Dispositivo y método para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos.

Dispositivo para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos en donde un controlador

(3) conectado a una red de capacitancias (1), y a un circuito interfaz (2) conectado a un sensor analógico (21), y en donde dicha red de capacitancias (1): está conectada a dicho circuito interfaz (2) conectado al sensor analógico (21); comprende al menos dos condensadores eléctricos (11) de valor conocido, en donde la relación de la capacitancia entre al menos dos de dichos condensadores eléctricos (11) es de al menos 10:1. Dicho dispositivo es aplicable a la medida de tensiones eléctricas de sensores analógicos basados en un cambio de capacitancia, resistencia eléctrica o de inductancia, o que generen directamente una corriente eléctrica o una tensión. La invención también comprende el método de medida asociado.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201431631.

Solicitante: SEAT, S.A..

Inventor/es: PALLAS ARENY,RAMON, GAITÁN PITRE,Jorge Eliécer.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES... > Detalles o disposiciones de aparatos de los tipos... > G01R1/30 (Combinación estructural de aparatos de medida eléctricos con circuitos electrónicos fundamentales, p. ej. con amplificadores)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES... > Dispositivos para realizar medidas que implican una... > G01R17/02 (Dispositivos en los que el valor a medir está automáticamente comparado con un valor de referencia)
google+ twitter facebookPin it
Dispositivo y método para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo y método para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente solicitud de patente tiene por objeto un dispositivo y método para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos según las reivindicaciones 1 y 11, que incorpora notables innovaciones y ventajas. 10

La presente invención se refiere, en general, a los sistemas de medida de sensores analógicos, incluidos aquellos que generan directamente una corriente o una tensión eléctrica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La señal de salida de los sensores analógicos suele ser una tensión eléctrica de baja amplitud generada por el sensor, o por un circuito de interfaz que incorpora uno o más 20 sensores y, si es necesario, una o más fuentes de tensión o de corriente eléctrica. Los métodos propuestos en el estado de la técnica para medir dicha tensión o corriente de salida de los sensores analógicos, o de sus circuitos de interfaz, son numerosos y actualmente todos persiguen la obtención de una salida digital, que se puede conseguir de forma directa o indirecta. 25

La obtención directa de una salida digital a partir de la tensión generada por el sensor, o por el circuito de interfaz al que se conecta el sensor para obtener una tensión analógica de salida, se consigue mediante un convertidor de tensión analógica a digital (convertidor A/D o CAD) , que puede ser un circuito integrado específico, o un circuito embebido en otro circuito 30 multifuncional, tal como un controlador digital. La salida de dicho convertidor analógico-digital es procesada digitalmente para extraer la información deseada, o bien para tomar una decisión. Para adaptar la señal de salida del sensor, o de su circuito de interfaz al rango de amplitudes de entrada del convertidor A/D, se añade un circuito acondicionador de señal que incluye al menos un componente capaz de amplificar tensiones o corrientes. 35

Los circuitos de interfaz para sensores resistivos suelen estar basados en divisores de tensión, por ejemplo cuando el cambio de resistencia relativo a su valor inicial es grande, o en circuitos derivados del divisor de tensión, por ejemplo cuando el cambio de resistencia relativo a su valor inicial es pequeño. Los puentes Wheatstone y los seudopuentes de 5 continua, tales como los descritos, por ejemplo, en la patente US3130578 y en las solicitudes de patente EP1397654 y US20130249574, pueden considerarse circuitos de interfaz derivados del divisor de tensión.

Los circuitos de interfaz para sensores capacitivos o inductivos también pueden estar 10 basados en divisores de tensión, o bien consistir en puentes alimentados por una tensión alterna o en circuitos resonantes, tales como los descritos por ejemplo en la patente US2932970, y en la solicitud de patente US20130271158. Los sensores resistivos también pueden ser incorporados en circuitos resonantes.

