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Die
Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, die ein Sensorelement
und eine Signalaufbereitungseinheit umfasst. Die Erfindung betrifft
ferner ein System, das mindestens eine Sensorvorrichtung und eine
Steuereinheit umfasst.
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Sensorvorrichtungen
sind beispielsweise ausgebildet zum Erfassen von Druck-, Temperatur- oder
Positionsmesswerten. Solche Sensorvorrichtungen sind beispielsweise
in Kraftfahrzeugen vorgesehen, um Anforderungen, z.B. an einen emissionsarmen
Betrieb des Kraftfahrzeugs oder an den Komfort und die Sicherheit
von Personen, erfüllen
zu können.
Die Sensorvorrichtungen sind mit einer Steuereinheit gekoppelt,
an die die jeweiligen Druck-, Temperatur- oder Positionsmesswerte übertragen
werden. Die Steuereinheit ist ausgebildet, diese Messwerte zu erfassen,
um Komponenten des Kraftfahrzeugs geeignet zu steuern. Durch elektromagnetische
Störsignale
kann jedoch die Präzision
der von der Steuereinheit erfassten Messwerte beeinträchtigt werden.
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Die
DE 103 47 681 A1 offenbart
ein Drucksensorelement und ein Ausgangskennlinienumschalteverfahren
des Drucksensorelements. Das Drucksensorelement weist ein Abtastelement
auf zum Senden einer analogen Spannung, die einem Druck entspricht.
Das Drucksensorelement gibt die analoge Spannung über einen
Eingabe/Ausgabeanschluss an einen Mikrocomputer aus. Eine Eingabe/Ausgabesteuerschaltung überwacht
einen Spannungswert an dem Eingabe/Ausgabeanschluss. Wenn die Spannung
an dem Eingabe/Ausgabeanschluss durch den Mikrocomputer auf einen
hohen Wert festgelegt und von einem vorbestimmten Bereich verlagert
worden ist, schaltet die Eingabe/Ausgabesteuer schaltung den Eingabe/Ausgabeanschluss
um von einer Erfassungssignalausgabe zu einer Eingabe eines externen
Signals von dem Mikrocomputer. Eine Bereichssteuerschaltung des
Drucksensorelements holt ein externes Befehlssignal von dem Mikrocomputer über den
Eingabe/Ausgabeanschluss und schaltet abhängig von diesem eine Ausgangskennlinie
des Drucksensorelements um.
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Die
DE 196 38 677 B4 offenbart
eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Erzeugung mehrerer
Analogsignale. Die Schaltungsanordnung weist einen Sensor und eine
Schaltungseinheit auf. An einem Ausgang der Schaltungseinheit wird
ein durch den Sensor ermittelter Messwert als ein Digitalsignal
ausgegeben. Ferner sind eine Steuer- und Recheneinheit und eine
Digital/Analog-Wandleranordnung vorgesehen, die mehrere, jeweils
für einen
anderen Empfänger
bestimmte, aus dem Digitalsignal in unterschiedlicher Weise abgeleitete
Analogsignale abgibt, die unterschiedlichen Messbereichen zugeordnet
sind. Die Steuer- und Recheneinheit weist ferner einen Eingang auf, über den
der Steuer- und Recheneinheit ein Steuersignal zuführbar ist.
Abhängig von
dem Steuersignal sind die an dem Ausgang der Steuer- und Recheneinheit
ausgegebenen und von dem Messsignal abgeleiteten Digitalsignale
variierbar.
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Die
DE 103 31 078 A1 offenbart
eine Einrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe mit einem
Detektor, einem Verstärker,
einer Offset-Einstellvorrichtung, einer Addiervorrichtung und einer
Ausgabevorrichtung. Der Detektor gibt eine erste Spannung entsprechend
der erfassten physikalischen Größe aus.
Der Verstärker
verstärkt
die erste Spannung. Die Offset-Einstellvorrichtung bestimmt einen Messbereich
der verstärkten
Spannung und gibt eine zweite Spannung entsprechend dem bestimmten Messbereich
aus.
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Die
Addiervorrichtung subtrahiert die zweite Spannung von der verstärkten ersten
Spannung. Die Ausgabevorrichtung gibt die subtrahierte verstärkte Spannung
aus und informiert eine externe Schaltung über den bestimmten Messbereich.
Die
DE 102 03 203
A1 offenbart eine elektrische Messeinrichtung mit einem
Messeingang, mit einem integrierten Sensor, mit einer Mess- und
Auswerteschaltung und mit einer Messwertanzeige und mit mehreren
Messwertausgängen.
Ferner ist ein auf die Mess- und
Auswerteschaltung einwirkender Beeinflussungseingang vorgesehen, über den
ein Beeinflussungswert eingegeben werden kann, durch den erfasste
Messwerte beeinflusst werden können. Über den
Beeinflussungseingang kann ein multiplizierender oder dividierender
oder invertierender Beeinflussungswert eingegeben werden oder es
kann eine Differenzbildung erfolgen zwischen dem Messwert und dem
Beeinflussungswert.
