DE102007007406B4

DE102007007406B4 - Electronic pressure switch

Info

Publication number: DE102007007406B4
Application number: DE102007007406A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: DE102007007406A8; DE102007007406A1

Abstract

Elektronischer Druckschalter für nur zwei Anschlussleiter, mit einer Widerstandsmessbrücke als Messwertaufnehmer, mit einer der Widerstandsmessbrücke nachgeschalteten Verstärkereinheit, mit einem der Verstärkereinheit nachgeschalteten Komparator und mit einer dem Komparator nachgeschalteten Schaltstufe,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Widerstandsmessbrücke (3) einen größeren Innenwiderstand als 20 Kiloohm hat,
dass die Verstärkereinheit (4) einen zweiten Operationsverstärker (11) und einen ersten Operationsverstärker (12) aufweist, zweistufig und als Instrumentenverstärker ausgeführt ist,
dass der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (11) ein dem analogen Messwert der Widerstandsmessbrücke entsprechendes analoges Messsignal dem Komparator (5) niederohmig zuführt und
dass die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers (12) unmittelbar dem Komparator (5) als Schwellwert niederohmig zugeführt ist.Electronic pressure switch for only two connection conductors, with a resistance measuring bridge as a measuring transducer, with an amplifier unit connected downstream of the resistance measuring bridge, with a comparator connected downstream of the amplifier unit and with a switching stage downstream of the comparator,
characterized,
that the resistance measuring bridge (3) has a greater internal resistance than 20 kilohms,
the amplifier unit (4) has a second operational amplifier (11) and a first operational amplifier (12), is designed in two stages and as an instrument amplifier,
the output of the second operational amplifier (11) supplies a comparatively analogous measurement signal corresponding to the analog measurement value of the resistance measuring bridge to the comparator (5), and
the output voltage of the first operational amplifier (12) is fed directly to the comparator (5) as a low-impedance threshold.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Druckschalter für nur zwei Anschlußleiter, mit einer Widerstandsmeßbrücke als Meßwertaufnehmer, mit einer der Widerstandsmeßbrücke nachgeschalteten Verstärkereinheit, mit einem der Verstärkereinheit nachgeschalteten Komparator und mit einer dem Komparator nachgeschalteten Schaltstufe.The invention relates to an electronic pressure switch for only two leads, with a resistance bridge as a transducer, with a resistance measuring bridge downstream amplifier unit, with a comparator downstream of the amplifier unit and with a comparator downstream switching stage.

Der zuvor dargestellte Ausgangspunkt für die Erfindung soll zunächst unter verschiedenen Gesichtspunkten erläutert werden:
Zunächst ist Gegenstand der Erfindung ein elektronischer Druckschalter. Es geht also um ein elektronisches Schaltgerät, das schaltet, also vom nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand oder vom leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand übergeht, wenn der Druck in einer Flüssigkeit oder einem Gas einen vorgegebenen Wert, den Schwellwert, überschreitet oder unterschreitet. Man kann also einen Druckschalter auch als ein digitales Druckmeßgerät ansehen. Während ein analoges Druckmeßgerät an seinem Ausgang ein dem gemessenen Druck proportionales Ausgangssignal zur Verfügung stellt, also eine dem gemessenen Druck proportionale Ausgangsspannung oder einen dem gemessenen Druck proportionalen Ausgangsstrom, liefert ein Druckschalter als digitales Druckmeßgerät nur zwei unterschiedliche Ausgangssignale, nämlich ”gemessener Druck oberhalb eines vorgegebenen Wertes” oder ”gemessener Druck unterhalb eines vorgegebenen Wertes”.The above-described starting point for the invention will initially be explained from various points of view:
First, the subject of the invention is an electronic pressure switch. It is therefore an electronic switching device that switches, that is, from the non-conductive state to the conductive state or from the conductive state to the non-conductive state, when the pressure in a liquid or a gas exceeds a predetermined value, the threshold value or below. So you can see a pressure switch as a digital pressure gauge. Whereas an analogue pressure gauge provides at its output an output signal proportional to the measured pressure, ie an output voltage proportional to the measured pressure or an output current proportional to the measured pressure, a pressure switch as a digital pressure meter provides only two different output signals, namely measured pressure above a predetermined one Value "or" measured pressure below a predetermined value ".

Wesentlich für den elektronischen Druckschalter, mit dem sich die Erfindung befaßt, ist die Tatsache, daß er für nur zwei Anschlußleiter bestimmt ist, also nur zwei Anschlüsse für nur zwei Anschlußleiter aufweist. Es geht also um ein elektronisches Schaltgerät, das über einen Außenleiter mit einem Pol einer Betriebsspannungsquelle und nur über einen weiteren Außenleiter mit einem Anschluß eines Verbrauchers oder einer Steuer- oder Regelschaltung verbindbar ist, wobei der andere Anschluß des Verbrauchers oder der Steuer- oder Regelschaltung an den anderen Pol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen bzw. anschließbar ist.Essential for the electronic pressure switch, with which the invention is concerned, is the fact that it is intended for only two leads, so has only two terminals for only two leads. It is therefore an electronic switching device, which is connectable via an outer conductor to a pole of an operating voltage source and only via another outer conductor to a terminal of a consumer or a control or regulating circuit, wherein the other terminal of the consumer or the control or regulating circuit the other pole of the operating voltage source is connected or connectable.

