CH698009B1 - Temperaturstabilisierter Schwingkreis für induktive Distanzsensoren. - Google Patents

Abstract

Beim erfindungsgemässen LC-Parallelschwingkreis bzw. dem erfindungsgemässen Sensor ist ein negativer elektronischer Widerstanden (-R) in Serie zur Schwingspule geschaltet. Die von einer Stromquelle erzeugte Spannung über der Serieschaltung aus Leitungswiderstand (Rs) der Spule und aus dem negativen Widerstand (-R) wird als Messgrösse erfasst. Anhand dieser Messgrösse wird der negative Widerstand (-R) derart geregelt, dass der negative Widerstand (-R) den Leitungswiderstand (RS) der Spule kompensiert.

Description

  [0001] Gegenstand der Erfindung ist ein temperaturstabilisierter LC-Parallelschwingkreis gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein induktiver Distanzsensor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 und ein Verfahren zum Neutralisieren des Leitungswiderstandes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

[0002] Induktive Näherungssensoren basieren auf der Dämpfung eines in einer Oszillatorschaltung eingesetzten Schwingungskreises durch die in einer metallischen Messplatte (Target) induzierten Wirbelströme als Mass für die Distanz dieses sog. Targets von der als Messspule eingesetzten Induktivität des Schwingungskreises. Auf diesem Prinzip operierende Oszillatoren können in verschiedener Form (Schwingamplitude, Einsatz oder Abreissen der Schwingung) zur Gewinnung von Information über die Targetdistanz eingesetzt werden.

   Dabei wird zwischen Distanzschaltern und sog. analogen Distanzsensoren, die eine distanzabhängige Ausgangsspannung liefern, unterschieden.

[0003] Ein Problem handelsüblicher induktiver Distanzsensoren ist der relativ kleine messbare Targetabstand. Einer Erhöhung steht bei den einfacheren Sensoren die Temperaturabhangigkeit der Eigenverluste der Messspule entgegen, wobei die sogenannten Leitungs- oder Kupferverluste bzw. die Änderung des ohmschen Wicklungswiderstandes den dominanten Teil liefern. Zahlreiche in der Patentliteratur publizierte Verbesserungen betreffen daher die Elimination dieses dominanten Dampfungsanteils. Aus der DE-Al-1589826 ist ein Verfahren zur Kompensation des Einflusses des Wicklungswiderstandes RS der Schwingspule bekannt, bei dem eine Kompensationsspule mit zwei (bifilar) oder mehreren Wicklungen eingesetzt wird.

   Ein Nachteil dieser Methode ist der gegenüber Eindrahtspulen kostspielige Montageaufwand.

[0004] Das Abstract der JP-A-5 063 559 (Sharp Corp) offenbart eine Regelung der Verstärkung des Spulensignals in Abhängigkeit der (temperaturabhangigen) Spulengüt. Diese wird anhand eines DC-Signals ermittelt, mit dem die Spule periodisch beaufschlagt wird.

[0005] Aus der EP-B1-0 813 306 ist ein weiteres Verfahren zur Kompensation des Einflusses des Wicklungswiderstandes RS der Schwingspule bekannt, bei welchem parallel zur Spule bzw. zum Oszillator ein virtueller negativer Widerstand vorgesehen ist. Somit wirkt sich allerdings diese Kompensation auch auf das Dampfungsverhalten des Oszillators durch ein zu erfassendes Objekt bzw.

   Target aus.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemässe Sensorspule bzw. den zugehörigen Oszillator zu schaffen, welcher ohne die oben genannten Nachteile eine wirksame Kompensation der Auswirkung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes RS der Schwingkreisspule auf die resultierende Abhängigkeit des Verhaltens des Schwingkreises von der Targetdistanz aufweist.

   Damit soll eine einfache Herstellung induktiver Näherungssensoren mit grossem Distanzbereich möglich werden.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen temperaturstabilisierten LC-Schwingkreis gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einen induktiven Distanzsensor gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und durch ein Verfahren zum Neutralisieren des Leitungswiderstandes gemäss den Merkmalen des Patentanspruchs 9.

[0008] Durch gezielte Reduktion des Anteils des ohmschen Spulenwiderstandes RS und Belassung des Dämpfungswiderstandes rP bei LC-Schwingkreisen in Näherungsschaltern oder analogen Induktivsensoren (mit einer von der Targetdistanz abhängigen Ausgangsspannung) kann deren Reichweite bzw. Erfassungsbereich deutlich erhöht werden.

[0009] Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.

