二模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器不是必需的。這個現(xiàn)有技術(shù)沒有教導(dǎo)與傳感器的狀態(tài)無關(guān)的測量轉(zhuǎn)換器診斷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)在于，提供設(shè)備和方法，所述設(shè)備和方法比在上文提到的現(xiàn)有技術(shù)中的教導(dǎo)更簡單地和更成本有利地實現(xiàn)在測量電橋組件中的故障的檢測。根據(jù)本發(fā)明的一種改型方案的另一個任務(wù)是，當(dāng)在測量電橋組件中出現(xiàn)故障時，提供警報。

總而言之，能夠根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方面中的一個方面對本發(fā)明進行如下說明：用于可變的輸入量、例如力的測量電橋組件，其包含具有兩個半橋的測量電橋，所述兩個半橋各具有一個測量連接端，在所述兩個測量連接端之間根據(jù)該輸入量的值能夠截取電橋差分電壓作為測量信號；此外還包含具有兩個檢驗連接端的參考分壓器，在所述兩個檢驗連接端之間能夠截取預(yù)定的檢驗差分電壓作為檢驗信號；此外還包含兩個能夠被控制的、用于所述測量信號或者檢驗信號的轉(zhuǎn)換開關(guān)和差分放大器，該差分放大器的輸出信號能夠通向模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器。放大器輸入端各與一個電容器連接。根據(jù)本發(fā)明的實施方式和方法由獨立權(quán)利要求得出，本發(fā)明的有利的改型方案和應(yīng)用情況由從屬權(quán)利要求得出。

所述測量電橋由四個或者更多個元件、尤其是電阻元件構(gòu)成，在所述元件中至少一個元件、有利地兩個元件通過變化的輸入量的影響改變所述元件的電阻值。所述測量電橋相對于基準(zhǔn)電勢由參考電壓供電。相對于基準(zhǔn)電勢，在半橋被調(diào)諧的情況下在所述測量連接端處出現(xiàn)共模電壓，所述共模電壓被輸入量相關(guān)的電橋差分電壓疊加，所述電橋差分電壓能夠作為在所述半橋之間的測量信號ua被截取。

所述參考分壓器由三個或者更多個串聯(lián)的電阻構(gòu)成，并且相對于基準(zhǔn)電勢由另一個參考電壓供電、有利地和所述測量電橋由同一個參考電壓供電。關(guān)于所述參考電壓，在所述電阻上出現(xiàn)與值成比例的分電壓，所述分電壓中的一個分電壓能夠作為檢驗信號up在一個或者多個電阻上在所述檢驗連接端處被截取。

所述差分放大器具有至少兩個放大器輸入端，所述放大器輸入端中的一個放大器輸入端是同相的放大器輸入端，一個是反相的放大器輸入端。所述差分放大器具有預(yù)定的電壓增益，所述電壓增益在1到100000之間、有利地在10到10000之間、還更有利地在100到1000之間，例如123。所述放大器輸入端的輸入電阻有利地比該測量電橋的和該參考分壓器的內(nèi)阻高數(shù)倍。在所述放大器輸出端處可用的輸出電壓工作范圍有利地通過使用所謂的“軌到軌儀表放大器”能夠不失真地被使用到從所述基準(zhǔn)電勢直至放大器饋電電勢的幾乎全部的電壓范圍上，所述放大器饋電電勢有利地對應(yīng)于該測量電橋的參考電壓或者與這個參考電壓成預(yù)定的比例關(guān)系。

在所述放大器輸出端處的電壓能夠被供給給模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器。該模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器的參考電壓有利地與所述放大器饋電電勢相同。所述模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器將在其輸入端處的、與信號成比例的電壓值在需要時或者周期性地轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字值，其中，最小值能夠?qū)?yīng)于所述基準(zhǔn)電勢，最大值能夠?qū)?yīng)于所述參考電壓。這些值供后續(xù)的數(shù)字處理使用，尤其是供比較、計算、儲存或者顯示使用。尤其是，這樣的進一步的處理能夠被程序控制地在控制器或者計算機中進行。

通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，放大器輸入端能夠可選地與在所述測量電橋處的測量連接端或者在所述參考分壓器處的檢驗連接端連接，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)有利地在半導(dǎo)體技術(shù)中被實施為所謂的“模擬開關(guān)”。在此，該差分放大器的同相輸入端和反向輸入端各與一個轉(zhuǎn)換開關(guān)連接。當(dāng)兩個轉(zhuǎn)換開關(guān)在其正常的第一位置中時，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠例如將所述測量信號從所述測量電橋施加到所述放大器輸入端處。在所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的被操作的第二位置中，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠例如將所述檢驗信號從所述參考分壓器施加到所述放大器輸入端處。根據(jù)本發(fā)明，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)進一步地也能夠被如此操作或者確定，使得例如第一轉(zhuǎn)換開關(guān)將同相的放大器輸入端連接到在所述測量電橋處的測量連接端處，并且同時第二轉(zhuǎn)換開關(guān)將反相的放大器輸入端連接到在所述參考分壓器處的檢驗連接端處。適合的模擬開關(guān)有利地成組地被集成地作為所謂的“多路復(fù)用器”供使用。所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的開關(guān)位置的、個別的或者共同的操作或者確定能夠有利地通過數(shù)字信號進行，所述信號能夠由控制器或者計算機來程序控制。