Elektronische Schaltgeräte der in Rede stehenden Art werden seit Jahrzehnten anstelle von elektrischen, mechanisch betätigten Schaltgeräten, die kontaktbehaftet ausgeführt sind, verwendet. Von ihrer Funktion als Schaltgeräte her soll bei den in Rede stehenden elektronischen Schaltgeräten im gesperrten Zustand praktisch kein Reststrom fließen und im leitenden Zustand praktisch kein Spannungsabfall auftreten. Da aber dann, wenn bei Schaltgeräten der in Rede stehenden Art im gesperrten Zustand kein Reststrom flösse, auch kein Versorgungsstrom für die innerhalb des Schaltgeräts vorgesehene Schaltung gewonnen werden könnte, und dann, wenn im leitenden Zustand kein Spannungsabfall aufträte, auch keine Versorgungsspannung für die Schaltung innerhalb des Schaltgeräts gewonnen werden könnte, gilt für alle elektronischen Schaltgeräte für nur zwei Außenleiter, daß im gesperrten Zustand ein Reststrom fließt und im leitenden Zustand ein Spannungsabfall auftritt. Daraus folgt, daß dann, wenn schon, ungewollt, aber funktionsnotwendig im gesperrten Zustand ein Reststrom fließt und im leitenden Zustand ein Spannungsabfall auftritt, der Reststrom und der Spannungsabfall so gering wie möglich sein sollen. Dieses Problem ist bereits umfangreich behandelt worden.Electronic switching devices of the type in question are used for decades instead of electrical, mechanically operated switching devices that are designed contact-related. From their function as switchgear ago should virtually no residual current flow in the subject electronic switching devices in the locked state and virtually no voltage drop occur in the conductive state. But then, when switching devices of the type in question in the locked state no residual current, no supply current for the circuit provided within the switching device could be obtained, and then, if no voltage drop occurred in the conductive state, no supply voltage for the circuit could be obtained within the switching device, applies to all electronic switching devices for only two outer conductor, that in the locked state, a residual current flows and in the conductive state, a voltage drop occurs. It follows that then, if already, unintentionally, but functionally necessary in the locked state, a residual current flows and in the conductive state, a voltage drop occurs, the residual current and the voltage drop should be as low as possible. This problem has already been dealt with extensively.

Eingangs ist ausgeführt, daß zu dem in Rede stehenden elektronischen Druckschalter eine Widerstandsmeßbrücke als Meßwertaufnehmer gehört. Statt einer Widerstandsmeßbrücke kann auch eine andere Schaltung verwendet werden, mit der ein dem anstehenden Druck proportionales Meßsignal generiert werden kann. Insbesondere kann der Meßwertaufnehmer auch aus GMR-Elementen (GMR = Giant Magneto Resistance) bestehen. Im folgenden wird immer ein elektronischer Druckschalter mit einer Widerstandsmeßbrücke als Meßwertaufnehmer beschrieben. Die Lehre der Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt; sie ist auch ohne weiteres anwendbar auf Druckschalter mit einem anderen Meßwertaufnehmer, insbesondere auf Druckschalter, bei denen der Meßwertaufnehmer aus GMR-Elementen besteht, auch auf elektronische Schaltgeräte mit anderen Meßwertaufnehmern, z. B. auf Positionssensoren, bei denen der Meßwertaufnehmer aus GMR-Elementen besteht.The input is stated that belongs to the electronic pressure switch in question a Widerstandsmeßbrücke as a transducer. Instead of a resistance measuring bridge, it is also possible to use another circuit with which a measuring signal proportional to the pending pressure can be generated. In particular, the transducer can also consist of GMR elements (GMR = Giant Magneto Resistance). In the following, an electronic pressure switch with a resistance measuring bridge is always described as a transducer. However, the teaching of the invention is not limited thereto; It is also readily applicable to pressure switch with another transducer, in particular pressure switch, in which the transducer consists of GMR elements, including electronic switchgear with other transducers, eg. B. on position sensors in which the transducer consists of GMR elements.

Am Markt gibt es von der Firma UNITED ELECTRIC CONTROLS, 180 Dexter Avenue, Watertown, MA 02471-9143, USA, einen elektronischen Druckschalter für nur zwei Anschlußleiter, der auch Gegenstand von Patentveröffentlichungen ist, nämlich der US 6,522,249 B1 und der WO 03/021195 A1 . 1Dieser elektronische Druckschalter hat im gesperrten Zustand einen Reststrom von etwa 0,75 Milliampere und im leitenden Zustand einen Spannungsabfall bis etwa 7 V. Das sind noch relativ große Werte. Der Reststrom von etwa 0,75 Milliampere wird bei höherohmigen Anwendungen wie zum Beispiel bei Eingangsschaltkreisen von Optokopplern bereits kritisch, weil hier der gesperrte Zustand nicht mehr erkannt werden könnte. Der Spannungsabfall bis etwa 7 Volt im geschalteten Zustand schränkt das Applikationsfeld stark ein, da die Betriebsspannung, zum Beispiel für einen Verbraucher, um etwa 7 Volt reduziert wird. Ferner muß der maximale Schaltstrom eingeschränkt werden, weil aus dem Produkt des Schaltstroms und des Spannungsabfalls die Verlustwärme resultiert.On the market, UNITED ELECTRIC CONTROLS, 180 Dexter Avenue, Watertown, MA 02471-9143, USA, has an electronic pressure switch for only two leads, which is also the subject of patent publications US 6,522,249 B1 and the WO 03/021195 A1 , 1This electronic pressure switch has a residual current of about 0.75 milliamperes in the off state and a voltage drop of up to about 7 V in the on state. These are still relatively large values. The residual current of about 0.75 milliamperes is already critical in higher-impedance applications such as input circuits of optocouplers, because the locked state could no longer be detected here. The voltage drop to about 7 volts in the switched state severely restricts the application field, since the operating voltage, for example for a consumer, is reduced by about 7 volts. Furthermore, the maximum switching current must be limited because of the product of the switching current and the voltage drop, the heat loss results.

