VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR STROMMESSUNG

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strommessung, insbesondere zur Messung des von einer Baugruppe aufgenommenen Stromes.

Es ist bekannt bei elektrischen Baugruppen zum Zweck der überwachung und der Gewinnung von Informationen über die Baugruppen den Strom, der von der jeweiligen Baugruppe aufgenommen wird, zu messen.

Im Weiteren ist es Stand der Technik umschaltbare Eingangsverstärkerstufen einem A/D-Wandler voranzustellen. Hierdurch ergeben sich verschiedene Messbereiche, je nachdem, in welchem Messbereich das Signal zu finden ist, wird der entsprechende Messbereich automatisch angewählt.

Aus EP 0 271 849 A2 ist ein Impedanzmessgerät, insbesondere zur Bestimmung der durch Eintauchen einer flüssigkeitveränderlichen Impedanz eines kapazitiven Sensors, bekannt. Das Impedanzmessgerät hat als Signalquelle einen digitalen Sinusgenerator, welcher das zu untersuchende Messobjekt speist. Mit Null-Durchgangsdetektoren werden die Null-Durchgänge von Strom und Spannung am Messobjekt detektiert, damit ein Start-Stopp- Zähler betrieben werden kann. Dessen Ausgangsignal ist ein Maß für den zeitlichen Abstand der Null-Durchgänge, aus welchem sich mit Hilfe der bekannten Signalfrequenzen des digitalen Sinusgenerators die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung des Messobjekts berechnen lässt.

Aus DE 20 012 567 U1 ist ein digitales Multimeter, insbesondere Handmultimeter zur Durchführung von Strom-, Spannungs-, Widerstands- und/oder Kapazitätsmessungen, mit einer mit Messeingangsbuchsen des Multimeters verbundenen elektronischen Auswerteschaltung, einer Anzeigevorrichtung, die mit Ausgängen der Auswerteschaltung verbunden ist,

sowie einer Umschaltvorrichtung, bekannt. Durch die Umschaltvorrichtung ist das Multimeter zwischen unterschiedlichen Mess-Betriebszuständen umschaltbar, wobei die Messeingangsbuchsen die Auswerte- und Anzeigevorrichtung und die Umschaltvorrichtung in/an einem handhaltbaren Gehäuse angeordnet sind. Am Gehäuse sind die Elemente einer Strommesszange angeordnet, wobei mindestens eine Prüfvorrichtung zur Feststellung der elektrischen Sicherheit einer Anlage oder eines Verbrauches in das Multimeter integriert ist.

Aus DE 100 36 644 A1 ist ein weiteres digitales Multimeter, insbesondere Handmultimeter zur Durchführung von Strom-, Spannungs-, Widerstands- und/oder Kapazitätsmessungen bekannt. Das digitale Multimeter ist mit Messausgangsbuchsen ausgestattet und weist eine Anzeigevorrichtung auf, die wiederum mit Ausgängen der Auswertevorrichtung verbunden -ist. Schließlich ist ein Wählschalter vorhanden, durch welchen das Multimeter zwischen unterschiedlichen Mess-Betriebszuständen und Messbereichen umschaltbar ist.

Aus DE 43 31 796 A1 ist ein Multimeter mit einer automatischen Messfunktionseinstellung und automatischen Messbereichserkennung offenbart. Das Erkennen erfolgt bei hochohmigem Eingangswiderstand des Multimeters. Bei als Impedanzen erkannten Messgrößen wird automatisch auf einen niederohmigen Eingangswiderstand umgeschaltet, die Messgröße wird niederohmig gemessen und nachfolgend angezeigt, und bei einer Bereichsänderung wird wieder zum Anfang der Messprozedur zurückgekehrt.

Nachteilig bei dieser bekannten Technik ist es jedoch, dass jeder dieser Messbereiche jeweils kalibriert werden muss. Dies wird zumeist in bzw. währende der Fertigung vorgenommen. Weiterhin ist es nachteilig, dass diese Kalibrierung während der Fertigung den Alterungsprozess der Bauelemente nicht berücksichtigen kann.

