Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie einen eigensicheren Sensor darstellt, der, ohne den Sensor zu verstimmen und damit die Meßfunktion zu beein- flussen, ständig einen Selbsttest durchführt und so Stö- rungen in der Mechanik und/oder Elektronik erkennt. Dabei ist keine externe Triggerung und keine externe zusätzliche Beschaltung erforderlich ; es ist ein Drei-Pin-Anschluß (Spannungsversorgung + Signalausgang) realisierbar. Dadurch ist auch eine Abwärtskompatibilität zu bereits bestehenden

Sensoren ohne Selbsttesteinrichtung gegeben, die einen solchen Anschluß aufweisen und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise ersetzt werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er- läutert. Es zeigen : Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, Figur 2 die Frequenzverhältnisse im ersten Ausführungsbei- spiel, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und Figur 4 die Frequenzverhältnisse im zweiten Ausführungsbei- spiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt eine Meß-und Auswerteeinheit 10 mit einem Meßeingang 9 und einem Ausgang 11. Eine Selbsttesteinrich- tung 15 steht mit der Meß-und Auswerteeinheit 10 in elek- trischer Verbindung. Die Meß-und Auswerteeinheit 10 weist ein Meßelement 1 auf, das mit dem Eingang 9 über einen Sum- mationspunkt 3 in Verbindung steht. Das Meßelement 1 weist eine Sensorübertragungsfunktion 2 auf, die den Wert K1 be- sitzt. Der Ausgang des Meßelements ist mit einer Auswerte- schaltung 4 mit einer Auswerteübertragungsfunktion K2 ver-

bunden. Der Ausgang der Auswerteschaltung 4 wiederum ist elektrisch mit einem Verstärker 5 verbunden, der die Ver- stärkung Kout und eine obere Grenzfrequenz f2 aufweist. Der Ausgang des Verstärkers 5 ist mit dem Ausgang 11 verbunden.

Die Selbsttesteinrichtung 15 weist ein als Synchrondemodula- tor 6 ausgestaltetes frequenzselektives Nachweismittel auf, das mit dem Ausgang 11 verbunden ist. Der synchrone Demodu- lator 6 weist einen Demodulator 7 und einen I-Regler 8 auf, wobei der I-Regler eine obere Grenzfrequenz fl hat. Ferner ist ein Oszillator 18 vorgesehen, der über einen Frequenz- untersetzer 19 ein Signal mit einer Testfrequenz ft in den Demodulator einspeist. Der Demodulator 7 liefert sein Aus- gangssignal an den I-Regler 8, der wiederum über eine Gegen- signalleitung 16 mit einer einen Fensterkomparator auf- weisenden Abschaltlogikschaltung 17 elektrisch verbunden ist. Die Abschaltlogikschaltung 17 wiederum steht mit dem Verstärker 5 der Meß-und Auswerteeinheit 10 in elektrischer Verbindung. Der Ausgang des Synchrondemodulators ist neben der Abschaltlogikschaltung 17 mit einem elektrostatischen Spannungs-Kraft-Wandler 12 verbunden. Der Spannungskraft- wandler 12 liefert ein Kompensationssignal an den Summa- tionspunkt 3. Im Ausführungsbeispiel ist dabei das Meßele- ment beispielsweise ein Beschleunigungssensor, an dessen Eingang 9 die einer zu messenden Beschleunigung proportio- nale Trägheitskraft anliegt. Die Selbsttesteinrichtung 15 weist einen in Figur 1 nicht eingezeichneten Testamplituden- generator auf, der eine Testamplitude 14 an einen elektro- statischen Testspannungs-Kraft-Wandler 13 weitergibt, der eine Testspannung in den Summationspunkt 3 einspeist. Die Signalfrequenz beziehen der Spannungskraftwandler 12 und der Testspannungskraftwandler 13 vom Frequenzuntersetzer 19. Der Oszillator 18 liefert ein Signal mit einer Oszillatorfre- quenz fosz an die Auswerteschaltung 4, den Spannungskraft- wandler 12 und an den Testspannungskraftwandler 13.