Die DE 101 60 794 A1 offenbart eine Signalverarbeitungseinrichtung für einen Druckschalter, umfassend ein Sensorelement, eine Messbrücke, eine Signalverarbeitungseinheit zur Verstärkung und Digitalisierung des analogen Messsignals und eine nachgeschaltete Ansteuereinheit für elektrische Schalter. Die Ausgänge der Messbrücke sind unmittelbar an gleichnamige Eingänge zweier Operationsverstärker der Signalverarbeitungseinheit angeschlossen. Die Ausgänge der Operationsverstärker sind nachfolgend an einen A/D-Wandler angeschlossen. The DE 101 60 794 A1 discloses a signal processing device for a pressure switch, comprising a sensor element, a measuring bridge, a signal processing unit for amplifying and digitizing the analog measuring signal and a downstream drive unit for electrical switches. The outputs of the measuring bridge are connected directly to identically named inputs of two operational amplifiers of the signal processing unit. The outputs of the operational amplifiers are subsequently connected to an A / D converter.

Die DE 36 33 790 C2 offenbart eine Anordnung zur Aufbereitung der Ausgangssignale einer Widerstandsbrücke, mit einem Brückenverstärker und einem Spannungs-Frequenz-Wandler, wobei die Brückendiagonale der Widerstandsbrücke durch periodisch betätigte Umschalter mit den Klemmen einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die Ausgänge der Widerstandsbrücke sind an gleichnamige Eingänge zweier Operationsverstärker des Brückenverstärkers angeschlossen, wobei an die Ausgangssignale der beiden Operationsverstärker ein RC-Glied mit einem Widerstand und einem Kondensator angeschlossen ist. Ferner sind die Anschlüsse des Kondensators mit den beiden Eingängen eines Komparators verbunden, so dass die am Kondensator anliegende Spannung die Eingangsspannung des Komparators bildet.The DE 36 33 790 C2 discloses an arrangement for conditioning the output signals of a resistance bridge, with a bridge amplifier and a voltage-frequency converter, wherein the bridge diagonal of the resistance bridge is connected by periodically operated switch with the terminals of a DC voltage source. The outputs of the resistance bridge are connected to the same name inputs of two operational amplifier of the bridge amplifier, wherein the output signals of the two operational amplifiers, an RC element is connected to a resistor and a capacitor. Furthermore, the terminals of the capacitor are connected to the two inputs of a comparator, so that the voltage applied to the capacitor forms the input voltage of the comparator.

Die Veröffentlichung von Mielentz, et. al., ”Anpassung von Dehnungsmessstreifen an batteriegespeiste Datensammler” in der Zeitschrift ”messen prüfen automatisieren”, 2/93, Seiten 14–17 offenbart ein Schaltungskonzept für den Anschluss mehrerer Dehnungsmessstreifen, das insbesondere zum batteriegespeisten Betrieb geeignet ist, d. h. vor dem Hintergrund ausgestaltet ist, den Batteriestrom zu minimieren und damit die Gesamtmessdauer zu steigern. Das Schaltungskonzept umfasst eine Widerstandsmessbrücke, einen Operationsverstärker, einen Analog-Multiplexer, einen Analog-Digital-Umsetzer und einen Mikroprozessor. Die Ausgänge der Widerstandsmessbrücke sind jeweils an einen Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers an den Analog-Multiplexer angeschlossen ist. Die Veröffentlichung lehrt, die Dehnungsmessstreifen und die Schaltung insgesamt hochohmig auszugestalten, um den Batteriestrom zu minimieren.The publication of Mielentz, et. al., "Adaptation of strain gauges to battery-powered data collector" in the journal "measure test automate", 2/93, pages 14-17 discloses a circuit concept for the connection of multiple strain gauges, which is particularly suitable for battery-powered operation, d. H. designed against the background, to minimize the battery current and thus increase the total measurement time. The circuit concept includes a resistance measuring bridge, an operational amplifier, an analog multiplexer, an analog-to-digital converter and a microprocessor. The outputs of the resistance measuring bridge are each connected to an input of the operational amplifier, wherein the output of the operational amplifier is connected to the analog multiplexer. The publication teaches to design the strain gauges and the circuit overall high impedance to minimize the battery current.

Seifart, Manfred, in der Veröffentlichung ”Analoge Schaltungen”, 3. bearb. Aufl., Hüthing 1990, Heidelberg, Kapitel 12.2, Seiten 291–297, offenbart allgemeines Basiswissen zu Instrumentations-, Trenn- und Ladungsverstärkern. Insbesondere werden verschiedene Schaltkonfigurationen für Instrumentationsverstärker beschrieben.Seifart, Manfred, in the publication "Analog Circuits", 3rd ed. Aufl., Hüthing 1990, Heidelberg, Chapter 12.2, pages 291-297, discloses general basic knowledge of instrumentation, separation and charge amplifiers. In particular, various switching configurations for instrumentation amplifiers will be described.