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Die
DE 198 31 978 A1 offenbart
eine Sensorschaltung, die mehrere Schaltzustände darstellen kann. Die Sensorschaltung
weist eine Steuereinheit zur Steuerung der Sensorschaltung auf,
einen Eingang, dem ein analoges elektrisches Eingangssignal zuführbar ist,
das einer analogen physikalischen Größe entspricht, und eine Analyseeinheit,
die mit dem Eingang verbunden ist und die das Eingangssignal mit
verschiedenen Schwellenwerten vergleicht und abhängig von dem Vergleich ein
Ausgangssignal generiert, durch das eine Mehrzahl diskreter Schaltzustände darstellbar
sind.
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Die
DE 197 28 676 A1 offenbart
einen Signalprozessor für
eine Messvorrichtung. Ein analoges Ausgangssignal der Messvorrichtung
wird durch einen Verstärker
verstärkt,
dessen Verstärkungsfaktor geändert werden
kann. Das verstärkte
analoge Signal wird abgetastet und von einem Analog/Digital-Wandler in digitale
Daten umgewandelt. Wenn der Wert der digitalen Daten kleiner als
ein vorgegebener erster Bezugswert ist, dann legt ein den Verstärkungsfaktor
bestimmendes Bauelement den Verstärkungsfaktor auf einen größeren Wert
fest, der für
die nächsten
erfassten Daten benutzt wird. Wenn der Wert der digitalen Daten
größer als
ein zweiter vorgegebener Bezugswert ist, dann legt das den Verstärkungsfaktor
bestimmende Bauelement den Verstärkungsfaktor
auf einen kleineren Wert fest, so dass eine Signalsättigung
im Analog/Digital-Wandler bei der nächsten Datenerfassung verhindert
ist. Wenn der Wert einer Datengruppe von zwei nacheinander erfassten
digitalen Daten größer ist
als der vorgegebene zweite Bezugswert, dann werden diese Daten nicht
berücksichtigt
und es werden andere Daten als Messdaten benutzt.
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Die
DE 197 19 633 C2 offenbart
ein Messwerteaufbereitungssystem mit einem Sensor, einem Sensoranpassmodul
und einem Abgleichmodul. Der Sensor ist mit dem Sensoranpassmodul
verbunden. Das Sensoranpassmodul ist über eine Schnittstelle mit
dem Abgleichmodul verbunden. Das Sensoranpassmodul umfasst eine
Bereichsvorgabestufe, die eine Referenz-Abgleichspannung ableitet
aus einer über
die Schnittstelle eingespeisten Referenzspannung. Die Referenz-Abgleichspannung
ist abhängig von
einem für
einen Abgleich benötigten
Wertebereich und von dem verwendeten Sensortyp passend gewählt. Das
Abgleichmodul ist ferner mit einer Fernbedienung verbunden, über die
ein Bediener eine Abgleichspannung einstellen kann unter Berücksichtigung
der Referenz-Abgleichspannung, durch die der Wertebereich der Abgleichspannung
vorgegeben ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, die
einfach und präzise
ist. Ferner ist die Aufgabe der Erfindung, ein System zu schaffen,
dass einfach und präzise
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Sensorvorrichtung,
die ein Sensorelement und eine Signalaufbereitungseinheit umfasst.
Das Sensorelement ist ausgebildet, einen Messwert einer physikalischen
Messgröße zu erfassen
und innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs des Sensorelements
bereitzustellen. Die Signalaufbereitungseinheit ist ausgebildet,
den Messwert ausgangsseitig in einem vorgegebenen Wertebereich der
Signalaufbereitungseinheit bereitzustellen. Die Signalaufbereitungseinheit
ist ferner ausgebildet zum Abbilden eines ausgewählten Wertebereichfensters
auf den vorgegebenen Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit.
Dem ausgewählten Wertebereichfenster
wird abhängig
von einem Steuersignal eines von mindestens zwei voneinander unterschiedlichen
Wertebereichfenstern zugeordnet. Die mindestens zwei voneinander
unterschiedlichen Wertebereichfenster umfassen jeweils einen Teilbereich
des vorgegebenen Wertebereichs des Sensorelements. Die Signalaufbereitungseinheit
ist ausgebildet, dem ausgewählten
Wertebereichfenster ein jeweils nächstes Wertebereichfenster
einer vorgegebenen Reihenfolge der mindestens zwei voneinander unterschiedlichen
Wertebereichfenstern zuzuordnen abhängig von dem Steuersignal.
Die Signalaufbereitungseinheit ist ferner ausgebildet, dem ausgewählten Wertebereichfenster
das jeweils nächste
Wertebereichfenster der vorgegebenen Reihenfolge zuzuordnen abhängig von
einer Flanke des Steuersignals.
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Der
Vorteil ist, dass bei einer geeigneten Vorgabe der mindestens zwei
voneinander unterschiedlichen Wertebereichfenster eine hohe Präzision des Sensorelements,
insbesondere eine hohe Auflösung des
Messwerts, genutzt werden kann. Der Messwert kann so mit der hohen
Präzision
ausgangsseitig des Sensorelements bereitgestellt und einer gegebenenfalls
vorgesehenen Steuereinheit zugeführt
werden. Ein Signal-Rausch-Abstand kann so besonders günstig sein.