Insbesondere im Bereich des Einklemmschutzes bei Kraftfahrzeugen, wie zum Beispiel bei Fensterhebem oder automatisch schließenden Türen oder

Schiebedächern oder Verdecken ist eine überwachung der eingangs genannten Art erforderlich. Um eine Aussage über den Stand eines Fensters oder eines automatisch betätigten Teiles oder Objektes geben zu können, darf es keine Unstetigkeit beim Umschalten der Messbereiche geben, das heißt die Ergebnisse müssen stetig sein, auch bei Wechsel des Messbereiches. Wäre dies nicht der Fall, würden die entsprechenden Einrichtungen ein Fehlverhalten aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer Strommesseinheit aufzuzeigen, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird anhand der Ansprüche 1 , 8 und 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der weiteren Beschreibung sowie der zugehörigen Figur.

Die Erfindung beruht auf einer Anordnung, welche aus mindestens einem Umschalt- Verstärker, einer Gleichstromquelle, welche in Form eines Spannungteilers mit einem eingeprägten Strom realisiert ist, einer Messeinheit, insbesondere einer Strommesseinheit, und einer Umschalteinheit für Messbereiche besteht.

In der weiteren Beschreibung wird der Begriff Gleichstomquelle verwendet, wobei es sich aber bei der realisierten Ausgestaltung um einen Spannungsteiler handelt.

Diese Anordnung wird in der Fertigung kalibriert. Es wird aber nur für den einen Messbereich eine Kalibrierung vorgenommen, alle weiteren Messbereiche werden zur Laufzeit von der Messeinrichtung automatisch selbst und regelmäßig kalibriert, dies geschieht wie folgt.

Im ersten Messbereich wird zunächst eine Strommessung vorgenommen. Wenn hier ein ausreichender Strom fließt, wird testweise kurzzeitig in den

höheren .Strommessbereich geschaltet. Dort wird nunmehr ebenfalls die Messung vorgenommen. Bei der Messung des ersten Messbereichs wurde das gemessene Ergebnis gespeichert, fixiert und abgeglichen mit dem tatsächlichen Stromwert. Faktisch erfolgte eine Eichung für diesen ersten Messbereich. Anschließend wird das Ergebnis des gemessenen Wertes für den höheren Strommessbereiches mit dem Wert des ersten Messbereichs verglichen. Aus dem Verhältnis der Messergebnisse wird ein Korrelationsfaktor ermittelt. Dieser Faktor gibt das Verhältnis der Verstärkungen der beiden Messbereiche zueinander an. Auf diese Weise kann der Messbereich für den höheren Strommessbereich auf den ersten, der bereits in der Fertigung kalibriert wurde, abgestimmt werden. Dies erfolgt dann für sämtliche weiteren Strommessbereiche analog. Die Stetigkeit der Stromverläufe, auch bei einem Wechsel des Strommessbereichs, ist somit sichergestellt. Notwendigerweise setzt dieses Verfahren voraus, dass sich der Strom während der Umschaltvorgänge/Messbereichswechsel nicht . wesentlich ändert. In vorteilhafter Weise wird daher bei dem beschriebenen Vorgehen eine Konstantstromquelle verwendet um die Korrelationsfaktoren zu gewinnen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass vor den Umschaltverstärker ein Tiefpass zwischengeschaltet wird, der nur die Gleichstromanteile des zu messenden Stromes an die Messeinrichtung heranlässt. Die ggf. im Strom vorhandenen Stromrippel werden bei der Strommessung ausgefiltert.

Sollen bzw. müssen aber gerade die Stromrippel für eine weitere Verarbeitung des Stromsignals ausgewertet werden, um beispielsweise den Stand eines Rotors eines Elektromotors zu bestimmen, um daraus den Ort des beweglichen Elementes, weiches vom Elektromotor bewegt wird, zu bestimmen, so kann nicht mehr mit einem Tiefpass gearbeitet werden, da in diesem Fall eben gerade die vom Tiefpass ausgefilterten Stromrippel von Interesse sind. Da aber der Wechselanteil bei dieser Anordnung zur Messung des Stromes naturgemäß und technisch bedingt sehr stark schwankt, kann der vorliegende Strom nicht zur Kalibrierung der Messeinrichtung herangezogen werden.