Der Erfindung liegt nun folglich die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Druckschalter der in Rede stehenden Art, also für nur zwei Außenleiter, anzugeben, der sich durch einen geringeren Reststrom im gesperrten Zustand und durch einen geringeren Spannungsabfall im geschalteten Zustand auszeichnet.The invention is therefore an object of the invention to provide an electronic pressure switch of the type in question, so for only two outer conductors, which is characterized by a lower residual current in the locked state and by a lower voltage drop in the switched state.

Der erfindungsgemäße elektronische Druckschalter, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessbrücke einen größeren Innenwiderstand als 20 Kiloohm hat, dass die Verstärkereinheit einen ersten Operationsverstärker und einen zweiten Operationsverstärker aufweist, zweistufig ausgeführt ist und als Instrumentenverstärker ausgeführt ist, dass der Ausgang des ersten Operationsverstärkers ein dem analogen Messwert der Widerstandsmessbrücke entsprechendes analoges Messsignal dem Komparator niederohmig zuführt und dass der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers den Schwellenwert dem Komparator niederohmig zuführt.The electronic pressure switch according to the invention, in which the previously derived and indicated object is achieved, is now initially and essentially characterized in that the resistance measuring bridge has a greater internal resistance than 20 kilohms, that the amplifier unit comprises a first operational amplifier and a second operational amplifier, executed in two stages is and is designed as an instrument amplifier, that the output of the first operational amplifier corresponding to the analog measurement of the resistance measuring bridge corresponding analog measuring signal low impedance feeds the comparator and that the output of the second operational amplifier, the threshold value comparatively low impedance feeds.

Der hohe Innenwiderstand der Widerstandsmeßbrücke von mehr als 20 Kiloohm ist ein erster Schritt zur Reduzierung des notwendigen Versorgungsstroms für die innerhalb des Schaltgeräts vorgesehene Schaltung, – und damit für die Reduzierung des im gesperrten Zustand des Druckschalters fließenden Restsstroms. Ein zweiter, in die gleiche Richtung gehender Schritt besteht darin, daß die Verstärkereinheit sowohl ein dem analogen Meßwert der Widerstandsmeßbrücke entsprechendes analoges Meßsignal als auch den Schwellenwert niederohmig dem Komparator zuführt; der Schwellenwert für den Komparator wird also nicht separat generiert.The high internal resistance of the resistance measuring bridge of more than 20 kiloohms is a first step in reducing the necessary supply current for the circuit provided inside the switching device, and thus for reducing the residual current flowing in the locked state of the pressure switch. A second step going in the same direction is that the amplifier unit supplies both a analog measurement signal corresponding to the analog measurement value of the resistance measuring bridge and the threshold value to the comparator in a low-impedance manner; the threshold for the comparator is therefore not generated separately.

Der erfindungsgemäße elektronische Druckschalter soll, wie ausgeführt, nicht nur einen geringen Reststrom im gesperrten Zustand sondern auch einen geringen Spannungsabfall im leitenden Zustand haben. Also muß die hochohmig ausgeführte Widerstandsmeßbrücke mit einer sehr geringen Versorgungsspannung betrieben werden. Bei einer Versorgungsspannung für die Widerstandsmeßbrücke von 1,8 Volt kann ein Brückensignal als Meßsignal von nur etwa 6 Millivolt erwartet werden. Dieses Meßsignal muß mit einem relativ großen Faktor, etwa mit einem Faktor von 300, verstärkt werden, um dem nachgeschalteten Komparator eine Entscheidung mit einprozentiger Genauigkeit abverlangen zu können. Dazu ist bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters vorgesehen, daß die Verstärkereinheit als Instrumentenverstärker, auch Elektrometerverstärker genannt, ausgeführt ist, so daß die Widerstandsmeßbrücke durch die Verstärkereinheit praktisch nicht belastet wird. Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters ist die Verstärkereinheit zweistufig ausgeführt, weist nämlich die Verstärkereinheit zwei Operationsverstärker auf, die vorzugsweise monolithisch aus einem Chip gefertigt sind, um einen Temperaturgleichlauf der Offsetspannungen zu erhalten.The electronic pressure switch according to the invention should, as stated, not only have a low residual current in the locked state but also a small voltage drop in the conducting state. So the high-resistance resistance measuring bridge must be operated with a very low supply voltage. With a supply voltage for the resistance measuring bridge of 1.8 volts, a bridge signal can be expected as a measurement signal of only about 6 millivolts. This measurement signal must be amplified with a relatively large factor, for example by a factor of 300, in order to be able to demand a decision with one-percent accuracy from the downstream comparator. For this purpose, it is provided in the electronic pressure switch according to the invention that the amplifier unit as an instrument amplifier, also called Elektrometerverstärker, is executed, so that the resistance measuring bridge is practically not loaded by the amplifier unit. In the electronic pressure switch according to the invention, the amplifier unit is designed in two stages, namely has the Amplifier unit two operational amplifiers, which are preferably made monolithically from a chip to obtain a temperature synchronization of the offset voltages.