根據(jù)本發(fā)明，在所述放大器輸入端處設(shè)置電容器。這些電容器以足夠的精度以已知的方式根據(jù)所述電容器的電容c和被連接的電壓源的有效的內(nèi)阻r在一些時間常數(shù)τ、有利地在5τ或者甚至于10τ之后接收被接通的測量連接端或者檢驗連接端的電勢，其中，按照下述公式計算所述時間常數(shù)：

τ=rc。

被接通的測量電勢或者檢驗電勢能夠在對應(yīng)的充電時間之后以足夠的精度被放大，并且如上所述地被進一步處理。

如果所述電壓源被斷開或者如果連接線路中斷，則被接收的電勢通過電容器充電首先存在于在所述放大器輸入端處或者比較地說隨著所述充電只非常緩慢地減少，并且能夠在緩慢的放電開始時以足夠的精度被放大并且如上所述地被進一步處理。在電容c相同時再次按照下述公式計算所述時間常數(shù)：

τ‘=r‘c。

在此，對于緩慢的放電來說，有利地非常高的有效內(nèi)阻r‘是決定性量，所述內(nèi)阻r‘由放大器輸入端電阻、電容器絕緣性能、開關(guān)絕緣性能以及另外的絕緣電阻得出。根據(jù)本發(fā)明，該測量電橋的和該參考分壓器的有效內(nèi)阻r應(yīng)該被選擇得顯著地小于所述有效內(nèi)阻r‘，例如100倍到1000000倍地小于所述有效內(nèi)阻r‘。所述電容器能夠有利地具有1到100nf的電容，例如10nf。在所述有效內(nèi)阻非常高或者非常低時，所述電容能夠?qū)?yīng)地也被選擇得還更小或者還更大。

所描述的測量電橋組件允許根據(jù)本發(fā)明的第一方法，所述第一方法用于診斷信號處理、尤其是該差分放大器和該模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器的信號處理以及用于診斷這些元件的連接的完整性。所述參考分壓器在此通過所述電阻值的對應(yīng)的選擇有利地被如此度量（設(shè)計），使得能夠在所述檢驗連接端處被截取的檢驗信號的電壓值大于在正常運行中作為測量信號產(chǎn)生的最大電橋差分電壓uamax。在此，該差分放大器的電壓增益g能夠被如此度量（設(shè)計），使得所述輸出電壓小于該輸出電壓工作范圍的上限、有利地在該輸出電壓工作范圍的上限附近。對應(yīng)地，能夠為所述第一檢驗連接端與所述第二檢驗連接端之間的差分電壓乘以所述電壓增益的的合理值確定第一額定值范圍。在所述運行中，現(xiàn)在所述轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠在需要時通過所述控制信號被放置到所述檢驗連接端上，并且在該電容器的上文所述的足夠長的充電時間之后能夠評估在所述放大器輸出端處的電壓值，并且當(dāng)所述電壓值出現(xiàn)在該第一額定值范圍之外時能夠識別出第一故障狀態(tài)。

所描述的測量電橋組件允許根據(jù)本發(fā)明的第二方法，所述第二方法用于診斷信號準(zhǔn)備、尤其是在所述測量電橋中的信號準(zhǔn)備以及用于診斷所述測量電橋與所述差分放大器的連接的完整性。所述參考分壓器在此通過所述電阻值的對應(yīng)的選擇有利地被如此度量（設(shè)計），使得能夠在所述檢驗連接端處被截取的檢驗信號的電壓值大于在所述正常運行中作為測量信號產(chǎn)生的最大電橋差分電壓uamax。在此，該差分放大器的電壓增益g能夠被如此度量（設(shè)計），使得最大輸出電壓小于該輸出電壓工作范圍的上限、有利地在該輸出電壓工作范圍的上限附近，特別有利的是被如此度量（設(shè)計）的輸出電壓定義該輸出電壓工作范圍的上限。進一步地，所述參考分壓器和所述測量電橋通過所述電阻值的對應(yīng)的選擇被如此度量（設(shè)計），使得所述兩個半橋的共模信號ugt的電壓值要么比在所述第一檢驗連接端+ur處的電壓值大最大測量差分電壓uamax的數(shù)值的至少二分之一，要么比在所述第二檢驗連接端-ur處的電壓值小該最大測量差分電壓uamax的數(shù)值的至少二分之一。