Um dennoch eine Kalibrierung zu ermöglichen, wird nunmehr in den Stromkreis, anstelle des zu messenden Objektes, eine Gleichstromquelle geschaltet. Es wird quasi anstelle des zu messenden Stromes der Baugruppe der Strom der Gleichstromquelle gemessen. Dieser Austausch des Messobjektes erfolgt zyklisch stets dann, wenn die Messeinrichtung nicht benötigt wird, beispielsweise bei Stillstand des Fensterhebers oder des zu überwachenden Bauteils, in regelmäßigen Zeitabständen während der gesamten Baugruppenlebenszeit. Durch die Einspeisung eines konstanten Stromes, dessen Stromwert bekannt ist, bzw. dessen Stromwert konstant ist - wobei der Alterungsprozess der Bauelemente der Konstantstromquelle nicht berücksichtigt werden braucht, da nur eine stetige Anpassung der Messbereiche erfolgen muss - wird eine kontinuierliche Kalibrierung der Messvorrichtung erreicht, auch während des Betriebes der Vorrichtung. Dieser hier dann verwendete Strom ist definiert bekannt und das Ergebnis der Messung kann mit dem vordefiniert bekannten Strom verglichen werden. Insoweit kann für jeden Messbereich eine Kalibrierung vorgenommen werden, wobei die Messbereiche zueinander abgestimmt werden; eine Kontinuität der Messung, auch bei einem Wechsel von einem Messbereich zu einem Anderen, ist somit gewährleistet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kalibrierung in der Endabnahme nicht mehr notwendig. Es wird eine Gleichstromquelle integriert. Diese Gleichstromquelle wird regelmäßig und kontinuierlich, wenn das zu überwachende Bauteil bzw. die Baugruppe nicht in Betrieb ist, anstelle dieser in den Stromlaufpfad geschaltet. Wie bereits eingangs beschrieben, kann somit, soweit der Strom, welcher von der Konstantstromquelle erzeugt wird, weitgehend genau bekannt ist, dieser zur Kalibrierung verwendet werden. Vorteilhaft erweist sich insbesondere, dass die altersbedingte .Bauteildrift dann miterfasst wird und ausgeglichen wird. Führt man die Messung nunmehr für alle Messbereiche durch, so kann eine Kalibrierung eines jeden Messbereichs erfolgen. Die Messung ist somit stets korrekt und kann nachjustiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestattung der Erfindung ist es nicht mehr notwendig den exakten Wert der Gleichstromquelle zu kennen, da vielmehr nun nur ein Faktor zwischen denn einzelnen Messbereichen ermitteln wird. Hierzu wird die Gleichstromquelle zur Messung auf die Messvorrichtung geschaltet, anschließend werden die einzelnen Messbereiche durchgeschaltet und der fließende Konstantstrom wird in jedem Messbereich gemessen, das heißt eine Messung wird für jeden Messbereich, jeweils mit dem konstanten Gleichstrom durchgeführt. Anschließend werden die einzelnen Messergebnisse miteinander korreliert, das heißt aus dem Verhältnis der Messergebnisse wird ein Korrelationsfaktor ermittelt, beruhend auf der Tatsache, dass der gemessene Strom einen konstanten Wert hatte, während der Messungen. Es kann somit ausgehend vom ersten Messbereich jeder weitere Messbereich auf den ersten Messbereich abgestimmt werden. Anhand des Verhältnisses der Messwerte der einzelnen Messbereiche wird jeweils ein Faktor für das Verhältnis der Messbereiche zueinander ermittelt. Da der Gleichstrom für alle Messbereiche gleich groß ist, kann der Korrelationsfaktor für alle Messbereiche zueinander oder jeweils zum ersten Messbereich exakt errechnet bzw. bestimmt werden.

In vorteilhafter weise wird zum Einbringen eines Gleichstromes ein Widerstand, der von einem Transistor geschaltet wird oder direkt von einem Prozessorport angesteuert wird, verwendet; es kann aber auch der Strom, der direkt von einem Port des Prozessors geliefert wird, verwendet werden. Weiterhin kann ein Abgleich in der Fertigung des ersten Messbereichs unterbleiben, wenn der eingeprägte Gleichstrom der Konstantstromquelle auf der Baugruppe absolut gesehen genau genug ist.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels gemäß der beigefügten Figur beschrieben.

Die Figur zeigt einen A/D-Wandler 1 , einen Umschaltverstärker 2, eine Strommesseinheit 3, eine Baugruppe 4, eine Gleichstromquelle 5, eine Mikro- Computereinheit 6, sowie die Schalter S1 und S2 und die für die Baugruppe 5 vorhandene Versorgungsspannung U.

Mittels der Strommesseinheit 3 soll der in die Baugruppe 4 fließende, bzw. von der Baugruppe aufgenommene Strom ermittelt werden. Die Strommesseinheit 3 ist daher insbesondere als Shunt ausgebildet, mittels welchen der Stromfluss ermittelt werden kann.