Wenn die Ausgänge der Widerstandsmeßbrücke an gleichnamige Eingänge der Operationsverstärker, vorzugsweise an die nicht-invertierenden Eingänge der Operationsverstärker angeschlossen sind, kompensieren sich die Offsetspannungen gegenseitig. Dabei verändert sich dann die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers nur wenig über den Druck und zudem gegenläufig, so daß die Ausgangsspannung unmittelbar niederohmig dem Komparator als Schwellenwert zugeführt werden kann. Die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers stellt das eigentliche Meßsignal dar, sie wird ebenfalls niederohmig dem Komparator zugeführt.When the outputs of the resistance measuring bridge are connected to identically named inputs of the operational amplifiers, preferably to the non-inverting inputs of the operational amplifiers, the offset voltages compensate one another. In this case, then the output voltage of the first operational amplifier changes only slightly over the pressure and also in opposite directions, so that the output voltage can be supplied to the comparator as a threshold immediately low resistance. The output voltage of the second operational amplifier represents the actual measurement signal, it is also supplied to the comparator low impedance.

Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter ist die Widerstandsmeßbrücke vorzugsweise als DMS-Druckmeßzelle mit einer Stahlmembran und auf der Stahlmembran aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen ausgeführt. Solche DMS-Druckmeßzellen sind für sich seit langem bekannt und im Einsatz. Der Vorteil der dabei verwendeten Stahlmembran liegt vor allem in der enormen Berstdruckfestigkeit.In the electronic pressure switch according to the invention, the resistance measuring bridge is preferably designed as a strain gauge pressure measuring cell with a steel membrane and on the steel membrane applied strain gauges. Such strain gauges have been known and used for a long time. The advantage of the steel membrane used is mainly the enormous bursting strength.

Bei DMS-Druckmeßzellen der zuvor angesprochenen Art werden die zur Widerstandsmeßbrücke gehörenden Nutzwiderstände durch einen Dickschichtprozeß realisiert. Dieser Dickschichtprozeß ist bekanntermaßen stark toleranzbehaftet, so daß der elektrische Nullpunkt bis zu +/–2500% (!), bezogen auf das generierbare Meßsignal, variieren kann. Folglich sind Abgleichmaßnahmen erforderlich. Vorzugsweise ist dazu ein hochohmiges Abgleichnetzwerk vorgesehen, das in gleicher Weise wie die Nutzwiderstände auf der Stahlmembran aufgebracht ist; der Querwiderstand des Abgleichnetzwerkes kann im dreistelligen Kiloohmbereich liegen. Damit das hochohmige Abgleichnetzwerk den gleichen Temperaturkoeffizienten hat wie die eigentliche Widerstandsmeßbrücke, empfiehlt es sich, die Abgleichwiderstände des Abgleichnetzwerks aus der gleichen Widerstandspaste wie die Nutzwiderstände der Widerstandsmeßbrücke auf der Stahlmembran aufzubringen.In the case of strain gauge pressure measuring cells of the type mentioned above, the useful resistors belonging to the resistance measuring bridge are realized by a thick-film process. This thick-film process is known to have a high degree of tolerance, so that the electrical zero point can vary up to +/- 2500% (!), Based on the generatable measuring signal. Consequently, balancing measures are required. Preferably, a high impedance matching network is provided for this, which is applied in the same way as the Nutzwiderstände on the steel membrane; The cross resistance of the matching network can be in the three-digit kilo-ohm range. In order for the high-impedance matching network to have the same temperature coefficient as the actual resistance measuring bridge, it is advisable to apply the balancing resistors of the balancing network from the same resistance paste as the useful resistances of the resistance measuring bridge to the steel membrane.

Mit der zuvor beschriebenen Abgleichmaßnahme ist nur ein Grobabgleich möglich, nämlich ein Abgleich mit einer Abgleich-Macht von +/–2500% auf maximal +/–100%. Folglich empfiehlt es sich, noch eine weitere Abgleichmaßnahme für einen Feinabgleich zu verwirklichen. Dazu kann dann ein hochohmiges Widerstandsnetzwerk mit einer Abgleich-Macht von +/–100% auf 0% vorgesehen sein. Dieses hochohmige Widerstandsnetzwerk benötigt nicht mehr zwingend den gleichen Temperaturgang wie die Nutzwiderstände der Widerstandsmeßbrücke, weil infolge der Spannungsteilerschaltung ihr Temperatureinfluß erträglich bleibt.With the adjustment measure described above, only a coarse adjustment is possible, namely a comparison with a balancing power of +/- 2500% to a maximum of +/- 100%. Consequently, it is advisable to implement yet another adjustment for fine-tuning. For this purpose, a high-impedance resistor network with a balancing power of +/- 100% to 0% can be provided. This high-impedance resistor network no longer necessarily requires the same temperature response as the useful resistors of the resistance measuring bridge, because their temperature influence remains tolerable as a result of the voltage divider circuit.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters ist eingangsseitig ein die Versorgungsspannung der Widerstandsmeßbrücke, der Verstärkereinheit, des Komparators und gegebenenfalls des Abgleichnetzwerkes regelnder und begrenzender Längsregler vorgesehen. Dieser Längsregler sorgt also einerseits dafür, daß die Versorgungsspannung der Widerstandsmeßbrücke, der Verstärkereinheit, des Komparators und gegebenenfalls des Abgleichnetzwerkes stets konstant ist, vor allem aber auch begrenzt wird, so daß nicht eine überflüssig hohe Versorgungsspannung zu einem unnötig hohen Versorgungsstrom und damit zu einem zu hohen Reststrom führt. Zweckmäßigerweise sind die Widerstandsmeßbrücke, die Verstärkereinheit, der Komparator und gegebenenfalls das Abgleichnetzwerk versorgungsspannungsmäßig parallel geschaltet und ist die Parallelschaltung dem Längsregler nachgeschaltet.In a particularly preferred embodiment of the electronic pressure switch according to the invention, the input side of the supply voltage of the resistance, the amplifier unit, the comparator and optionally the balancing network regulating and limiting longitudinal regulator is provided. This longitudinal regulator thus ensures on the one hand that the supply voltage of the Widerstandsmeßbrücke, the amplifier unit, the comparator and optionally the balancing network is always constant, but above all limited, so that not a superfluous high supply voltage to an unnecessarily high supply current and thus to a high residual current leads. Conveniently, the Widerstandsmeßbrücke, the amplifier unit, the comparator and optionally the balancing network supply voltage are connected in parallel and the parallel circuit is connected downstream of the series regulator.

Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter kann die Schaltstufe als DC-Schaltstufe, als AC-Schaltstufe oder als Allstrom-Schaltstufe, also sowohl Gleichstrom schaltend als auch Wechselstrom schaltend, ausgeführt sein; vorzugsweise ist die Schaltzufuhr jedoch als DC-Schaltstufe ausgeführt.In the electronic pressure switch according to the invention, the switching stage can be designed as a DC switching stage, as an AC switching stage or as an all-current switching stage, that is switching both DC switching and AC switching; Preferably, however, the switching supply is designed as a DC switching stage.

Schließlich geht eine weitere Lehre der Erfindung, der auch für sich, also losgelöst von den bisher beschriebenen Lehren der Erfindung, besondere Bedeutung zukommt, dahin, die Schaltstufe als vom Ausgang des Komparators angesteuerten Shuntregler auszuführen. Bei dieser Ausführungsform entscheidet das am Ausgang des Komparators anstehende Ausgangssignal über das Zuschalten des Shuntreglers. Angesteuert begrenzt der Shuntregler den Spannungsabfall, z. B. auf 2,5 Volt, so daß einerseits – über den vorzugsweise vorgesehenen Längsregler – noch genügend Versorgungsspannung für die elektronische Schaltung im Druckschalter zur Verfügung steht, daß aber andererseits im leitenden Zustand des Druckschalters nur ein Spannungsabfall von z. B. 2,5 Volt auftritt, für einen Verbraucher also die originäre Betriebsspannung abzüglich 2,5 Volt zur Verfügung steht.Finally, a further teaching of the invention, which is also of its own, that is, detached from the previously described teachings of the invention, is of particular importance to execute the switching stage as controlled by the output of the comparator Shuntregler. In this embodiment, the output signal at the output of the comparator decides via the connection of the shunt regulator. Controlled limited the shunt regulator voltage drop, z. B. to 2.5 volts, so that on the one hand - on the preferably provided longitudinal regulator - still enough supply voltage for the electronic circuit in the pressure switch is available, but on the other hand in the conductive state of the pressure switch only a voltage drop of z. B. 2.5 volts, for a consumer so the original operating voltage minus 2.5 volts is available.

Wie weiter oben ausgeführt, soll aufgabengemäß ein elektronischer Druckschalter der in Rede stehenden Art, also für nur zwei Außenleiter, angegeben werden, der sich durch einen geringeren Reststrom im gesperrten Zustand und durch einen geringeren Spannungsabfall im geschalteten Zustand auszeichnet. Die zunächst beschriebenen Maßnahmen betreffen die erste Teilaufgabe, geringerer Reststrom im gesperrten Zustand, die zuletzt beschriebene Maßnahme die zweite Teilaufgabe, geringerer Spannungsabfall im geschalteten Zustand.As stated above, according to the task an electronic pressure switch of the type in question, that is, for only two outer conductor, are specified, which is characterized by a lower residual current in the locked state and by a lower voltage drop in the switched state. The first described Measures relate to the first subtask, lower residual current in the locked state, the measure last described the second subtask, lower voltage drop in the switched state.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigtIn particular, there are various ways to design and develop the electronic pressure switch according to the invention. Reference is made on the one hand to the claims subordinate to claim 1, on the other hand, to the following description of an embodiment in conjunction with the drawings. In the drawing shows

1 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters und 1 a block diagram of a preferred embodiment of an electronic pressure switch according to the invention and

2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer zu dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter gehörenden Verstärkereinheit mit nachgeschaltetem Komparator. 2 a preferred embodiment of belonging to the inventive electronic pressure switch amplifier unit with a downstream comparator.

Dargestellt ist in der 1 schematisch, in Form eines Blockschaltbildes, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters für nur zwei Anschlußschalter, der also nur zwei Anschlüsse 1 und 2 aufweist. Zu dem dargestellten elektronischen Druckschalter gehören zunächst eine Widerstandsmeßbrücke 3 als Meßwertaufnehmer, eine der Widerstandsmeßbrücke 3 nachgeschaltete Verstärkereinheit 4, ein der Verstärkereinheit 4 nachgeschalteter Komparator und einen dem Komparator 5 nachgeschaltete Schaltstufe 6.Shown in the 1 schematically, in the form of a block diagram, a preferred embodiment of an electronic pressure switch according to the invention for only two connection switches, ie only two connections 1 and 2 having. The illustrated electronic pressure switch initially includes a resistance measuring bridge 3 as a transducer, one of the resistance bridge 3 downstream amplifier unit 4 , one of the amplifier unit 4 downstream comparator and a comparator 5 downstream switching stage 6 ,