Das als kapazitiver Beschleunigungssensor ausgebildete Meß- element 1 erfaßt über eine Ablenkung eines beweglichen Ele- ments des Meßelements eine einer Beschleunigung proportiona- len Trägheitskraft. Das Einwirken der Trägkeitskraft auf das Meßelement 1 ist dabei durch den Eingang 9 in Figur 1 darge- stellt. Der Wert K1 der Sensorübertragungsfunktion ist der Quotient von Positionsänderung des beweglichen Elements und einwirkender Trägheitskraft. Die Positionsänderung des be- weglichen Elements wird in der Auswerteschaltung 4 ausge- wertet und in eine Spannungsänderung umgewandelt. Maß hier- für ist die Auswerteübertragungsfunktion K2, die proportio- nal ist zur Auslenkung des beweglichen Elements. Das beweg- liche Element ist dabei Teil zweier Kapazitäten, deren Kapa- zitätsänderung in Folge der Auslenkung des beweglichen Ele- ments in der Auswerteschaltung in ein Spannungssignal umge- wandelt wird. Die Auswertung erfolgt dabei in einer ersten Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels in"Switched Capacitor"-Technik (SC-Technik) in einer"Sample and Hold" -Schaltung. Die Abtastfrequenz, mit der die Auswerteschal- tung die Kapazitätsänderung"abfragt", ist dabei beispiels- weise der vierte Bruchteil der Oszillatorfrequenz des Oszillators 18. Das Spannungssignal der Auswerteschaltung 4 wird in einem nachfolgenden Verstärker 5 mit der Verstärkung Kout verstärkt ; das verstärkte Spannungssignal ist am Aus- gang 11 abgreifbar. Die Oszillatorfrequenz beträgt bei- spielsweise 200 KHz, die Abtastfrequenz fa dementsprechend 50 KHz. Ein Frequenzstrahl mit den für die Vorrichtung gemäß Figur 1 relevanten Frequenzwerten ist in Figur 2 darge- stellt. Die zu messenden Beschleunigungswerte bewegen sich dabei beispielsweise in einem Frequenzbereich von O bis 50Hz, wobei mit fn in Figur 2 die maximale Nutzfrequenz sym- bolisiert ist, also die maximale Frequenz solcher Änderungen der Beschleunigung im zeitlichen Verlauf, die mit dem Meß- element noch nachgewiesen werden sollen. Die Meß-und Aus- werteeinheit 10 stellt eine offene Schleife dar, da zur Aus-

wertung des zu messenden Beschleunigungssignals keine Rück- koppelung in der Abfolge von Meßelement über Auswerte- schaltung zum Verstärker hin vorgesehen ist. Die obere Grenzfrequenz f2 des Verstärkers 5 muß dabei größer sein als die maximale Nutzfrequenz fn (siehe Figur 2, in der die Fre- quenzverhältnisse 28 in der offenen Schleifenanordnung dar- gestellt sind). f2 muß auch größer sein als eine Testfre- quenz ft, die beispielsweise 400 Hz beträgt und somit wiederum größer ist als die maximale Nutzfrequenz fn. Die 3 dB-Eckfrequenz des Meßelements liegt dabei beispielsweise über der oberen Grenzfrequenz des Verstärkers 5 (siehe Figur 2, wo für die 3 dB-Eckfrequenz fdB als Beispiel ein Wert von 1 KHz angegeben ist, der rechts von der oberen Grenzfrequenz f2 eingetragen ist). Die Testfrequenz ft ist hierbei die Frequenz des Testsignales, das mit dem elektrostatischen Testspannungskraftwandler 13 der Meßgröße überlagert wird.

Der Testamplitudengenerator liefert eine Testamplitude, die der Testspannungskraftwandler dazu verwendet, ein Test- spannungssignal mit der Testfrequenz, die größer ist als die maximale Nutzfrequenz, der Meßgröße zu überlagern, indem der Meßgröße, also der Trägkeitskraft, eine zusätzliche Kraft überlagert wird. Da die obere Grenzfrequenz f2 des Ver- stärkers 5 größer ist als die Testfrequenz, wird das in ein Spannungssignal umgewandeltes Testsignal vom Verstärker 5 durchgelassen und kann vom Synchrondemulator 6 nachgewiesen werden. Der Demodulator 7 demoduliert das Ausgangssignal des Verstärkers 5 frequenzselektiv bei der Testfrequenz ft. Der I-Regler wirkt als Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz fl. Sein Ausgangssignal ist ein Spannungssignal das zur Ansteuerung des elektrostatischen Spannungskraftwandlers 12 dient.