Ferner kann der Wertebereich des Sensorelements auch dann mit der
hohen Präzision
und dem günstigen
Signal-Rausch-Abstand auf den Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit
abgebildet werden, wenn der Wertebereich des Sensorelements größer ist
als der Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit. Ein weiterer
Vorteil ist, dass die Sensorvorrichtung und das Steuersignal besonders
einfach ausgebildet sein können.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Sensorvorrichtung,
die ein Sensorelement und eine Signalaufbereitungseinheit umfasst.
Das Sensorelement ist ausgebildet, einen Messwert einer physikalischen
Messgröße zu erfassen
und innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs des Sensorelements
bereitzustellen. Die Signalaufbereitungseinheit ist ausgebildet,
den Messwert ausgangsseitig in einem vorgegebenen Wertebereich der
Signalaufbereitungseinheit bereitzustellen. Die Signalaufbereitungseinheit
ist ferner ausgebildet zum Abbilden eines ausgewählten Wertebereichfensters
auf den vorgegebenen Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit.
Dem ausgewählten Wertebereichfenster
wird abhängig
von einem Steuersignal eines von mindestens zwei voneinander unterschiedlichen
Wertebereichfenstern zugeordnet. Die mindestens zwei voneinander
unterschiedlichen Wertebereichfenster umfassen jeweils einen Teilbereich
des vorgegebenen Wertebereichs des Sensorelements. Die Signalaufbereitungseinheit
ist ausgebildet, dem ausgewählten Wertebereichfenster
eines der mindestens zwei voneinander unterschiedlichen Wertebereichfenster
zuzuordnen abhängig
von einer Impulszeitdauer des Steuersignals.
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Der
Vorteil ist, dass bei einer geeigneten Vorgabe der mindestens zwei
voneinander unterschiedlichen Wertebereichfenster eine hohe Präzision des Sensorelements,
insbesondere eine hohe Auflösung des
Messwerts, genutzt werden kann. Der Messwert kann so mit der hohen
Präzision
ausgangsseitig des Sensorelements bereitgestellt und einer gegebenenfalls
vorgesehenen Steuereinheit zugeführt
werden. Ein Signal-Rausch-Abstand kann so besonders günstig sein.
Ferner kann der Wertebereich des Sensorelements auch dann mit der
hohen Präzision
und dem günstigen
Signal-Rausch-Abstand auf den Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit
abgebildet werden, wenn der Wertebereich des Sensorelements größer ist
als der Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit. Ein weiterer
Vorteil ist, dass ein solches Steuersignal sehr einfach ist und
z.B. als ein pulsweitenmoduliertes Signal einfach erzeugbar ist
und die Sensorvorrichtung entsprechend einfach ausgebildet sein
kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Sensorvorrichtung ist die
Sensorvorrichtung ausgebildet zum Erzeugen des Steuersignals. Dies
hat den Vorteil, dass die Sensorvorrichtung ein jeweils geeignetes
Wertebereichfenster selbsttätig
auswählen
kann, z.B. abhängig
von dem Messwert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Messwert
immer mit hoher Präzision
bereitgestellt wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensorvorrichtung
ist die Sensorvorrichtung ausgebildet zum ausgangsseitigen Bereitstellen
eines Umschaltsignals abhängig
von dem ausgewählten Wertebereichfenster.
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Das
Umschaltsignal kann an einem separaten Ausgang der Sensorvorrichtung
bereitgestellt werden oder an einem Ausgang, an dem auch der Messwert
bereitgestellt wird. Der Vorteil ist, dass der gegebenenfalls vorgesehenen
Steuereinheit der ausgewählte
Wertebereich einfach signalisierbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensorvorrichtung
ist die Sensorvorrichtung eingangsseitig mit einer Steuereinheit
koppelbar und ist ausgebildet zum Erfassen des Steuersignals, das
in der Steuereinheit erzeugbar und der Sensorvorrichtung zuführbar ist.
Das Steuersignal wird der Sensorvorrichtung beispielsweise über einen
separaten Eingang zugeführt
oder über
den Ausgang, an dem der Messwert bereitgestellt wird. Dies hat den
Vorteil, dass die gegebenenfalls vorgesehene Steuereinheit das Wertebereichfenster
entsprechend den jeweiligen Anfor derungen geeignet wählen kann.
Ferner kann die Sensorvorrichtung so besonders einfach und preisgünstig sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensorvorrichtung
umfasst die Signalaufbereitungseinheit eine Verstärkereinheit,
die so ausgebildet ist, dass deren Verstärkungsfaktor wählbar ist
abhängig
von dem ausgewählten
Wertebereichfenster. Dies ermöglicht
einen guten Signal-Rausch-Abstand des
ausgangsseitig bereitgestellten Messwerts. Ferner ermöglicht dies
sehr einfach das Abbilden des ausgewählten Wertebereichfensters
auf den Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensorvorrichtung
umfasst die Signalaufbereitungseinheit eine Verstärkereinheit,
die so ausgebildet ist, dass ein Korrekturwert zu dem Messwert addierbar
oder von diesem subtrahierbar ist zum Abbilden einer unteren Grenze
des ausgewählten
Wertebereichfensters auf eine untere Grenze des vorgegebenen Wertebereichs
der Signalaufbereitungseinheit abhängig von dem ausgewählten Wertebereichfenster.