   Dabei zeigen
<tb>Fig. 1<sep>eine Ersatzschalung einer verlustbehafteten Spule,
<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung der Kompensation des Kupferwiderstandes RS einer Spule durch einen negativen Seriewiderstand -R in einem Parallelschwingkreis,
<tb>Fig. 3<sep>einen steuerbaren negativen Widerstand in Gestalt eines Negativ-Impedanzkonverters (NIS) mit einem MOS Transistor im Rückkopplungspfad,
<tb>Fig. 4<sep>eine beispielhafte Anordnung mit einem Regelkreis zur Nachführung von -R,
<tb>Fig. 5<sep>eine Anordnung einer entdämpften Spule in einem analogen Distanzsensor.

[0010] Anhand des in Fig. 1 dargestellten Spulenmodells werden im Folgenden die Verluste der Schwingspule charakterisiert. Die Verluste werden formal durch zwei konzentrierte Widerstände RS und rP verursacht.

   Dabei entspricht der Seriewiderstand RS dem ohmschen Leitungswiderstand der Spule bzw. den Kupferverlusten, während rP diverse, nur bei der Schwingfrequenz in Erscheinung tretende Verluste der Schwingspule, des Magnetkerns und des Gehäuses nachbildet. Insbesondere sind die distanzabhängigen sog. Targetverluste Teil des Dämpfungswiderstands rP.

[0011] Eine Reihe von Methoden zur Elimination des Einflusses von RS auf das Schwingverhalten der Spule sind in der Literatur beschrieben. In der EP-B1-0 813 306 wird parallel zum LC-Schwingkreis ein elektronisch erzeugter negativer Widerstand geschaltet. RS wird mit Hilfe eines Gleichstroms I1, der durch die Schwingspule fliesst, gemessen. Dazu wird der Gleichspannungsanteil der Spannung über der Schwingspule ausgewertet.

   Es wird rechnerisch gezeigt, dass für eine Kompensation des RS-Anteils an der Dämpfung der zugeschaltete negative Parallelwiderstand umgekehrt proportional zu RS sein muss. Es werden Schaltungen angegeben, die diese Rechenfunktion ausführen und damit weitgehend temperaturstabilisierte Schwingkreise hoher Güte realisierbar machen. Der negative Widerstand wird nun bei der Verwendung des Schwingkreises als Distanzschalter so eingestellt, dass eine in dem so beschalteten LC-Kreis entstehende Schwingung je nach Vorzeichen des effektiven Dämpfungswiderstandes (Spule und negativer Widerstand) angefacht wird bzw. abreisst. Mit Hilfe der Schwingspannung wird ein Ausgangsschalter angesteuert.

   Das Modell in Fig. 1 legt allerdings nahe, dass mit dieser Methode beide Verlustanteile der Schwingspule (RS und rP) beeinflusst werden, und dass vorausgesetzt wird, dass der Anteil von RS am Temperaturgang des Schwingkreises dominiert. Es sind mit dieser Methode Distanzschalter, aber keine analogen Distanzmesser realisierbar.

[0012] Dem erfindungsgemässen Verfahren zur Elimination des Beitrags von RS zur Dämpfung einer Spule liegt die Idee zugrunde, der Spule einen elektronisch erzeugten negativen Widerstand -R in Serie zu schalten, wobei dieser den Widerstand RS kompensiert (Fig. 2). Solche negativen Widerstände sind aus der Fachliteratur bekannt (siehe beispielsweise Tietze Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, Fünfte Auflage S. 266, Springer 1980).

   Da der Kupferwiderstand bzw. der ohmsche Leitungswidersrand RS mit der Temperatur ändert und ausserdem von Spulenexemplar zu Spulenexemplar streut, muss RS kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabstanden gemessen und der negative Widerstand dem gemessenen Wert nachgeführt werden. Erfindungsgemäss wird zur Realisierung dieser Nachführung des negativen Widerstandes über die Serieschaltung Spule und -R von einer Stromquelle ein Gleichstrom I1 (alternativ ein Wechselstrom mit Frequenz << Schwingfrequenz des Oszillators) geschickt und die Gleichspannung U1 (bzw. im Falle eines Wechselstroms die zugehörige Wechselspannung) über dieser Serieschaltung gemessen. Bei Spannung U1 =0 ist -R = RS. Um die Schaltung in diesem Sinne abzugleichen, muss der negative Widerstand -R steuerbar sein.

   Verschiedene Varianten wie z.B. ein analoges oder digitales Potentiometer, ein elektronischer negativer Widerstand kombiniert mit Multiplier etc. stehen dazu zur Verfugung. Fig. 3 zeigt eine besonders einfach realisierbare Variante einer steuerbaren negativen Widerstandsschaltung mit einem Transistor bzw. MOS-Transistor im Rückkopplungspfad, der im ohmschen Bereich betrieben wird und dessen Widerstand mit der Gate-Spannung gesteuert werden kann.