Dieser Spannungskraftwandler 12 überlagert der Meßgröße ein Kompensationssignal, um das-wie zuvor beschrieben-einge- speiste Testsignal zu kompensieren. Der Spannungskraft- wandler 12 wie Testspannungskraftwandler 13 sind dabei als Schaltungsteile realisiert, die an vorgesehenen Elektroden

des kapazitiven Beschleunigungssensors anliegen, um ent- sprechend der Spannungssignale eine geeignete Auslenkung bzw. Kompensationsauslenkung des beweglichen Elements des kapazitiven Beschleunigungssensors zu bewirken. Ist die Meß- und Auswerteeinheit 10 in Ordnung, so wird das Testssignal vollständig durch das Kompensationssignal kompensiert und am Ausgang des I-Reglers 8 liegt eine Gleichspannung an, die der Testamplitude 14 entspricht. Ist die Meß-und Auswerte- einheit 10 nicht in Ordnung, sei es, weil das mechanische Meßelement beschädigt ist oder weil die Elektronik nicht ordnungsgemäß funktioniert, so verstärkt sich am Ausgang 11 die Signalkomponente mit der Testfrequenz ft. Diese Ver- stärkung erfolgt über die durch den Synchrondemodulator 6 und den Spannungskraftwandler 12 gebildete Schleife, die eine Gegenkopplungsschleife für Testfrequenzsignalkompo- nenten zur offenen Schleife der Meß-und Auswerteeinheit 10 darstellt. Da der I-Regler 8 als Integrator wirkt, inte- griert er eine über eine längere Zeit anstehende Signalamplitude mit der Testfrequenz ft am Ausgang 11, am Ausgang des I-Reglers 8 liegt in diesem Falle also ein Ex- tremwert (maximaler oder minimaler Spannungswert) an, der über die Gegensignalleitung 16 die Abschaltlogikschaltung ansteuert. Ein zur Abschaltlogikschaltung 17 gehöriger Fensterkomperator registriert, daß der Spannungswert der Ge- gensignalleitung nicht in einem gewissen Fenster liegt, was bedeutet, daß die Meß-und Auswerteeinheit 10 nicht ordnungsgemäß funktioniert. Dementsprechend schaltet die Ab- schaltlogikschaltung 17 den Verstärker 5 ab oder belegt über die elektrische Verbindung zwischen Abschaltlogikschaltung 17 und Verstärker 5 den Ausgang 11 der Meß-und Auswerteein- heit 10 mit einem fest definierten Spannungswert der von ex- terner Elektronik, die am Ausgang 11 angeschlossen ist, als Fehlersignal erkannt wird. Funktioniert die Meß-und Aus- werteeinheit 10 ordnungsgemäß, so liegt am Ausgang des I- Reglers ein Spannuungswert an, der der vom Testamplitudenge-