Der Vorteil ist, dass das Abbilden des ausgewählten Wertebereichfensters
auf den Wertebereich der Signalaufbereitungseinheit so sehr einfach
möglich ist.
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Gemäß eines
dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein System,
das mindestens eine Sensorvorrichtung und eine Steuereinheit umfasst.
Die Steuereinheit ist mit der mindestens einen Sensorvorrichtung
gekoppelt und ist ausgebildet, den ausgangsseitig der Sensorvorrichtung
bereitgestellten Messwert zu erfassen. Der Vorteil ist, dass die Steuereinheit
den Messwert mit hoher Präzision
und mit hohem Signal-Rausch-Abstand erfassen kann. Durch Auswählen des
jeweils geeigneten Wertebereichfensters kann der Messwert jeweils
den Anforderungen entsprechend von der Sensorvorrichtung zu der
Steuereinheit übertragen
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems umfasst die Steuereinheit
mindestens einen Analog-Digital-Wandler zum Erfassen des Messwerts
der mindestens einen Sensorvorrichtung. Aufgrund der Auswahl des
jeweils geeigneten Wertebereichfensters kann der Analog-Digital-Wandler einfach und
preisgünstig
sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Systems umfasst die
Steuereinheit mindestens einen Signalgenerator zum Erzeugen des
jeweiligen Steuersignals, das der mindestens einen Sensorvorrichtung
zugeführt
werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Steuereinheit das jeweilige
Wertebereichfenster den Anforderungen entsprechend nach Bedarf geeignet
wählen
kann.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steuereinheit
ausgebildet ist zum Erzeugen des jeweiligen Steuersignals abhängig von
mindestens einem erwarteten nächsten Messwert,
der abhängig
von einem Modell ermittelt wird, durch das ein weiterer zeitlicher
Verlauf des Messwerts abschätzbar
ist. Dadurch kann auf einfache Weise das jeweilige Wertebereichfenster
vorausschauend ausgewählt
werden. Ferner kann so sehr einfach der zeitliche Verlauf des Messwerts,
der durch das Modell abgeschätzt
wird, mit dem tatsächlich
erfassten Messwert überprüft und gegebenenfalls
korrigiert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Systems,
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2 eine
zweite Ausführungsform
des Systems,
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3 eine
dritte Ausführungsform
des Systems,
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4 einen
Wertebereich des Sensorelements, drei Wertebereichfenster und einen
Wertebereich einer Signalaufberei tungseinheit,
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5a eine erste Ausführungsform eines Steuersignals,
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5b eine zweite Ausführungsform des Steuersignals,
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5c eine dritte Ausführungsform des Steuersignals
und
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5d eine vierte Ausführungsform des Steuersignals.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Systems, das eine Sensorvorrichtung 1 und eine Steuereinheit 2 umfasst.
Die Sensorvorrichtung 1 und die Steuereinheit 2 sind über eine
erste Messsignalleitung 3 miteinander gekoppelt. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst
ein Sensorelement 4 und eine Signalaufbereitungseinheit 5.
Die Signalaufbereitungseinheit 5 umfasst eine Verstärkereinheit 6,
einen Wertebereichumschalter 7 und einen ersten Signalgenerator 9.
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Das
Sensorelement 4 ist ausgebildet, einen Messwert einer physikalischen
Messgröße zu erfassen
und innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs D1 des Sensorelements 4 bereitzustellen.
Die physikalische Messgröße ist beispielsweise
ein Druck, eine Temperatur oder eine Position und der Messwert ist
beispielsweise repräsentiert
durch eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom, der
beispielsweise proportional zu der physikalischen Messgröße ist.
Der vorgegebene Wertebereich D1 ist beispielsweise vorgegeben durch
eine untere Grenze von Null Volt und einer oberen Grenze von 12
Volt oder einer unteren Grenze von Null Ampere und einer oberen
Grenze von 100 Milliampere. Der unteren Grenze ist dann z.B. ein
Druck von Null bar zugeordnet und der oberen Grenze ist ein Druck
von 50 bar zugeordnet. Die elektrischen Spannungen oder Ströme und die
zugeordneten Drücke
oder andere physikalischen Messgrößen können jedoch auch anders vorgegeben
sein.
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Der
Messwert wird der Signalaufbereitungseinheit 5, insbesondere
der Verstärkereinheit 6,
zugeführt.
Der Wertebereichumschalter 7 umfasst einen Wertebereichspeicher,
in dem Transformationsparameter für ein erstes Wertebereichfenster
W1, ein zweites Wertebereichfenster W2 und ein drittes Wertebereichfenster
W3 abgelegt sind. Diese Transformationsparameter umfassen beispielsweise
die untere Grenze des jeweiligen Wertebereichfensters, die obere
Grenze des jeweiligen Wertebereichfensters oder einen Verstärkungsfaktor.