[0013] Fig. 4 zeigt als Beispiel eine zugehörige Regelschaltung, die für die Erfüllung der Gleichung -R = RS sorgt. Da über den Messpfad Spule plus negativer Widerstand im Betrieb als Schwingungskreis ausserdem der Schwingstrom fliesst, muss die zugehörige Schwingspannung am Messpunkt über einen Tiefpass (in Fig. 4 ein den Operationsverstärker U2, den Kondensator Cl und den Widerstand R umfassender Integrator) eliminiert werden.

   Sowohl die in der negativen Widerstandsschaltung und im Integrator (bzw. dem Fehlerspannungsverstarker) eingesetzten Operationsverstärker müssen extrem kleine Offsetspannungen aufweisen. Die entsprechenden Zusatzkomponenten für Chopper- oder Autozero-Betrieb sind in Fig. 4 nicht dargestellt.

[0014] Der gemäss Fig. 4 verbesserte Parallelschwingkreis kann nun in bekannter Weise in einem induktiven Distanzmesser eingesetzt werden, indem die Abhängigkeit von rP (bzw. der Schwingamplitude) von der Targetdistanz ausgewertet wird.

[0015] Dazu wird ein Wechselstrom i1 über den Schwingungskreis geschickt und die resultierende Wechselspannung über dem Schwingungskreis gemessen. Bei ferromagnetischen Targetmaterialien ist die Frequenz von i1 gleich der Resonanzfrequenz.

   Alternativ kann bei Buntmetalltargets i1 mit einer gegenüber der Resonanzfrequenz leicht verschobenen Frequenz eingespeist werden. Auch in diesem Fall kann die erhöhte Temperaturstabilitat des erfindungsgemäss verbesserten LC-Kreises genutzt werden, wie dies schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Die Auswertung der Schwingspannung über dem LC-Kreis zur Messung der Targetdistanz erfolgt, in bekannter Weise. Im Falle eines analogen Distanzmessers wird die Schwingspannung gleichgerichtet und am Ausgang als distanzabhängige Gleichspannung zur Verfugung gestellt. Im Fall eins Distanzschalters wird die Amplitude der Schwingspannung mit einer von der Distanz abhängigen Gleichspannung verglichen und mit dem Resultat ein Ausgangsschalter betätigt.

Claims (9)

1. Temperaturstabilisierter LC-Parallelschwingkreis, dessen Schwingspule einen temperaturabhängigen Leitungswiderstand (RS) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation des durch diesen Leitungswiderstand (RS) verursachten Dämpfungsanteils der Spule in Serie zur Spule ein elektronisch erzeugter negativer Widerstand geschaltet ist, dessen negativer Wert dem zu eliminierenden Leitungswiderstand (RS) entspricht.

2. Schwingkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln des negativen Widerstandes vorgesehen ist, derart, dass der veränderliche Leitungswiderstandes (RS) neutralisiert wird.

3. Schwingkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung zum Erfassen der Spannung über der Serieschaltung aus dem Leitungswiderstand (RS) und dem negativen Widerstand vorgesehen ist.

4. Schwingkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpassfilter zum Eliminieren des auf den Schwingstrom des Schwingkreises zurückzuführenden Wechselspannungsanteils vorgesehen ist,

5. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Widerstand mittels eines negativen Impedanzkonverters realisiert ist, in dessen Rückkopplungszweig sich ein im ohmschen Bereich betriebener MOS Transistor befindet, dessen Widerstand durch die Gate-Spannung steuerbar ist.

6. Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass eine Stromquelle vorgesehen ist, die zum Erzeugen eines über die Serieschaltung des Leitungswiderstandes (RS) und des negativen Widerstandes leitbaren Gleich- oder Wechselstroms ausgebildet ist.

7. Induktiver Distanzsensor mit einem Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und Auswertung der Schwingamplitude als Distanzinformation.

8. Induktiver Distanzsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der Schwingamplitude mit einer Referenzspannung vorgesehen ist, und dass ein Stellglied in Abhängigkeit des Vergleichsresultats einstellbar ist.

9. Verfahren zum Neutralisieren des Leitungswiderstandes (RS) bei einem Schwingkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einem induktiven Sensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die über der Serieschaltung von Leitungswiderstand (RS) und negativem Widerstand erzeugte Spannung als Messgrösse erfasst wird, und dass der negative Widerstand derart geregelt wird, dass die erfasste Spannung den Wert Null hat.