nerator erzeugten Testamplitude 14 entspricht. Dement- sprechend ist der Fensterkomperator der Abschaltlogikschal- tung 17 so ausgestaltet, daß er eine Fehlfunktion der Meß- und Auswerteeinheit 10 erkennt, sobald der am Ausgang des I- Reglers anliegende Spannungswert nicht innerhalb eines Wertebereichs um die Testamplitude 14 herum liegt, die durch den Fensterkomperator definiert ist. Die Grenzfrequenz fl des I-Reglers 8, auch Robustheitsfrequenz genannt, definiert die Robustheit des durch die offene Schleife der Meß-und Auswerteeinheit 10 und die Rückkopplungsschleife gebildeten Selbsttestregelkreises hinsichtlich bei der Testfrequenz ft auftretenden Nutzsignale. Denn der I-Regler 8 läßt in inte- grativer Weise lediglich Spannungsanteile durch, die mit der Testfrequenz am Ausgang 11 auftreten. Die Grenzfrequenz fl ist dabei möglichst klein, um ein Aufintegrieren von Be- schleunigungskraftsignalkomponenten mit der Testfrequenz auszuschließen. Bei gegebener kleiner Grenzfrequenz fl (O < fl < fn) ist dann ein solches Aufintegrieren ausge- schlossen, da die üblicherweise zu messenden Beschleuni- gungskräfte innerhalb des durch die maximale Nutzfrequenz fn gegebenen Nutzbandes liegen und so in keinem Falle Be- schleunigungskräfte mit 400Hz-Signalkomponenten am Meßele- ment lange genug anliegen und auch groß genug sind, um sich am Ausgang des I-Reglers 8 bemerkbar zu machen. Aus den obigen Ausführungen ergibt sich also, daß der durch die Selbsttesteinrichtung 15 durchgeführte Selbsttest dem Ori- ginalbetrieb, der durch die durch die offene Schleife der Meß-und Auswerteeinheit durchgeführte Meßwertaufnahme de- finiert ist, überlagert ist und auf die Meßwertaufnahme keine Auswirkung hat, da die Frequenzkomponenten der zu messenden Größe im interessierenden Frequenzbereich, der durch die maximale Nutzfrequenz fn gegeben ist, unterhalb der Testfrequenz ft liegen und das Testsignal durch den Selbsttestregelkreis kompensiert wird. Es handelt sich also um eine frequenzselektive Überwachungsmethode ohne Beein-

flussung der Funktion der Meß-und Auswerteeinheit und ohne externe Triggerung. Am Sensorausgang 11 liegt bis auf eine sehr kleine Regelabweichung kein Testsignal mehr an, d. h. nach außen hin ist der Selbsttest nicht sichtbar. Lediglich im Falle einer Fehlfunktion wird der Ausgang 11 mit einem definierten Spannungspegel belegt. Die Auswertung der Kapa- zitätsänderung durch die Auswerteschaltung und das Auf- bringen von elektrostatischen Kräften über den Spannungs- bzw. Testspannungskraftwandler 12 bzw. 13 erfolgt im Zeit- multiplexverfahren, d. h. es wird die Tatsache ausgenutzt, daß das mechanische Meßelement träge ist im Vergleich zur Zeitperiode, die der Abtastfrequenz entspricht. Bedingung für das Zeitmultiplexverfahren ist, daß die Abtastfrequenz fa, die beispielsweise den vierten Bruchteil, also 50 KHz, der Oszillatorfrequenz fosz beträgt, groß ist im Vergleich zur 3 dB-Eckfrequenz des Meßelements. Die 3 dB-Eckfrequenz des Meßelements legt dabei den Frequenzbereich von Signal- komponenten fest, die zuverlässig gemessen werden können (im Ausführungsbeispiel also beispielsweise Beschleunigungs- kraftkomponenten mit Frequenzen bis zu 1 KHz). Der Oszilla- tor 18, der über einen Frequenzuntersetzer 19 ein Signal mit der Testfrequnez liefert, das im Demodulator 7 zur Demo- dulation und in den Spannungs-bzw. Testspannungkraftwandlern zur Erzeugung eines Test-bzw. Kompensationssignals ver- wendet wird, triggert überdies die Auswerteschaltung 4 sowie die Spannungskraftwandler 12 und 13 an. In einem ersten Zeitpunkt wird der Testspannungskraftwandler 13 an- getriggert, in einem zweiten Zeitpunkt die Auswerte- schaltung 4 und in einem dritten Schritt das Anlegen eines Kompensationssignals durch den Spannungskraftwandler 12. Die Meßwertabfrage, also das Ansteuern der Auswerteschaltung 4 durch den Oszillator 18, erfolgt mit der genannten Ab- tastfrequenz, also beispielsweise 50 KHz. Dadurch, daß die Abtastfrequenz groß ist im Vergleich zur 3dB-Eckfrequenz des Meßelements, kann die reguläre Meßwertaufnahme unmittelbar

nach Anlegen eines Testsignales erfolgen,"obwohl"der Ver- stärker 5 Signalkomponenten mit der Testfrequenz nicht her- ausfiltert, denn das Meßelement ist zu träge, um im Takt der Abtastfrequenz auf ein angelegtes Testsignal zu reagieren.