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Als
ein Wertebereichfenster wird ein Wertebereich bezeichnet, der ein
Teilbereich eines vorgegebenen Wertebereichs ist, insbesondere des
vorgegebenen Wertebereichs D1 des Sensorelements 4. Das
erste Wertebereichfenster W1, das zweite Wertebereichfenster W2
und das dritte Wertebereichfenster W3 umfassen jeweils einen Teilbereich
des vorgegebenen Wertebereichs D1 des Sensorelements 4.
Der jeweilige Teilbereich des vorgegebenen Wertebereichs D1 des
Sensorelements 4 kann auch den vorgegebenen Wertebereich
D1 des Sensorelements 4 vollständig umfassen. Die jeweiligen
Wertebereichfenster können
innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs D1 des Sensorelements 4 beliebig vorgegeben
werden. Beispielsweise können
die jeweiligen Wertebereichfenster einen unterschiedlich großen oder
einen gleich großen
Teilbereich des vorgegebenen Wertebereichs D1 des Sensorelements 4 umfassen.
Das erste Wertebereichfenster W1, das zweite Wertebereichfenster
W2 und das dritte Wertebereichfenster W3 können einander überlappend vorgegeben
sein oder auch voneinander separate Teilbereiche des vorgegebenen
Wertebereichs D1 des Sensorelements 4 umfassen. Ferner
können auch
nur zwei Wertebereichfenster oder auch mehr als drei Wertebereichfenster
in dem Wertebereichspeicher abgelegt sein.
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Der
Wertebereichumschalter 7 ist ausgebildet, eines der Wertebereichfenster
abhängig
von einem Steuersignal auszuwählen
und die zugehörigen Transformationsparameter
der Verstärkereinheit 6 zuzuführen. Das
Steuersignal ist beispielsweise der Messwert, der dem Wertebereichumschalter 7 eingangsseitig
zugeführt
wird. Die Verstärkereinheit 6 ist ausgebildet,
den Messwert entsprechend den Transformationsparametern des ausgewählten Wertebereichfensters
beispielsweise um den Verstärkungsfaktor
zu verstärken
und/oder einen Korrekturwert zu dem Messwert zu addieren oder von
diesem zu subtrahieren und ausgangsseitig der Signalaufbereitungseinheit 5 und
der Sensorvorrichtung 1 bereitzustellen. Der so aufbereitete
Messwert kann über
die erste Messsignalleitung 3 der Steuereinheit 2 zugeführt werden.
Auf diese Weise ist es möglich,
das ausgewählte
Wertebereichfenster auf einen ausgangsseitigen vorgegebenen Wertebereich
D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 oder der Sensorvorrichtung 1 abzubilden,
so dass vorzugsweise die untere Grenze des jeweiligen Wertebereichfensters
auf eine untere Grenze des vorgegebenen Wertebereichs D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 und
die obere Grenze des jeweiligen Wertebereichfensters auf eine obere
Grenze des vorgegebenen Wertebereichs D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 abgebildet
wird. Die Verstärkereinheit 6 oder
der Wertebereichumschalter 7 kann jedoch auch so ausgebildet
sein, dass die untere Grenze des jeweiligen Wertebereichfensters
auf die obere Grenze des vorgegebenen Wertebereichs D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 und
die obere Grenze des jeweiligen Wertebereichfensters auf die untere
Grenze des vorgegebenen Wertebereichs D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 abgebildet
wird.
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Die
Steuereinheit 2 umfasst einen Analog-Digital-Wandler A/D
und eine Recheneinheit CPU. Die Messsignalleitung 3 ist
mit dem Analog-Digital-Wandler A/D gekoppelt und der Analog-Digital-Wandler
A/D ist mit der Recheneinheit CPU gekoppelt. Der Steuereinheit 2 wird
eingangsseitig über die
erste Messsignalleitung 3 der Messwert von der Sensorvorrichtung 1 zugeführt. Der
Messwert wird dem Analog-Digital-Wandler A/D zugeführt und
von diesem digitalisiert. Der digitalisierte Messwert wird der Recheneinheit
CPU zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
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Vorzugsweise
ist ein eingangsseitiger Wertebereich der Steuereinheit 2 bzw.
des Analog-Digital-Wandlers A/D etwa gleich dem ausgangsseitigen vorgegebenen
Wertebereich D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 bzw. der
Sensorvorrichtung 1. Durch Abbilden des ersten Wertebereichfensters
W1, des zweiten Wertebereichfensters W2 oder des dritten Wertebereichfensters
W3 auf den vorgegebenen Wertebereich D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 bzw.
der Sensorvorrichtung 1 oder des eingangsseitigen Wertebereichs
der Steuereinheit 2 bzw. des Analog-Digital-Wandlers A/D
steht für
das Erfassen des Messwerts durch den Analog-Digital-Wandler A/D vorzugsweise
der vollständige
eingangsseitige Wertebereich des Analog-Digital-Wandlers A/D zur Verfügung. Dadurch
kann auch mit einem einfachen und preisgünstigen Analog-Digital-Wandler A/D, der z.B.