Im Normalbetrieb sind die Schalter S1 und S2, wobei die Schalter S1 und S2 über die Mikro-Computereinheit 6 schaltbar sind, derart angeordnet, dass die Baugruppe 4 an der Versorgungsspannung LJ anliegt und über diese mit Energie versorgt wird. Die Mikro-Computereinheit 6 verfügt über zwei Steuerleitungen St2, St3, mittels derer sie die Schalter S2 und S1 schaltet. Da die Schalter S1 und S2 stets synchron zu schalten sind, kann eine der Steuerleitungen St2, St3 auch entfallen und die Schalter S1 , S2 werden nur über eine Steuerleitung angesteuert. In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Schalter S1 , S2 als Transistoren . ausgeführt, insbesondere als Schalttransistoren.

Die Baugruppe 4 ist beispielsweise eine Fensterhebergruppe, das heißt sie weist insbesondere einen Gleichstrommotor auf, der ein elektrisch zu betätigenden Elements, beispielsweise ein elektrisch betätigbares Fenster, oder auch einen Sitz, in einem Kraftfahrzeug bewegt. Die Mikro-Computereinheit 6 oder eine entsprechende Auswerteinheit ermittelt anhand des in die Baugruppe 4 fließenden Stromes, insbesondere anhand der Stromrippel die jeweilige Positionierung des Fensters. Hierzu wird über die Strommesseinheit 3 der jeweilige Strom, das heißt die Stromaufnahme der Baugruppe 4, ermittelt. Hierzu werden die Messwerte, welche die Strommesseinheit 3 ermittelt, über den Umschaltverstärker 2 an den A/D-Wandler 1 geführt. Die Daten des A/D- Wandlers 1 ließt die Mikro-Computereinheit 6 aus und verarbeitet diese weiter. Anhand dieser Daten ermittelt die Mikro-Computereinheit 6 den Stromverlauf über die Zeit und kaηn über einen so genannten Rippel-Counter die Stellung des elektrisch betätigbaren Fensters ermitteln. Bei dem A/D-Wandler 1 handelt es sich um einen handelsüblichen acht oder zehn Bit A/D-Wandler. Es tritt aber das Problem auftritt, dass die Genauigkeit eines 8 Bit A/D-Wandlers auf 256 Stufen Auflösung oder eine 10 Bit A/D-Wandlers auf 1024 Stufen Auflösung

beschränkt ist. Da jedoch eine möglichst hohe Auflösung des gemessenen Stromes und der Stromänderung in einem kleineren Bereich erfasst werden soll, ist es vorteilhaft, den A/D-Wandler 1 stets mit seiner maximalen Auflösung anzusteuern. Dies wird dadurch erreicht, dass über den Umschaltverstärker 2 Messbereiche vorgegeben werden. Bei der überwachung des Einklemmschutzes für einen Fensterheber oder ein elektrisch zu bewegendes Bauteil in einem Kraftfahrzeug liegt der Strom in einer Größenordnung von 0 bis ca. 40 A. Es hat sich somit als vorteilhaft erwiesen, mindestens zwei Messbereiche, beispielsweise jeweils für einen ersten Bereich 1 von 0 bis 25 A und einen zweiten bereich von 20 bis 40 A zu verwenden. Je nachdem in welchem Bereich sich die Werte des Stromes befinden, steuert die Mikro- Computereinheit 6 den Umschaltverstärker 2 derart an, dass Messbereich der gewechselt so wird, dass der A/D-Wandler 1 stets mit optimaler Auflösung arbeitet. Daher handelt es sich bei dem Umschaltverstärker 2 um einen steuerbaren Umschaitverstärker, wobei diverse Messbereiche vordefinierbar sind. Die Steuerung des Umschaltverstärkers 2 erfolgt durch die Mikro- Computereinheit 6 über die Steuerleitung St1. Die Umschaltung erfolgt anhand einer vorgebbaren Hysterese.

Da das Ergebnis der Messung des zu messenden Stroms für jeden der umschaltbaren Messbereiche zum vorherigen Messbereich kontinuierlich und gleichbleibend erfolgen muss, muss gewährleistet bleiben, dass auch bei Messbereichumschaltung der gemessene Stromwert nicht durch die Umschaltung des Messbereichs unrichtig bestimmt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass für jeden einzelnen Messbereich eine Kalibrierung der Messanordnung vorgenommen wird. Vorzugsweise wird die Kalibrierung zunächst für einen Messbereich am Abschluss der Fertigung vorgenommen. Es wird ein definierter eingeprägter Strom durch die Messeinrichtung 3 geleitet und das Ergebnis mit dem eingeprägten Strom verglichen und ein Korrekturfaktor errechnet, mittels welchem dann der exakte Strom festgelegt wird. Anschließend wird selbige Prozedur für jeden weiteren Messbereich vorgenommen.

