CH677145A5 - - Google Patents

Description

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CH 677 145 A5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen differentialen Induktivitätsgeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung gehört zum Fachbereich der Messung nichtelektrischer, insbesondere mechanischer Grössen und löst eine Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers nichtelektrischer Grössen mit Digitalausgang, welche besonders für Einrichtungen mit Mikrorechnern geeignet ist.

Zur Messung nichtelektrischer, insbesondere mechanischer Grössen werden vielfach differentiale Induktivitätsgeber verwendet, welche durch zwei Spulen mit einem gemeinsamen beweglichen Kern gebildet sind. Die Änderung der Messgrösse wird auf die Änderung der Geberkerniage überführt und ruft eine Änderung der Induktivitäten beider Äste des Gebers hervor. Bisher bekannte Schaltungen eines differentialen Induktivitätsgebers mit Digitalausgang nutzen bei beiden Ästen des Gebers eine Wechselstrombrückenschaltung, welche mit einem Sinusoszillator gespeist wird. Die Ausgangsspannung der Brücke wird nach der Verstärkung durch den Wechselspannungsverstärker mit phasenempfindlichem Gleichrichter gleichgerichtet. Nach einer unumgänglich notwendigen Filtrierung wird die auf diese Weise gewonnene Gleichspannung, welche annähernd der gemessenen Grösse proportional ist, mit Hilfe eines Aalog-Digitalwandlers in digitale Form umgewandelt. Der Nachteil dieser bekannten Schaltungen ist ihre durch extreme Anforderungen an alle Elemente der Schaltung gegebene beträchtliche Kompliziertheit. Die Anforderungen werden insbesondere auf kleine Verzerrung, Amplituden- und Phasenstabilität des Oszillators, Amplituden- Phasen- Übertragungscharakteristik des Wechselverstärkers, Unearität pha-senempfindlicher Gleichrichter und Genauigkeit des verwendeten Analog- Digitalwandlers gestellt. Die angeführten Anforderungen werden noch durch die Anforderung auf ihre zeit- und temperaturbedingte Stabilität gesteigert. Aus der Kompliziertheit dieser Schaltung ergeben sich auch hohe Materialkosten und insbesondere ein hoher Arbeitsaufwand bei der Fertigung und Inbetriebnahme, welcher durch die Notwendigkeit einer genauen Einstellung aller Schaltkreise gegeben ist. Resultierende Eigenschaften dieser bekannten Schaltungen sind prinzipiell begrenzt einerseits durch die Entstehung der Klirrverzerrung der Ausgangsspannung der Brücke, welche durch die Eigenschaften des Geberkerns gegeben ist, andererseits durch das verwendete mathematische Modell, bei welchem vorausgesetzt wird, dass die relative Änderung der Induktivitäten beider Äste des Gebers direkt proportional der Geberkernverschiebung ist, und schliesslich durch bekannte nichtlineare Eigenschaften der unausgeglichenen Brückenschaltung. Eine wesentliche Anfälligkeit dieser bekannten Schaltungen auf Störsignale darf auch nicht unterschätzt werden, welche ihre Herkunft sowohl in der eigentlichen Schaltung (Rauschen elektronischer Bauteile) haben, als auch in Störsignalen, welche in die Schaltung aus der äusseren Umgebung über die Speiseleiter und durch die Wirkung elektromagnetischer Induktion vordringen, was in der Praxis die Herabsetzung des dynamischen Messgrössenbereichs auf maximal achtzig Dezibel bedeutet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers, welche die vorangehend angeführten Nachteile der bisherigen nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemässe Schaltung weist folgende Vorteile auf:

- sie ist sehr einfach und erfordert keine besondere Aufmerksamkeit bei der Fertigung und Einstellung, es werden keine genauen und teueren Analog-Elemente verwendet,

-die Schaltung eignet sich besonders für den Anschluss an Mikrorechner,

- direkte Überführung der gemessenen Grösse auf die intervallänge der Oszillatorschwingungen verursacht minimale Empfindlichkeit gegen störende Einflüsse und ermöglicht es, den dynamischen Bereich der Messgrösse bis zu hundert Dezibel zu verarbeiten,

- sie weist vorzügliche Linearität der Übertragungscharakteristik auf, welche sich aus geeigneter Wahl ihres mathematischen Modells ergibt, mit der Möglichkeit einer weiteren Verbesserung durch geeignete Approximation,

- sie weist vorzügliche thermische und langzeitige Stabilität der Übertragungscharakteristik der Schaltung auf,

- sie ermöglicht leichte Realisierung der Mehrkanal-Messung.

Ein Beispiel der Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers nichtelektrischer Grössen mit Digitalausgang gemäss der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, welche das Blockschaltschema wiedergibt.

Der gemeinsame Anschluss 5 des differentialen Induktivitätsgebers 1 ist am ersten Anschluss 12 eines Oszillators 3 angeschlossen. Der erste Einzelanschluss 6 des differentialen Induktivitätsgebers 1 ist an einem ersten Eingang 8 des Umschalters 2 und analog der zweite Einzelanschluss 7 des differentialen Induktivitätsgeber 1 an einem zweiten Eingang 9 des Umschalters 2 angeschlossen. Der Ausgang 11 dieses Umschalters 2 ist am zweiten Anschluss 13 des Oszillators 3 angeschlossen. Der Ausgang 14 dieses Oszillators 3 ist an einem Eingang 15 des Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsblocks 4 angeschlossen, dessen Ausgang 16 mit einem Steuerungseingang 10 des Umschalters 2 verbunden ist Der Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsblock 4 kann mittels Mikroprozessorkreisen realisiert werden, z.B. mittels zwei Buchsen LSI MOS-Kreise und einer Buchse LSTTL.