Erst über viele Perioden der Abtastfrequenz hinweg zeigt sich am Ausgang 11 ein eventuell eingetretener annomaler Be- triebszustand, also eine wesentlich von Null verschiedene Signalkomponente mit der Testfrequenz. Alternativ zum Zeit- multiplexauswerteverfahren ist auch ein trägerfrequentes Auswerteverfahren einsetzbar. In diesem Falle entfällt in der Figur 1 die Verbindung zwischen dem Oszillator 18 und den Testspannungs-bzw. Spannungskraftwandlern 13 bzw. 12.

Die Verbindung zwischen Oszillator 18 und Auswertschaltung 4 bleibt bestehen, da in diesem Falle, also der zweiten Aus- führungsform des ersten Ausführungsbeispiels der Oszillator für die Auswerteschaltung 4 die Trägerfrequenz liefert, auf die das Nutzsignal aufmoduliert wird (Amplitudenmodulation).

In diesem Falle können Auswertung und Testsignal gleich- zeitig erfolgen,"obwohl"die Testsignalapplikation und Meß- wertabgriff durch den Testspannungswandler 13 bzw. die Aus- werteschaltung 4 am selben Abgriff des beweglichen Elements des mechanischen Meßelements erfolgen, da in Folge der trä- gerfrequenten Auswertung Testsignalapplikationen und Aus- wertung sich nicht gegenseitig beeinflussen. Dabei ist zu beachten, daß in der Figur 1 der Summationspunkt schematisch die Überlagerung von physikalischer Meßgröße, Testsignal und Kompensationssignal darstellt. Schaltungstechnisch ist die Testsignal-sowie die Kompensationssignalapplikation und Auswertung über die gleichen Anschlüsse an das mechanische Meßelement 1 realisiert.

Der Synchrondemodulator 6 kann durch einen Bandpaß mit nach- geschalteter Amplitudenauswertung ersetzt werden, wobei die Bandpaßfrequenz gleich der Testfrequenz ist.

In vorteilhafter Weise können Auswerteschaltung 4, Ver- stärker 5, Selbttesteinrichtung 15 und Oszillator 18 auf einem Chip integriert werden. Das Ausführungsbeispiel ist auch nicht auf Trägkeitskraft bzw. Beschleunigungsmessungen beschränkt, sondern allgemein auf zeitabhängige Meßgrößen anwendbar. Dementsprechend müssen die Wandler 12 bzw. 13 entsprechend ausgestaltet sein, um eine geeignete Spannungs- wandlung zu bewirken.

Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Meß-und Auswerteeinheit 10 mit einer entsprechend modifizierten Selbsttesteinrichtung 15. Die Meß-und Auswerteeinheit 10 stellt in diesem zweiten Ausführungsbeispiel dabei eine ge- schlossene Schleife dar, im Gegensatz zur offenen Schleife des ersten Ausführungsbeispiels nach Figur 1. Gleiche oder ähnliche Schaltungsteile sind mit gleichem Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben. Die Aus- werteschaltung 4 ist mit einem Pulsweitenmodulator 34 ver- bunden, der einen elektrostatischen Signalspannungs-Kraft- wandler 35 (Signalwandlerfunktion Kr) ansteuert. Dieser Signalspannungkraftwandler wiederum übt am Summationspunkt 3 zeitgleich mit der externen Trägheitskraft eine Kraft auf das mechanische Meßelement 1 aus. Durch die geschlossene Schaltungsanordnung von mechanischem Meßelement 1, Auswerte- schaltung 4, Pulsweitenmodulator 34 und Signalspannungs- kraftwandler 35 ist eine geschlossene Schleifenanordnung ge- geben. Das der am Eingang anliegenden physikalischen Meß- größe, also bzw. der Trägkeitskraft proportionales Nutz- signal wird am Ausgang des Pulsweitenmodulators 34 abge- griffen und nach Verstärkung im Verstärker 5 am Ausgang 11 ausgegeben.

