CH677145A5 - - Google Patents
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- CH677145A5 CH677145A5 CH172188A CH172188A CH677145A5 CH 677145 A5 CH677145 A5 CH 677145A5 CH 172188 A CH172188 A CH 172188A CH 172188 A CH172188 A CH 172188A CH 677145 A5 CH677145 A5 CH 677145A5
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- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/22—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature differentially influencing two coils
- G01D5/2208—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature differentially influencing two coils by influencing the self-induction of the coils
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Description
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io io
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CH 677 145 A5 CH 677 145 A5
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft einen differentialen Induktivitätsgeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a differential inductor according to the preamble of claim 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. The invention belongs to the field of measurement of non-electrical, in particular mechanical quantities and solves a circuit of a differential inductance generator of non-electrical quantities with digital output, which is particularly suitable for devices with microcomputers.
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. Differential inductance sensors, which are formed by two coils with a common movable core, are often used to measure non-electrical, in particular mechanical quantities. The change in the measurement variable is transferred to the change in the encoder core and causes a change in the inductances of both branches of the encoder. Previously known circuits of a differential inductance sensor with a digital output use an alternating current bridge circuit on both branches of the sensor, which is fed with a sine wave oscillator. The output voltage of the bridge is rectified after amplification by the AC amplifier with a phase-sensitive rectifier. After an unavoidable filtration, the direct voltage obtained in this way, which is approximately proportional to the measured size, is converted into digital form with the aid of an analog-digital converter. The disadvantage of these known circuits is their considerable complexity due to extreme demands on all elements of the circuit. The requirements are placed in particular on small distortion, amplitude and phase stability of the oscillator, amplitude-phase transmission characteristic of the AC amplifier, unearth of phase-sensitive rectifiers and accuracy of the analog-digital converter used. The requirements mentioned are further increased by the requirement for their time and temperature-related stability. The complexity of this circuit also results in high material costs and, in particular, a high amount of work in the production and start-up, which is given by the need to set all the circuits precisely. Resulting properties of these known circuits are principally limited on the one hand by the distortion distortion of the output voltage of the bridge, which is given by the properties of the encoder core, on the other hand by the mathematical model used, which assumes that the relative change in the inductances of both branches of the encoder is directly proportional to the encoder core shift, and finally through known non-linear properties of the unbalanced bridge circuit. A significant susceptibility of these known circuits to interference signals should also not be underestimated, which have their origin both in the actual circuit (noise of electronic components), as well as in interference signals, which in the circuit from the external environment via the feeder and due to the effect of electromagnetic Advance induction, which in practice means reducing the dynamic measurement range to a maximum of eighty decibels.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers, welche die vorangehend angeführten Nachteile der bisherigen nicht aufweist. The object of the present invention is to create a circuit of a differential inductance transmitter which does not have the disadvantages of the previous ones mentioned above.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the invention in a circuit of the type mentioned at the outset according to the characterizing part of patent claim 1.
Die erfindungsgemässe Schaltung weist folgende Vorteile auf: The circuit according to the invention has the following advantages:
- sie ist sehr einfach und erfordert keine besondere Aufmerksamkeit bei der Fertigung und Einstellung, es werden keine genauen und teueren Analog-Elemente verwendet, - it is very simple and does not require any special attention during production and adjustment, no exact and expensive analog elements are used,
-die Schaltung eignet sich besonders für den Anschluss an Mikrorechner, - the circuit is particularly suitable for connection to microcomputers,
- 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, direct transfer of the measured variable to the interval length of the oscillator vibrations causes minimal sensitivity to disturbing influences and enables the dynamic range of the measured variable to be processed up to a hundred decibels,
- 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, it has excellent linearity of the transmission characteristic, which results from a suitable choice of its mathematical model, with the possibility of further improvement through suitable approximation,
- sie weist vorzügliche thermische und langzeitige Stabilität der Übertragungscharakteristik der Schaltung auf, it has excellent thermal and long-term stability of the transmission characteristics of the circuit,
- sie ermöglicht leichte Realisierung der Mehrkanal-Messung. - It enables easy implementation of multi-channel measurement.
Ein Beispiel der Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers nichtelektrischer Grössen mit Digitalausgang gemäss der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, welche das Blockschaltschema wiedergibt. An example of the circuit of a differential inductance transmitter of non-electrical quantities with a digital output according to the invention is shown in the drawing, which shows the block circuit diagram.