在所述運行中，用于檢驗相位的轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠通過所述控制信號被放置到所述檢驗連接端上，并且在所述電容器的上文所述的足夠長的充電時間之后，在所述電容器處或者在所述放大器輸入端處各出現(xiàn)一個偏離所述共模信號ugt的電勢。然后，用于測量相位的轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠通過所述控制信號被放置到所述測量連接端上。在引線完好的情況下并且在所述電容器的上文所述的足夠長的充電時間之后，在所述電容器處或者在所述放大器輸入端處各出現(xiàn)一個在該共模信號ugt的高度的電勢，所述電勢被當(dāng)前的測量差分電壓ua疊加。被放大的測量信號存在于所述放大器輸出端vout處，所述測量信號必須位于該輸出電壓工作范圍的下限之上和上限之下。如果不滿足這個標(biāo)準(zhǔn)，則存在第二故障狀態(tài)，所述第二故障狀態(tài)尤其也能夠由失調(diào)的或者失靈的測量電橋引起。

如果從所述測量電橋到所述差分放大器的兩條信號線路中的一條信號線路被中斷，則受到影響的放大器輸入端由于電容器充電保留在該檢驗連接端的電勢上。另一個放大器輸入端接收該測量連接端的電勢。由于上述度量（設(shè)計），在所述放大器輸入端之間產(chǎn)生電勢差，所述電勢差大于所述最大測量差分電壓uamax。通過所述電壓增益g在所述放大器輸出端處產(chǎn)生在該輸出電壓工作范圍之外的電壓，或者所述放大器被過調(diào)制并且以其輸出值進入“止擋狀態(tài)（inanschlag）”、也就是說近乎止擋放大器饋電電勢或者參考電勢或者基準(zhǔn)電勢，兩種情況能夠被識別為第三故障狀態(tài)。

如果兩條信號線路被中斷，則兩個受到影響的放大器輸入端由于所述電容器充電在從所述檢驗相位切換到所述測量相位之后保留在所述檢驗連接端的電勢上，盡管這些檢驗連接端不再連接。通過所述電壓增益在所述放大器輸出端處保留在該第一額定值范圍內(nèi)的電壓，這能夠被識別為第四故障狀態(tài)。

被識別的故障狀態(tài)、尤其是第一到第四故障狀態(tài)能夠有利地與所述故障情況、如運行類型和時間/日期一起被存儲用于進一步的或者以后的處理。同時地或者延遲地，能夠觸發(fā)警報和/或改變運行狀態(tài)或者發(fā)出信號或者輸出數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的測量電橋組件的實施方式；

圖2示意性地示出用于測量電橋的信號評估的優(yōu)選的實施方式。

具體實施方式

圖1與本發(fā)明的第一實施方式相一致地示出測量電橋組件100，所述測量電橋組件包含測量電橋101、具有參考分壓器102的參考電壓源vref、包含兩個能夠被控制的轉(zhuǎn)換開關(guān)s1和s2的多路復(fù)用器103、差分放大器104和包含集成的模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器adc和數(shù)字控制輸出端stg的控制器105，該差分放大器的輸入端vin+和vin-相對于基準(zhǔn)電勢與所述電容器c1和c2連接，并且所述差分放大器具有輸出端vout。

所述測量電橋101相對于基準(zhǔn)電勢gnd被供應(yīng)所述參考電勢vref。兩個電阻元件r3、r4形成具有測量連接端+ud的第一半橋，其中，r4具有固定的電阻值，r3基于可變的外部的物理的量改變其電阻。另外兩個電阻元件r1和r2形成具有測量連接端-ud的第二半橋，其中，r1具有固定的電阻值，r2基于變化的外部的物理的量改變其電阻。優(yōu)選地，所述電橋被如此調(diào)諧，使得所述電橋差分電壓ua在外部的量最小或者最大時接近零值。相對于基準(zhǔn)電勢，在此在所述測量連接端處出現(xiàn)所述共模電壓ugt。

所述參考分壓器102由三個電阻r5、r6、r7的串聯(lián)電路形成，并且位于基準(zhǔn)電勢gnd與參考電勢vref之間。所述檢驗連接端+ur位于r5與r6之間，所述檢驗連接端-ur位于r6與r7之間。在-ur與+ur之間能夠截取檢驗電壓up。

在所述多路復(fù)用器103中的轉(zhuǎn)換開關(guān)s1利用其公共連接端com1與所述同相的放大器輸入端vin+連接，該轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作觸點no1與所述檢驗連接端+ur連接，該轉(zhuǎn)換開關(guān)的靜止接點nc1與所述測量連接端+ud連接。該轉(zhuǎn)換開關(guān)s1的控制線路與該控制器105的數(shù)字輸出端連接。在所述多路復(fù)用器103中的轉(zhuǎn)換開關(guān)s2利用其公共連接端com2與所述反相的放大器輸入端vin-連接，該轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作觸點no2與所述檢驗連接端-ur連接，該轉(zhuǎn)換開關(guān)的靜止接點nc2與所述測量連接端-ud連接。該轉(zhuǎn)換開關(guān)s2的控制線路與該控制器105的數(shù)字輸出端stg連接。