als ein 8-Bit, 10-Bit oder 12-Bit Analog-Digital-Wandler ausgebildet ist, der
Messwert mit hoher Präzision,
insbesondere mit einer hohen Auflösung, und einem guten Signal-Rausch-Abstand
erfasst werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das
System in einer Umgebung betrieben wird, in der elektromagnetische
Störsignale
vorherrschen, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Ein Pegel der
elektromagnetischen Störsignale
kann dort so groß sein,
dass von dem digitalisierten Messwert z.B. eines hochwertigen 16-Bit
Analog-Digital-Wandlers nur
z.B. die signifikantesten 10-Bit oder 12-Bit nutzbar sind und die übrigen 6
Bit bzw. 4 Bit als Rauschen verworfen werden können. Die mit dem 16-Bit Analog-Digital-Wandler erzielte
Präzision
entspricht somit einem preisgünstigeren
10-Bit oder 12-Bit Rnalog-Digital-Wandler.
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Der
erste Signalgenerator 9 ist ausgebildet, abhängig von
dem ausgewählten
Wertebereichfenster ein Umschaltsignal zu erzeugen, dass der Steuereinheit 2 zugeführt werden
kann. Durch das Umschaltsignal kann der Steuereinheit 2 signalisiert
werden, dass ein anderes Wertebereichfenster ausgewählt wurde
und/oder welches Wertebereichfenster ausgewählt ist. Das Umschaltsignal
kann der Steuereinheit 2 über die erste Messsignalleitung 3 zugeführt werden
und beispielsweise von dem Analog-Digital-Wandler A/D erfasst und
in der Recheneinheit CPU dekodiert werden. Das Umschaltsignal kann
jedoch auch über
eine separate Umschaltsignal leitung, die die Sensorvorrichtung 1 mit
der Steuereinheit 2 koppelt, der Steuereinheit 2 zugeführt werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
des Systems umfasst die Sensorvorrichtung 1 das Sensorelement 4 und
die Signalaufbereitungseinheit 5. Die Signalaufbereitungseinheit 5 umfasst
die Verstärkereinheit 6 und
den Wertebereichumschalter 7. Das Sensorelement 4 und
der Wertebereichumschalter 7 sind mit der Verstärkereinheit 6 gekoppelt.
Die Sensorvorrichtung 1 ist mit der Steuereinheit über eine zweite
Messsignalleitung 10 gekoppelt, über die der Messwert, der von
der Verstärkereinheit 6 bereitgestellt
wird, dem Analog-Digital-Wandler A/D zugeführt wird. Die Steuereinheit 2 umfasst
einen zweiten Signalgenerator 11, der mit der Recheneinheit
CPU gekoppelt ist und der ausgangsseitig der Steuereinheit 2 das
Steuersignal bereitstellt. Das Steuersignal kann der Sensorvorrichtung 1 über eine
Steuersignalleitung 12 zugeführt werden. Die Sensorvorrichtung 1 und
die Steuereinheit 2 sind über die Steuersignalleitung 12 miteinander
gekoppelt.
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Das
Steuersignal wird dem Wertebereichumschalter 7 zugeführt. Dieser
wählt abhängig von
dem Steuersignal das erste Wertebereichfenster W1, das zweite Wertebereichfenster
W2 oder das dritte Wertebereichfenster W3 aus und steuert die Verstärkereinheit 6 entsprechend.
Das ausgewählte
Wertebereichfenster ist somit abhängig von dem Steuersignal,
das in der Steuereinheit 2 durch den zweiten Signalgenerator 11 erzeugt
wird. Die Recheneinheit CPU ist ausgebildet, ein gewünschtes
Wertebereichfenster zu ermitteln und den zweiten Signalgenerator 11 so
anzusteuern, dass die Sensorvorrichtung 1 veranlasst wird,
den gewünschten
Wertebereich auszuwählen.
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In
einer dritten Ausführungsform
des Systems sind die Sensorvorrichtung 1 und die Steuereinheit 2 über eine
dritte Messsignalleitung 13 miteinander gekoppelt, die
die zweite Messsignallei tung 10 und die Steuersignalleitung 12 der
zweiten Ausführungsform
des Systems ersetzt. Die Steuereinheit 2 umfasst einen
dritten Signalgenerator 14, der den zweiten Signalgenerator 11 der
zweiten Ausführungsform
ersetzt. Die Sensorvorrichtung 1 und die Steuereinheit 2 sind
so ausgebildet, dass die dritte Messsignalleitung 13 bidirektional
genutzt werden kann. Dazu wird beispielsweise abwechselnd der Messwert
von der Sensorvorrichtung 1 zu der Steuereinheit 2 übertragen
und das Steuersignal von der Steuereinheit 2 zu der Sensorvorrichtung 1 übertragen.