Bis auf eine kleine Regelabweichung bleibt das mechanische bewegliche Element eines als Beschleunigungssensor ausge- bildeten Meßelements 1 immer in der gleichen Lage, die elek-

trische Größe zur Kompensation der Auslenkung des mecha- nischen Elements in Folge der einwirkenden Trägheitskraft ist dabei zugleich das elektrische Signal, das am Ausgang 11 abgegriffen werden kann und der Trägkeitskraft proportional ist. Der Pulsweitenmodulator steuert den Signalspannungs- Kraft-Wandler mit einem Signal mit der Frequenz des Oszilla- tors 18 an, also beispielsweise 200 KHz. Die Pulsweite dieses Signals wird mit dem Ausgangssignal der Auswerte- schaltung 4 variiert. Die Oszillatorfrequenz ist hierbei ebenfalls groß gegen alle übrigen charakteristischen Fre- quenzen der Anordnung nach Figur 3 (vgl. Figur 4, in der die Frequenzverhältnisse 29 in der geschlossenen Schleifenan- ordnung dargestellt sind). Im Vergleich zur Figur 1 ist im zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ein weiterer Summa- tionspunkt 36 vorgesehen, der zwischen dem Ausgang des Meß- elements 1 und dem Eingang der Auswerteschaltung 4 ange- ordnet ist. Die Sensorübertragungsfunktion 2 hat in diesem Ausführungsbeispiel einen Wert K1, der dem Quotienten von resultierender Ausgangsspannung des Meßelements 1 und zuge- höriger physikalischer Meßgröße, beispielsweise einer Be- schleunigung, entspricht. Im Normalbetrieb, also wenn alle Schaltungsbestandteile in Ordnung sind, wird auch dieses Testsignal durch diese geschlossene Schleifenanordnung aus- geregelt, genauso wie das Nutzsignal, das im Gegensatz zum Testsignal, das eine Testfrequenz von beispielsweise 1 KHz aufweist, lediglich interessierende Frequenzen von O bis beispielsweise 50 Hz als maximale Nutzfrequenz fn aufweist (Figur 4). Am Ausgang 11 der Meß-und Auswerteeinheit 10 liegt nur eine Spannung an, die proportional ist zur zu messenden physikalischen Größe, da der den Ausgang 11 vorge- schaltete Verstärker 5 eine Grenzfrequenz f2 aufweist, die der maximalen Nutzfrequenz fn entspricht (Figur 4) ; d. h. am Ausgang des Pulsweitenmodulators anliegende Signalkompo- nenten mit der Testfrequenz ft werden herausgefiltert.

Zwischen Meßelement 1 und Summationspunkt 36 greift der De-

modulator 7 die am Ausgang des Meßelements anliegende Span- nung ab. Im Normalbetrieb wird diese Spannung dem invertierten Testsignal völlig entsprechen, so daß am Ausgang des Summierers 36 kein Signal mit der Testfrequenz anliegt. Der synchrone Demodulator 6 steuert in diesem Falle die Abschaltlogikschaltung 17 nicht an, der Ausgang 11 ist freigeschaltet und liefert zur Meßgröße proportionale Spannungssignale. Wenn jedoch die Schleifenanordnung aufgetrennt ist oder das Meßelement mechanisch beschädigt ist oder ein sonstiger elektronischer Bestandteil der Meß- und Auswerteschaltung 10 funktionsuntüchtig ist, ist die Signalkomponente am Ausgang des mechanischen Meßelements 1 mit der Testfrequenz von der Testamplitude verschieden, der Synchrondemodulator weist dies über einen am Ausgang des Tiefpaß-Filters 8 anliegendes vom Testsignal verschiedenen Signal nach, und sofern dieser Wert außerhalb eines bestimmte Toleranzbereichs liegt, wird über die Abschaltlogikschaltung 17 der Verstärker 5"abgeschaltet", indem der Ausgang 11 mit einem festen Spannungspegel belegt wird.