Erfindungsgemäß hat die Widerstandsmeßbrücke 3 einen besonders hohen Innenwiderstand; der Innenwiderstand der Widerstandsmeßbrücke 3 ist größer als 20 Kiloohm. Des weiteren ist erfindungsgemäß realisiert, daß die Verstärkereinheit 4 sowohl ein dem analogen Meßwert der Widerstandsmeßbrücke entsprechendes analoges Meßsignal als auch den Schwellenwert niederohmig dem Komparator 5 zuführt.According to the invention, the resistance measuring bridge 3 a particularly high internal resistance; the internal resistance of the resistance measuring bridge 3 is greater than 20 kilohms. Furthermore, according to the invention realized that the amplifier unit 4 both an analog measurement signal corresponding to the analog measurement value of the resistance measuring bridge and the threshold value having a low impedance to the comparator 5 supplies.

Nicht dargestellt ist, daß die Widerstandsmeßbrücke 3 als DMS-Druckmeßzelle mit einer Stahlmembran und auf der Stahlmembran aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen als Nutzwiderstände 7 ausgeführt ist. Als Abgleichmaßnahme ist ein hochohmiges Abgleichnetzwerk 8 mit Abgleichwiderständen 9 und 10 vorgesehen; der Querwiderstand des Abgleichnetzwerkes 8 kann im dreistelligen Kiloohmbereich liegen. Damit das hochohmige Abgleichnetzwerk 8 den gleichen Temperaturkoeffizienten hat wie die eigentliche Widerstandsmeßbrücke 3, sind die Abgleichwiderstände 9 und 10 des Abgleichnetzwerks 8 aus der gleichen Widerstandspaste wie die Nutzwiderstände 7 der Widerstandsmeßbrücke auf der nicht dargestellten Stahlmembran aufgebracht.It is not shown that the resistance measuring bridge 3 as a strain gauge pressure measuring cell with a steel membrane and on the steel membrane applied strain gauges as Nutzwiderstände 7 is executed. The adjustment measure is a high-impedance matching network 8th with balancing resistors 9 and 10 intended; the cross resistance of the matching network 8th can be in the three-digit kilo-ohm range. So the high-impedance matching network 8th has the same temperature coefficient as the actual resistance measuring bridge 3 , are the balancing resistors 9 and 10 the matching network 8th from the same resistance paste as the useful resistors 7 the resistance measuring bridge applied to the steel membrane, not shown.

Wie eingangs erläutert, kann mit der zuvor beschriebenen Abgleichmaßnahme nur ein Grobabgleich realisiert werden, nämlich mit einer Abgleich-Macht von +/–2500% auf maximal +/–100%. Weiter oben ist noch eine weitere Abgleichmaßnahme für einen Feinabgleich beschrieben, eine Abgleichmaßnahme mit einer Abgleich-Macht von +/–100% auf 0%. Diese Abgleichmaßnahme ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.As explained above, only a coarse adjustment can be realized with the adjustment measure described above, namely with a balancing power of +/- 2500% to a maximum of +/- 100%. Further above is described a further adjustment measure for a fine adjustment, a balancing measure with a balancing power of +/- 100% to 0%. This adjustment measure is not shown in the embodiment.

Wie die 2 zeigt, ist bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters die Verstärkereinheit 4 als Instrumentenverstärker, auch Elektrometerverstärker genannt, ausgeführt, und zwar zweistufig ausgeführt. Die Verstärkereinheit 4 weist nämlich zwei Operationsverstärker 11, 12 auf, die monolithisch aus einem Chip gefertigt sind. Die Ausgänge der Widerstandsmeßbrücke 3 sind an gleichnamige Eingänge der Operationsverstärker 11, 12, nämlich an die nicht-invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 11, 12 angeschlossen. Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker 11, 12 sind direkt an die Eingänge des Komparators 5 angeschlossen.As the 2 shows, in the illustrated preferred embodiment of an electronic pressure switch according to the invention, the amplifier unit 4 as an instrument amplifier, also called electrometer amplifier, carried out, and carried out in two stages. The amplifier unit 4 namely, has two operational amplifiers 11 . 12 on, which are monolithically made of a chip. The outputs of the resistance measuring bridge 3 are at the same name inputs of the operational amplifier 11 . 12 namely to the non-inverting inputs of the operational amplifiers 11 . 12 connected. The outputs of the two operational amplifiers 11 . 12 are directly to the inputs of the comparator 5 connected.

Wie die 1 zeigt, ist bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters eingangsseitig ein die Versorgungsspannung der Widerstandsmeßbrücke 3, der Verstärkereinheit 4, des Komparators 5 und des Abweichnetzwerk 8 regelnder und begrenzender Längsregler 13 vorgesehen. Wie die 1 zeigt, sind die Widerstandsmeßbrücke 3, die Verstärkereinheit 4, der Komparator 5 und das Abgleichnetzwerk 8 versorgungsspannungsmäßig parallel geschaltet und ist diese Parallelschaltung dem Längsregler 13 nachgeschaltet.As the 1 shows, in the illustrated preferred embodiment of an electronic pressure switch according to the invention on the input side, a supply voltage of the resistance measuring bridge 3 , the amplifier unit 4 , the comparator 5 and the deviation network 8th regulating and limiting series regulator 13 intended. As the 1 shows are the resistance bridge 3 , the amplifier unit 4 , the comparator 5 and the matching network 8th supply voltage parallel connected in parallel and this parallel circuit is the series regulator 13 downstream.