Los sensores analógicos basados en una variación de resistencia, capacidad o inductancia pueden ser simples o diferenciales. En el primer caso se modelan como un único componente electrónico que cambia con la variable medida, mientras que los segundos se modelan como dos componentes electrónicos que tienen un nodo común, y en los que la variable medida provoca un cambio de la misma magnitud pero de sentido opuesto. 20

En general, los divisores de tensión pueden incluir un sensor simple o un sensor diferencial, mientras que los puentes (de continua o de alterna) pueden incluir uno, dos, tres o cuatro sensores de impedancia variable, o varios sensores conectados en combinaciones en serie y en paralelo, que se disponen en uno, dos, tres o cuatro brazos del puente. Los divisores 25 de tensión tienen como mínimo tres terminales de conexión con el circuito de acondicionamiento de señal que exige el convertidor A/D: se aplica una tensión de excitación entre dos terminales y se mide la tensión entre el tercer terminal y uno de los dos terminales anteriores. Los puentes de sensores, en cambio, tienen como mínimo cuatro terminales, que habitualmente se conectan por pares: a través de un par se excita el puente 30 mediante una tensión o corriente eléctrica, y con el otro par se detecta la tensión o corriente de salida.

Así, el método convencional para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos de forma directa es disponerlos en un circuito que obtenga una tensión eléctrica relacionada 35

con la magnitud detectada por el sensor, y digitalizar dicha tensión con un convertidor analógico-digital (CAD) .

Como alternativa, los sensores basados en una variación de resistencia o de capacidad, se pueden poner en un circuito que genere una señal cuya duración depende del valor de la 5 magnitud detectada por el sensor. Para tener una salida digital basta medir entonces la duración de aquella señal, para lo cual hace falta una señal de reloj, siendo entonces un proceso más económico que un convertidor analógico-digital (CAD) .

Los fabricantes de componentes para automoción ofrecen soluciones integradas para medir 10 parámetros físicos y químicos que incluyen un elemento sensor y los circuitos electrónicos necesarios para ofrecer una salida eléctrica normalizada (p.e. para un bus CAN) . Si la salida eléctrica no es normalizada, el sensor se conecta a una unidad de control propia (ECUs, centralitas) que suelen aceptar varios sensores. Un ejemplo serían los circuitos electrónicos que van conectados a un elemento sensor para medir el ángulo del volante. Hay sin 15 embargo en la actualidad en el automóvil muchos otros sensores que podrían beneficiarse con el desarrollo de la invención. Algunos de estos podrían ser:

1. Sensores de posición y ángulo de rotación. Se basan en el cambio de resistencia eléctrica de un potenciómetro angular o lineal, o en el cambio de resistencia eléctrica de una 20 magnetoresistencia. Se utilizan para medir por ejemplo: la posición del pedal del acelerador, el recorrido y posición de la suspensión, la posición de las válvulas de mariposa, y la posición del plato sonda en el sistema de inyección.

En las siguientes patentes se puede apreciar que muchos fabricantes siguen proponiendo 25 soluciones basadas en la estructura convencional de acondicionamiento y digitalización de la señal obtenida por el elemento sensor: "US844125282. Aparato de medición de ángulo de giro.", "DE102006032266A1. Componente sensor.", "DE60218016D1. Dirección asistida eléctrica.", y "DE102009032664A1. Pedal del acelerador para vehículos de motor:".

2. Sensores de presión absoluta y diferencial. Se basan en cambios de resistencia eléctrica debidos a una deformación mecánica. Se utilizan para medir presión del: combustible, líquido de frenos, aceite, y líquido refrigerante.

También para estos sensores, en las patentes de varios fabricantes se siguen proponiendo soluciones basadas en la estructura convencional de medida, descrita anteriormente.

Además, y según la exactitud y resolución deseadas, los circuitos acondicionadores de señal previos al convertidor A/D, y que se conectan al circuito de interfaz de los sensores, 5 pueden necesitar: transformadores de tensión; componentes activos, tales como amplificadores operacionales o de instrumentación, y comparadores de tensión; ajustes manuales o automáticos complejos.

Estos componentes y procedimientos encarecen el coste del producto final hasta un valor que puede ser excesivo para determinadas aplicaciones o campos de aplicación. 10

En síntesis, el análisis de la información existente hasta la fecha evidencia que los métodos actuales para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos adolecen de alguna de esta limitaciones: (a) la necesidad de un convertidor analógico-digital...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos que comprende un controlador (3) conectado a una red de capacitancias (1) , y a un circuito interfaz (2) conectado a un sensor analógico (21) , caracterizado porque dicha red de capacitancias (1) : 5

- está conectada a dicho circuito interfaz (2) conectado al sensor analógico (21) , - comprende al menos dos condensadores eléctricos (11) de valor conocido, en donde la relación de la capacitancia entre al menos dos de dichos condensadores eléctricos (11) es de como mínimo10:1.

2. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque el circuito interfaz (2) y la red de capacitancias (1) y el controlador (3) comprenden al menos un pin (12, 25, 33) de conexión (13, 26, 34) , y en donde el circuito interfaz (2) comprende al menos un circuito pasivo analógico (22) entre el pin (12, 25) que conecta dicho circuito interfaz (2) con la red de capacitancias (1) , y al menos uno de los pines (25, 33) que conectan dicho circuito 15 interfaz (2) con el controlador (3) .

3. Dispositivo según la reivindicación 2 caracterizado porque el al menos un circuito pasivo analógico (22) está compuesto de una pluralidad de componentes electrónicos pasivos (24) .

4. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque el circuito interfaz (2) comprende un puente de Wheatstone (23) en el que como mínimo uno de los componentes (23a) de cada uno de los brazos es el sensor analógico (21) , estando dicho puente de Wheatstone (23) conectado con una pluralidad de componentes electrónicos pasivos (24) .

5. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque el circuito interfaz (2) está alimentado desde al menos uno de los pines (33) de entrada/salida de dicho controlador (3) .

6. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque el controlador (3) comprende una memoria (31) con una pluralidad códigos (32) que corresponden a los distintos 30 intervalos de valores de la magnitud medida.

7. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque la red de capacitancias (1) comprende al menos una conexión (13) conmutable entre al menos dos condensadores eléctricos (11) de valores conocidos. 35

8. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque la relación de la capacitancia entre al menos dos de dichos condensadores eléctricos (11) es de como mínimo100:1.

9. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque la relación de la capacitancia 5 entre al menos dos de dichos condensadores eléctricos (11) es de como mínimo1.000:1.

10. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque la relación de la capacitancia entre al menos dos de dichos condensadores eléctricos (11) es de como mínimo10.000:1.

11. Método para medir magnitudes eléctricas de sensores analógicos según la reivindicación 1 que comprende las siguientes etapas:

a) generar una tensión en el sensor analógico (21) y/o en el circuito interfaz (2) al cual está conectado.

b) cargar con dicha tensión como mínimo un primer condensador eléctrico (11) de dicha red 15 de capacitancias (1) , a base de conmutar las conexiones entre el controlador (3) , la red de capacitancias (1) , y el sensor analógico (21) y/o el circuito interfaz (2) .

c) redistribuir la carga acumulada en dicho primer condensador eléctrico (11) en como mínimo un segundo condensador eléctrico (11) de dicha red de capacitancias (1) , a base de conmutar las conexiones entre el controlador (3) y la red de capacitancias (1) . 20

d) repetir los pasos a) , b) y c) hasta que la tensión en bornes (11a) de dicho segundo condensador eléctrico (11) de la red de capacitancias (1) alcance un umbral de tensión prefijado.

12. Método según la reivindicación 11 caracterizado porque el controlador (3) limita el 25 tiempo de carga de dicho primer condensador eléctrico (11) de dicha red de capacitancias (1) , de forma que dicho primer condensador eléctrico (11) no quede totalmente cargado.

13. Método según la reivindicación 11 caracterizado porque el controlador (3) cuenta el número de ciclos necesarios para conseguir una determinada tensión en bornes (11a) de 30 dicho segundo condensador eléctrico (11) , a base de redistribuir sucesivas veces una cantidad específica de carga de dicho primer condensador eléctrico (11) en dicho segundo condensador eléctrico (11) .

14. Método según la reivindicación 13 caracterizado porque el controlador (3) determina la medida de la magnitud eléctrica del sensor analógico (21) comparando el número de veces que se repite la redistribución de carga, con una serie de códigos (32) almacenados previamente en una memoria (31) de dicho controlador (3) , correspondientes a distintos intervalos de valores de la magnitud medida. 5

15. Método según la reivindicación 13 caracterizado porque el controlador (3) determina la medida de la magnitud eléctrica comparando el número de veces que se repite la redistribución de carga, con una serie de códigos (32) almacenados previamente en una memoria (31) de dicho controlador (3) , correspondientes a unos coeficientes de una curva 10 de calibración de al menos un componente electrónico pasivo (24) de referencia.