Gegebenenfalls ist durch geeignetes Aufmodulieren des Steuersignals
auf den Messwert in der Steuereinheit 2 und durch Trennen
des Steuersignals von dem Messwert in der Sensorvorrichtung 1 oder der
Steuereinheit 2 auch ein gleichzeitiges Übertragen
des Messwerts und des Steuersignals möglich.
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4 zeigt
ein Beispiel für
den vorgegebenen Wertebereich D1 des Sensorelements 4,
das erste Wertebereichfenster W1, das zweite Wertebereichfenster
W2, das dritte Wertebereichfenster W3 und den vorgegebenen Wertebereich
D2 der Signalaufbereitungseinheit 5. Der vorgegebene Wertebereich
D1 des Sensorelements 4 hat die untere Grenze von 0 Volt
und die obere Grenze von 12 Volt. Der vorgegebene Wertebereich D2
der Signalaufbereitungseinheit 5 hat die untere Grenze
von 0 Volt und die obere Grenze von 6 V. Der Wertebereich D1 des Sensorelements 4 ist
unterteilt in drei gleich große Teilbereiche,
von denen der erste Teilbereich das erste Wertebereichfenster W1
mit einer unteren Grenze 15 von 0 Volt und einer oberen
Grenze 16 von 4 Volt, der zweite Teilbereich das zweite
Wertebereichfenster W2 mit einer unteren Grenze 17 von
4 Volt und einer oberen Grenze 18 von 8 Volt und der dritte
Teilbereich das dritte Wertebereichfenster W3 mit einer unteren
Grenze 19 von 8 Volt und einer oberen Grenze 20 von
12 Volt ist. Abhängig
von dem jeweils ausgewählten
Wertebereichfenster wird die untere Grenze 15 des ersten
Wertebereichfensters W1, die untere Grenze 17 des zweiten
Wertebereichfensters W2 oder die untere Grenze 19 des dritten
Wertebereichfensters W3 auf die untere Grenze des vorgegebenen Wertebereichs
D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 abgebildet. Entsprechend
wird die obere Grenze 16 des ersten Wertebereichfensters
W1, die obere Grenze 18 des zweiten Wertebereichfensters
W2 oder die obere Grenze 20 des dritten Wertebereichfensters
W3 auf die obere Grenze des vorgegebenen Wertebereichs D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 abgebildet.
Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der vorgegebene Wertebereich
D1 des Sensorelements 4, der größer ist als der vorgegebene
Wertebereich D2 der Signalaufbereitungseinheit 5, stückweise
auf den vorgegebenen Wertebereich D2 der Signalaufbereitungseinheit 5 abgebildet
werden kann, so dass in der Steuereinheit 2 der Messwert durch
den Analog-Digital-Wandler A/D mit hoher Präzision und mit gutem Signal-Rausch-Abstand
erfasst werden kann. Ebenso können
auch einander überlappende
Wertebereichfenster, z.B. das erste Wertebereichfenster W1 von 0
bis 2 V, das zweite Wertebereichfenster W2 von 0 bis 6 V und das
dritte Wertebereichfenster W3 von 0 bis 12 V vorgegeben sein.
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5a zeigt eine erste Ausführungsform des
Steuersignals. Das erste Wertebereichfenster W1, das zweite Wertebereichfenster
W2 und das Wertebereichfenster W3 sind nur in einer vorgegebenen
Reihenfolge auswählbar.
Das Steuersignal kann dann beispielsweise als ein einfacher Impuls 21 ausgeführt sein,
dessen steigende und/oder fallende Flanke das jeweils nächste Wertebereichfenster
der vorgegebenen Reihenfolge auswählt. Zum Umschalten des ersten
Wertebereichfensters W1 auf das zweite Wertebereichfenster W2 und
zum Umschalten des zweiten Wertebereichfenster W2 auf das dritte Wertebereichfenster
W3 und zum Umschalten von dem dritten Wertebereichfenster W3 zu
dem ersten Wertebereichfenster W1 kann jeweils ein Impuls 21 der
gleichen Form benutzt werden.
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5b zeigt eine zweite Ausführungsform des
Steuersignals. Zum Auswählen
des ersten Wertebereichfensters W1 ist ein erster Impuls 22,
zum Auswählen
des zweiten Wertebereichfensters W2 ein zweiter Impuls 23 und
zum Auswählen
des dritten Wertebereichfensters W3 ein dritter Impuls 24 vorgesehen.
Der erste Impuls 22 weist eine erste Impulszeitdauer T1
auf. Der zweite Impuls 23 weist entsprechend eine zweite
Impulszeitdauer T2 und der dritte Impuls 24 eine dritte
Impulszeitdauer T3 auf. Die erste Impulszeitdauer T1, die zweite
Impulszeitdauer T2 und die dritte Impulszeitdauer T3 sind voneinander unterschiedlich
vorgegeben, so dass das erste Wertebereichfenster W1, das zweite
Wertebereichfenster W2 oder das dritte Wertebereichfenster W3 eindeutig ausgewählt werden
können.