Schließlich zeigt die 1 noch insoweit ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters, als die Schaltstufe 6 als vom Ausgang des Komparators 5 angesteuerten Shuntregler 14 ausgeführt ist.Finally, the shows 1 even so far a particularly preferred embodiment of an electronic pressure switch according to the invention, as the switching stage 6 as from the output of the comparator 5 controlled shunt regulator 14 is executed.

Konkret läßt sich ohne weiteres erreichen, daß bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter im gesperrten Zustand der Reststrom kleiner als 0,5 Milliampere ist und der Spannungsabfall im leitenden Zustand weniger als 2,5 Volt beträgt. Im einzelnen können realisiert werden
für die Widerstandsmeßbrücke 3 ein Versorgungsstrom von 90 Mikroampere,
für die Verstärkereinheit 4 ein Versorgungsstrom von 110 Mikroampere,
für den Komparator 5 ein Versorgungsstrom von 50 Mikroampere, für das Abgleichnetzwerk 8 ein Versorgungsstrom von 25 Mikroampere und
für den Längsregler 13 ein Versorgungsstrom von 50 Mikroampere sowie
am Shuntregler 14 – und damit am erfindungsgemäßen Druckschalter insgesamt – im leitenden Zustand ein Spannungsabfall von 2,3 Volt.Specifically, it can be easily achieved that in the inventive electronic pressure switch in the locked state, the residual current is less than 0.5 milliamperes and the voltage drop in the conducting state is less than 2.5 volts. In detail, can be realized
for the resistance measuring bridge 3 a supply current of 90 microamps,
for the amplifier unit 4 a supply current of 110 microamps,
for the comparator 5 a supply current of 50 microamps, for the matching network 8th a supply current of 25 microamps and
for the in-line regulator 13 a supply current of 50 microamps as well
at the shunt regulator 14 - And thus the pressure switch according to the invention in total - in the conductive state, a voltage drop of 2.3 volts.

Claims

Electronic pressure switch for only two connecting conductors, with a resistance measuring bridge as a measuring transducer, with an amplifier unit connected downstream of the resistance measuring bridge, with a comparator connected downstream of the amplifier unit and with a switching stage downstream of the comparator, characterized in that the resistance measuring bridge ( 3 ) has a greater internal resistance than 20 kilohms, that the amplifier unit ( 4 ) a second operational amplifier ( 11 ) and a first operational amplifier ( 12 ), is designed in two stages and as an instrument amplifier, that the output of the second operational amplifier ( 11 ) an analog measurement signal corresponding to the analog measurement value of the resistance measuring bridge is provided to the comparator ( 5 ) supplies low impedance and that the output voltage of the first operational amplifier ( 12 ) directly to the comparator ( 5 ) is supplied as a threshold low resistance.

Electronic pressure switch according to claim 1, characterized in that the resistance measuring bridge ( 3 ) is designed as a strain gauge pressure cell with a steel diaphragm and on the steel diaphragm applied strain gauges.

Electronic pressure switch according to claim 1 or 2, characterized in that the resistance measuring bridge ( 3 ) a high-impedance matching network ( 8th ) assigned.

Electronic pressure switch according to claim 3, characterized in that the useful resistors ( 7 ) of the resistance measuring bridge ( 3 ) and the balancing resistances ( 9 . 10 ) of the matching network ( 8th ) have the same temperature coefficient.

Electronic pressure switch according to claim 4, characterized in that the useful resistors ( 7 ) of the resistance measuring bridge ( 3 ) and the balancing resistances ( 9 . 10 ) of the matching network ( 8th ) are applied from a same resistance paste.

Electronic pressure switch according to one of claims 1 to 5, characterized in that the two operational amplifiers ( 11 . 12 ) are monolithically made of a chip.

Electronic pressure switch according to one of claims 1 to 6, characterized in that the outputs of the resistance measuring bridge ( 3 ) at the same name inputs of the operational amplifier ( 11 . 12 ) are connected.

Electronic pressure switch according to claim 7, characterized in that the outputs of the resistance measuring bridge ( 3 ) to the non-inverting inputs of the operational amplifiers ( 11 . 12 ) are connected.

Electronic pressure switch according to one of claims 1 to 8, characterized in that the outputs of the two operational amplifiers ( 11 . 12 ) to the inputs of the comparator ( 5 ) are connected.

Electronic pressure switch according to one of claims 1 to 9, characterized in that on the input side, a supply voltage of the resistance measuring bridge ( 3 ), the amplifier unit ( 4 ), the comparator ( 5 ) and, where appropriate, the reconciliation network ( 8th ) regulating and limiting series regulator ( 13 ) is available.

Electronic pressure switch according to claim 10, characterized in that the resistance measuring bridge ( 3 ), the amplifier unit ( 4 ), the comparator ( 5 ) and, if necessary, the matching network ( 8th ) supply voltage parallel connected in parallel and the parallel circuit the longitudinal regulator ( 13 ) is connected downstream.

Electronic pressure switch according to one of claims 1 to 11, characterized in that the switching stage ( 6 ) is designed as a DC switching stage, as an AC switching stage or as an all-current switching stage.

Electronic pressure switch according to one of claims 1 to 12, characterized in that the switching stage ( 6 ) than from the output of the comparator ( 5 ) is carried out controlled shunt regulator.