Der Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsblock 4 schliesst mittels des Umschalters 2 einzel-

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ne Äste des differentialen Induktivitätsgebers 1 zum Oszillator 3 an. Die Induktivität L des mit dem Umschalter 2 eben angeschlossenen Astes des differentialen Induktivitätsgebers 1 bildet den Bestandteil des abgestimmten Kreises des Oszillators 3, und für die Länge der Periode T der Schwingungen des Oszillators 3 gilt die bekannte Beziehung

T = 2 » Tt vYLC* (1)

worin C die Kapazität ist, welche mit der Induktivität L eines Astes des Gebers 1 einen abgestimmten Kreis bildet. Wenn mit dem angeschlossenen ersten Ast des Gebers 1 für die Länge der Periode Ti der Schwingungen des Oszillators 3 die Beziehung

Ti = 2 "IT • ljLiC (2)

gilt, worin Li die Induktivität des ersten Astes des Gebers 1 ist, gilt auch mit dem angeschlossenen zweiten Ast des Gebers 1 für die Länge der Periode Tz der Schwingungen des Oszillators 3 die Beziehung

T2 = 2-lì ♦ V L2C' (3)

worin Lz die Induktivität des zweiten Astes des Gebers 1 ist.

Für die Beziehung zwischen der Messgrösse y und den Induktivitäten Li und Lz der Äste des Gebers 1 ergibt sich folgende Beziehung e _

y = f j^g (Li, 1>2) J • (4)

Als eine der geeigneten Approximationen der Funktion g (Li, L2) kann die Funktion

g (Li, L2) = -7==; (5)

verwendet werden.

Wenn der Umschalter 2 einzelne Äste des Gebers 1 hinsichtlich geforderter dynamischer Eigenschaften genügend schnell umschaltet, kann durch Einsetzen der Beziehungen (2) und (3) in die Beziehung (5)

T2 ~

g (Li, L2) = — — (6)

T1 + 2

geschrieben werden, wobei es offensichtlich ist, dass der Wert dieser Funktion nicht von den Änderungen der Längen der Perioden Ti, Tz der Schwingungen des Oszillators 3 abhängen wird, welche durch die thermische oder langzeitige Instabilität des Oszillators 3 hervorgerufen werden, also sind alle Instabilitäten, mit Ausnahme von Instabilitäten des Gebers 1 kompensiert.

Der Ausdruck (4) kann dann unter Anwendung der Beziehung (6) als

T - T 2 1

y = f ( ) (7)

T1 + T2

geschrieben werden. Es kann nachgewiesen werden, dass bereits eine lineare Approximation dieser Funktion zu einer besseren Linearität der Übertragungscharakteristik der Schaltung führt, als es bei der Schaltung des gleichen Gebers in bekannten Schaltungen mit Wechselstrombrücke der Fall ist, wo3

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bei die Linearität durch Approximation der Funktion (7) z.B, durch ein Polynom, weiter verbessert werden kann.

Die Steuerung des Umschalters 2, die Messung von Perioden Ti und Tz der Schwingungen des Oszillators 3, die Berechnung der Messgrösse y und ihre Darstellung oder weitere Verarbeitung werden durch den Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsblock 4 sichergestellt. Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bei gleichzeitig kleineren Ansprüchen an die Messgeschwindigkeit können die Periodenlängen Tt, Tz der Schwingungen des Oszillators 3 gegen die Dauerzeiten T/, Tz' einer geeigneten gleichen Zahl nacheinanderfolgender Schwingungen des Oszillators 3 vertauscht werden.

Die erfindungsgemässe Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers nichtelektrischer Grössen mît Digitalausgang kann in der Mess-, Regelungs- und Automatisierungstechnik genutzt werden.

Claims (2)

Patentansprüche

1. Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers nichtelektrischer Grössen mit Digitalausgang, wobei der Induktivitätsgeber mit zwei Spulen mit einem gemeinsam zugeordneten beweglichen Kern versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Anschluss (5) des differentialen Induktivitätsgebers (1) mit einem ersten Anschluss (12) eines Oszillators (3), der erste Einzelanschluss (6) des differentialen Induktivitätsgebers (1 ) mit einem ersten Eingang (8) eines Umschalters (2) und der zweite Einzelanschluss (7) des differentialen Induktivitätsgebers (1) mit einem zweiten Eingang (9) des Umschalters (2) verbunden ist, wobei der Ausgang (11 ) des letzteren mit einem zweiten Anschluss (13) des Oszillators (3) und der Ausgang (14) des letzteren mit einem Eingang (15) eines Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsblockes (4), dessen Ausgang (16) mit einem Steuerungseingang (10) des Umschalters (2) in Verbindung steht, verbunden ist.

2. Verwendung der Schaltung nach Anspruch 1 in der Mess-, Regelungs- und/oder Automatisierungstechnik.

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