所述差分放大器104、優(yōu)選具有所述同相的放大器輸入端vin+和所述反相的放大器輸入端vin-的儀表放大器類型的集成電路具有能夠通過外界元件被確定的電壓增益g和輸出端vout，所述輸出端輸出乘以g的、在所述放大器輸入端處的電勢的差，只要這個值能夠是基準(zhǔn)電勢與放大器饋電電壓之間的電勢。在vout處的電勢被引導(dǎo)到在所述控制器105中的模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器adc的模擬輸入端處。

所述控制器105能夠是固定布線的邏輯電路，優(yōu)選地與之相反是實施被程序控制的邏輯電路的微控制器或者asic。所述控制器105在所示出的實施方式中通過至少一個數(shù)字輸出端stg控制所述多路復(fù)用器103，并且促使模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換和被轉(zhuǎn)換的測量值的評估和處理。

圖2與本發(fā)明的優(yōu)選的第二實施方式相一致地示出用于所述測量電橋（未示出）的能夠拆卸的連接端j200、具有由電阻r132、r133、r134組成的參考分壓器的參考電壓源supply_ref、包含兩個能夠被控制的轉(zhuǎn)換開關(guān)的多路復(fù)用器n203、差分放大器n200和包含集成的模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器的控制器u101，該差分放大器的輸入端vin+和vin-相對于基準(zhǔn)電勢與所述電容器c223和c222連接，并且所述差分放大器具有輸出端vo。

該第二實施方式的功能和結(jié)構(gòu)原則上對應(yīng)于所述第一實施方式。在下文中說明的具體的度量（設(shè)計）應(yīng)該說明本發(fā)明的方面，并且僅僅是一種可能的實施方式。所述測量電橋（未畫出）與插口j200連接。模擬多路復(fù)用器n203具有兩個集成的、雙極的、低阻抗的、具有小串?dāng)_的轉(zhuǎn)換開關(guān)。所述線路occ_signal_test將主處理器的控制信號引導(dǎo)向該模擬多路復(fù)用器n203的控制輸入端。當(dāng)occ_signal_test=低（low）時：所述輸入端nc與所述輸出端com連接，所述輸入端no是打開的。當(dāng)occ_signal_test=高（high）時：所述輸入端no與所述輸出端com連接，所述輸入端nc是打開的。

r131到r134在參考電勢supply_ref、例如3.0v處形成分壓器鏈。在r133處生成具有1.425v的共模電平的22.3mv的差分電壓。r133的兩個電勢被引導(dǎo)到該模擬多路復(fù)用器n203的no1連接端和no2連接端處。在occ_signal_test=高時，利用所述分壓器鏈生成的檢驗信號被放置到該放大器n200的兩個輸入端處。在被調(diào)整的增益具有增益=123時，n200產(chǎn)生大約2.75v的參考信號。在occ_signal_test=低時，該測量電橋的兩個輸出信號被放置到該放大器n200的輸入端處。在這種模式中，所述電路對應(yīng)于一般常見的用于評估所述測量電橋-輸出信號的基本電路。

兩個電容器c222和c223用于在通向所述測量電橋的一個或者多個連接線路中斷時進行故障探測。工作方式如下：首先評估所述檢驗信號。所述兩個電容器由此獲得在大約1.425v的共模電平的范圍中的被定義的電勢。

當(dāng)所述多路復(fù)用器被切換時，所述兩個電容器在連接完好的情況下在最短的時間內(nèi)接收低阻抗的測量電橋的電勢作為具有大約1.5v的共模電平的測量差分電壓。在n200的輸出端處存在被放大的測量差分電壓。當(dāng)與之相反信號-線路被中斷時，受到影響的電容器的電勢保留在原始電平上。因此，在所述放大器輸入端處出現(xiàn)比較高的、大約75mv的差分電壓，所述差分電壓將具有增益=123的儀表放大器n200計算在內(nèi)（基準(zhǔn)電勢gnd0v或者參考電勢supply_ref3v）。

在兩條信號線路都中斷時，所述檢驗信號繼續(xù)存在于n200的輸出端處。這個檢驗信號與正常的測量值相比具有不能接受地高的值。

該差分放大器的輸出電壓occ_signal通過模擬的低通濾波器r124、c134被供給給在所述控制器u101中的模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器。替代地或者補充地，所述輸出電壓occ_signal也能夠被供給給在另一個控制器中的獨立的第二過濾和再處理r230、c344、u200。