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. The common connection 5 of the differential inductance sensor 1 is connected to the first connection 12 of an oscillator 3. The first individual connection 6 of the differential inductance sensor 1 is connected to a first input 8 of the switch 2 and analogously the second individual connection 7 of the differential inductance sensor 1 is connected to a second input 9 of the switch 2. The output 11 of this switch 2 is connected to the second connection 13 of the oscillator 3. The output 14 of this oscillator 3 is connected to an input 15 of the control, evaluation and indexing block 4, the output 16 of which is connected to a control input 10 of the switch 2. The control, evaluation and indexing block 4 can be implemented by means of microprocessor circuits, e.g. using two sockets LSI MOS circuits and a socket LSTTL.
Der Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsblock 4 schliesst mittels des Umschalters 2 einzel- The control, evaluation and indexing block 4 closes individually by means of the switch 2
2 2nd
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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 ne branches of the differential inductance sensor 1 to the oscillator 3. The inductance L of the branch of the differential inductance sensor 1 which is just connected to the changeover switch 2 forms part of the tuned circuit of the oscillator 3, and the known relationship applies to the length of the period T of the oscillations of the oscillator 3
T = 2 » Tt vYLC* (1) 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 where C is the capacitance which forms a tuned circle with the inductance L of a branch of the transmitter 1. If with the connected first branch of the encoder 1 for the length of the period Ti of the oscillations of the oscillator 3, the relationship
Ti = 2 "IT • ljLiC (2) 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 applies, where Li is the inductance of the first branch of the transmitter 1, the relationship also applies to the connected second branch of the transmitter 1 for the length of the period Tz of the oscillations of the oscillator 3
T2 = 2-lì ♦ V L2C' (3) T2 = 2-lì ♦ V L2C '(3)
worin Lz die Induktivität des zweiten Astes des Gebers 1 ist. where Lz is the inductance of the second branch of the transmitter 1.
Für die Beziehung zwischen der Messgrösse y und den Induktivitäten Li und Lz der Äste des Gebers 1 ergibt sich folgende Beziehung e _ The relationship e _ results for the relationship between the measured variable y and the inductances Li and Lz of the branches of the sensor 1.
y = f j^g (Li, 1>2) J • (4) y = f j ^ g (Li, 1> 2) J • (4)
Als eine der geeigneten Approximationen der Funktion g (Li, L2) kann die Funktion As one of the suitable approximations of the function g (Li, L2), the function
g (Li, L2) = -7==; (5) g (Li, L2) = -7 ==; (5)
verwendet werden. be used.
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) If the changeover switch 2 switches individual branches of the encoder 1 sufficiently quickly with regard to the required dynamic properties, by inserting the relationships (2) and (3) into the relationship (5)
T2 ~ T2 ~
g (Li, L2) = — — (6) g (Li, L2) = - - (6)
T1 + 2 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. , it being obvious that the value of this function will not depend on the changes in the lengths of the periods Ti, Tz of the oscillations of the oscillator 3, which are caused by the thermal or long-term instability of the oscillator 3, so all instabilities are with the exception of instabilities of encoder 1.
Der Ausdruck (4) kann dann unter Anwendung der Beziehung (6) als Expression (4) can then be applied using relationship (6)
T - T 2 1 T - T 2 1
y = f ( ) (7) y = f () (7)
T1 + T2 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 to be written. It can be demonstrated that a linear approximation of this function already leads to a better linearity of the transmission characteristic of the circuit than is the case with the circuit of the same encoder in known circuits with an AC bridge, where3
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bei die Linearität durch Approximation der Funktion (7) z.B, durch ein Polynom, weiter verbessert werden kann. where the linearity can be further improved by approximating the function (7), e.g., using a polynomial.
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. The control, evaluation and indexing block 4 ensures the control of the changeover switch 2, the measurement of periods Ti and Tz of the oscillations of the oscillator 3, the calculation of the measurement variable y and its representation or further processing. In order to increase the resolving power with simultaneously lower demands on the measuring speed, the period lengths Tt, Tz of the oscillations of the oscillator 3 can be exchanged for the duration times T /, Tz 'of a suitable equal number of successive oscillations of the oscillator 3.
Die erfindungsgemässe Schaltung eines differentialen Induktivitätsgebers nichtelektrischer Grössen mît Digitalausgang kann in der Mess-, Regelungs- und Automatisierungstechnik genutzt werden. The circuit according to the invention of a differential inductance transmitter of non-electrical variables with digital output can be used in measurement, control and automation technology.
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Legal Events
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| PL | Patent ceased |