Beispielsweise ist die zweite Impulszeitdauer T2 doppelt so lang
wie die erste Impulszeitdauer T1 und die dritte Impulszeitdauer
T3 dreimal so lang wie die erste Impulszeitdauer T1. Die Impulszeitdauer
T1 ist beispielsweise 1 ms oder auch eine 1 μs lang, kann jedoch auch kürzer oder
länger
sein. Die Verhältnisse
der ersten Impulszeitdauer T1, der zweiten Impulszeitdauer T2 und
der dritten Impulszeitdauer T3 zueinander können jedoch auch anders vorgegeben
sein.
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In
einer dritten Ausführungsform
des Steuersignals weist der erste Impuls 22 zum Auswählen des ersten
Wertebereichfensters W1 eine erste Impulsamplitude A1, der zweite
Impuls 23 zum Auswählen
des zweiten Wertebereichfensters W2 eine zweite Impulsamplitude
A2 und der dritte Impuls 24 zum Auswählen des dritten Wertebereichfensters
W3 eine dritte Impulsamplitude A3 auf ( 5c).
Die erste Impulsamplitude A1, die zweite Impulsamplitude A2 und
die dritte Impulsamplitude A3 sind voneinander unterschiedlich vorgegeben,
so dass das erste Wertebereichfenster W1, das zweite Wertebereichfenster W2
und das dritte Wertebereichfenster W3 eindeutig auswählbar sind.
Beispielsweise wird das erste Wertebereichfenster W1 ausgewählt, wenn
die erste Impulsamplitude A1 zwischen 0 und 1 V liegt. Entsprechend
wird das zweite Wertebereichfenster W2 beispielsweise ausgewählt, wenn
die zweite Impulsamplitude A2 zwischen 1 und 2 V liegt und das dritte
Werte bereichfenster W3 wird ausgewählt, wenn die dritte Impulsamplitude
A3 zwischen 2 und 3 V liegt. Die erste Impulsamplitude A1, die zweite
Impulsamplitude A2 und die dritte Impulsamplitude A3 können jedoch
auch anders vorgegeben sein.
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5d zeigt eine vierte Ausführungsform des
Steuersignals. Zum Auswählen
des ersten Wertebereichfensters W1 ist eine erste Impulsfolge 25, zum
Auswählen
des zweiten Wertebereichfensters W2 eine zweite Impulsfolge 26 und
zum Auswählen des
dritten Wertebereichfensters W3 eine dritte Impulsfolge 27 vorgesehen.
Eine Impulsfolge, wie in diesem Beispiel die zweite Impulsfolge 26 und
die dritte Impulsfolge 27, kann aus mehreren Einzelimpulsen
zusammengesetzt sein, die beispielsweise einen zeitlichen Abstand
T voneinander haben. Der zeitliche Abstand T ist vorzugsweise so
vorgegeben, dass die jeweiligen Einzelimpulse zuverlässig erfassbar
sind. Der zeitliche Abstand T ist jedoch vorzugsweise kleiner als
der kleinstmögliche
zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsfolgen.
Der zeitliche Abstand T zwischen Einzelimpulsen innerhalb der Impulsfolge
kann jedoch auch unterschiedlich groß sein. Die Impulsfolge kann
auch nur einen Einzelimpuls umfassen, wie in diesem Beispiel die
erste Impulsfolge 25.
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Die
erste, zweite, dritte und vierte Ausführungsform des Steuersignals
kann ebenso für
das Umschaltsignal genutzt werden, das in der ersten Ausführungsform
des Systems zum Signalisieren des ausgewählten Wertebereichfensters
der Sensorvorrichtung 1 an die Steuereinheit 2 genutzt
wird. Außer
den in den obigen Beispielen genannten Spannungen kann das Steuersignal
bzw, das Umschaltsignal beispielsweise auch durch entsprechende
Ströme
ausgebildet sein.
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Die
Steuereinheit 2 ist vorzugsweise ausgebildet, einen zeitlichen
Verlauf des Messwerts abhängig
von einem Modell abzuschät zen
und das Steuersignal zum Umschalten des Wertebereichfensters abhängig von
dem abgeschätzten
zeitlichen Verlauf des Messwerts zu erzeugen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft
zum Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs eines Drucks in einem Zylinder
einer Brennkraftmaschine. Die Steuereinheit 2 ermittelt
beispielsweise aus einer Motordrehzahl, einer Last, einer Einspritzmenge,
einem Einspritzzeitpunkt, einer Betriebstemperatur und gegebenenfalls
weiteren Größen den zeitlichen
Verlauf des Drucks in dem Zylinder. Die Steuereinheit 2 kann
so vorausschauend ein geeignetes Wertebereichfenster auswählen um
den Messwert mit größtmöglicher
Präzision
erfassen zu können.
Der Messwert kann dann beispielsweise genutzt werden, den abgeschätzten zeitlichen
Verlauf des Messwerts zu überprüfen und
gegebenenfalls zu korrigieren. Dadurch brauchen nur wenige Messwerte übertragen
werden und die Sensorvorrichtung, die Messsignalleitungen und der
Analog-Digital-Wandler A/D
können
entsprechend einfach und preisgünstig ausgebildet
sein.