Um diesen Prozess zu automatisieren, wird eine Gleichstromquelle 5, welche über die Schalter S1 und S2 anstelle der Baugruppe 4 in die Anordnung geschaltet werden kann, vorgesehen. Diese Gleichstromquelle 5 liefert einen definierten konstanten Strom bekannter Größe. Dieser wird durch die Strommesseinheit 3 geleitet und das Ergebnis über die Mikro-Computereinheit 6 verglichen und die Messwerte entsprechend oben beschriebener Vorgehensweise angepasst.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gleichstromquelle 5 in die Baugruppe 4 oder die Messvorrichtung 1 , 2, 3 integriert. In vorteilhafter Weise kann diese durch einen Widerstand, welcher an einem Port der Mikro-Computereinheit 6 angeschlossen ist, oder der Strom, der durch den Port selbst ausgegeben wird, hierzu verwendet. Es kann aber auch die Spannungsversorgung U und ein Widerstand als Gleichstromquelle verwendet werden; in diesem Fall muss aber gewährleistet sein, dass die Spannungsversorgung U konstant ist. Es kann aber auch ein Spannungsteiler hierzu verwendet werden. Die Kalibrierung muss nunmehr nicht mehr während der Fertigung vorgenommen werden, sondern kann jederzeit während des Betriebes erfolgen. Hierzu wird insbesondere ein Zeitpunkt ausgewählt, in welchem die Baugruppe 4 nicht in Betrieb ist. Erkennt die Mikro- Computereinheit 6, dass die Baugruppe 4 nicht in Betrieb ist, so schaltet sie zu festen Zeitenzyklen die Schalter S1 und S2 derart um, dass anstelle der Baugruppe 4 die Gleichstromquelle 5 an der Strommesseinheit 3 anliegt und misst die dann vorliegenden Werte und vergleicht diese mit dem eingeprägten Strom. Anschließend wird über sämtliche Messbereiche die Messung vorgenommen und die Mikro-Computereinheit 6 ermittelt die Verhältnisse der einzelnen Messbereiche und deren Ergebnisse zueinander und kann hier einen Korrelationsfaktor ermitteln, anhand welchem Korrekturen der jeweiligen Messbereiche bei den Messungen erfolgen bzw. von der Mikro- Computereinheit 6 vorgenommen werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Mikro-Computereinheit 6 als Mikro-Controller oder als Mikroprozessor ausgestaltet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Messbereich bzw. die Messbereiche der Strommesseinrichtung 4 abgeglichen wobei zunächst ein erster Messbereich der Strommesseinrichtung 3 abgeglichen wird. Nach dem ^' Abgleich des ersten Messbereichs der Strommesseinrichtung 3 der Stromfiuss in die Baugruppe 4 mit dem abgeglichenen Messbereich der Strommesseinrichtύng 3 gemessen und anschließend wird auf einen anderen nicht abgeglichener Messbereich der Strommesseinrichtung 3 umgeschaltet. Der in die Baugruppe 4 fließende Strom wird nunmehr mit diesem zweiten nicht abgeglichenen Messbereich bestimmt. Das Ergebnis der Messungen wird ins Verhältnis gesetzt und aus diesem Verhältnis wird ein Korrelationsfaktor bestimmt, welcher das Verhältnis der Verstärkung zwischen beiden Messbereichen angibt. Anschließend wird mit allen weiteren vorhandenen Messbereichen ebenso verfahren.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Abgleich des ersten Messbereichs der Strommesseinrichtung 3 fertigungsseitig vorgenommen. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Abgleich des ersten Messbereichs der Strommesseinrichtung 3 bei einem definierten Betriebszustand der Baugruppe 4, wobei vorteilhafterweise die Baugruppe 4 ein Elektromotor ist. Bei diesem Abgleich wird der Stromfiuss in die Baugruppe 4 bei einem definierten Betriebszustand der Baugruppe 4 vorgenommen, so zum Beispiel beim der Leerlauf, Gleichlauf, Anlaufstart, der Freilaufphase oder dem Blockzustand eines Elektromotors.

Außerdem ist es vorteilhaft vor der Zuleitung des zu messenden Stromes zur Strommesseinrichtung 3 diesen über einen Tiefpass zu filtern.