[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.
The invention relates to a temperature-stabilized LC parallel resonant circuit according to the preamble of patent claim 1 and an inductive distance sensor according to the preamble of patent claim 7 and a method for neutralizing the line resistance according to the preamble of claim. 9
Inductive proximity sensors are based on the damping of a vibration circuit used in an oscillator circuit through the induced in a metallic plate (target) eddy currents as a measure of the distance of this so-called. Targets of the inductance used as a measuring coil of the oscillation circuit. Oscillators operating on this principle can be used in various forms (oscillation amplitude, use or tearing off of the oscillation) for obtaining information about the target distance.
In this case, a distinction is made between distance switches and so-called analog distance sensors which deliver a distance-dependent output voltage.
A problem of commercially available inductive distance sensors is the relatively small measurable target distance. An increase is in the simpler sensors, the temperature dependence of the intrinsic losses of the measuring coil, whereby the so-called line or copper losses or the change of the ohmic winding resistance provide the dominant part. Numerous improvements published in the patent literature therefore relate to the elimination of this dominant vaporization fraction. From DE-A1-1589826 a method for compensating the influence of the winding resistance RS of the voice coil is known, in which a compensation coil with two (bifilar) or more windings is used.
A disadvantage of this method is the costly installation costs compared to single-wire coils.
The abstract of JP-A-5 063 559 (Sharp Corp) discloses a control of the gain of the coil signal as a function of the (temperature-dependent) Spulengüt. This is determined by means of a DC signal, with which the coil is applied periodically.
From EP-B1-0 813 306 a further method for compensating the influence of the winding resistance RS of the voice coil is known in which a virtual negative resistance is provided parallel to the coil or to the oscillator. Thus, however, this compensation also affects the Dampfungsverhalten of the oscillator by an object to be detected or
Target off.
The present invention has for its object to provide a generic sensor coil or the associated oscillator, which without the above-mentioned disadvantages effective compensation of the effect of the temperature dependence of the resistance RS of the resonant circuit coil on the resulting dependence of the behavior of the resonant circuit of the Target distance has.
This should make it possible to easily produce inductive proximity sensors with a large distance range.
This object is achieved by a temperature-stabilized LC resonant circuit according to the features of patent claim 1 and an inductive distance sensor according to the features of patent claim 7 and by a method for neutralizing the line resistance according to the features of claim 9.
By targeted reduction of the proportion of ohmic coil resistance RS and leaving the damping resistor rP in LC resonant circuits in proximity switches or analogue inductive sensors (with a dependent of the target distance output voltage) whose range or detection range can be significantly increased.
Based on some figures, the invention will be described in more detail below.
Show
<Tb> FIG. 1 <sep> replacement circuit of a lossy coil,
<Tb> FIG. 2 <sep> is a schematic representation of the compensation of the copper resistance RS of a coil by a negative series resistance -R in a parallel resonant circuit,
<Tb> FIG. FIG. 3 shows a controllable negative resistance in the form of a negative impedance converter (NIS) with a MOS transistor in the feedback path, FIG.
<Tb> FIG. 4 <sep> an exemplary arrangement with a control loop for tracking -R,
<Tb> FIG. 5 <sep> an arrangement of a de-attenuated coil in an analog distance sensor.
Based on the coil model shown in Fig. 1, the losses of the voice coil are characterized in the following. The losses are formally caused by two concentrated resistors RS and rP.
In this case, the series resistance RS corresponds to the ohmic conduction resistance of the coil or the copper losses, while rP simulates various losses of the voice coil, of the magnetic core and of the housing that occur only at the oscillation frequency. In particular, the distance-dependent so-called target losses are part of the damping resistance rP.
A number of methods for eliminating the influence of RS on the vibration behavior of the coil are described in the literature. In EP-B1-0 813 306, an electronically generated negative resistance is connected in parallel with the LC resonant circuit. RS is measured by means of a DC current I1 flowing through the voice coil. For this purpose, the DC voltage component of the voltage across the voice coil is evaluated.
It is computationally shown that for a compensation of the RS component of the attenuation of the connected negative parallel resistance must be inversely proportional to RS. Circuits are specified which perform this computing function and thus make largely temperature-stabilized oscillatory circuits of high quality feasible. The negative resistance is now set when using the resonant circuit as a distance switch so that a resulting in the thus connected LC-circuit oscillation depending on the sign of the effective damping resistor (coil and negative resistance) is fanned or tears. With the help of the oscillating voltage, an output switch is activated.
The model in Fig. 1, however, suggests that this method affects both the loss components of the voice coil (RS and rP) and that it is assumed that the proportion of RS dominates the temperature response of the resonant circuit. It can be implemented with this method distance switch, but no analogue distance meter.
The inventive method for eliminating the contribution of RS to the attenuation of a coil is based on the idea to switch the coil an electronically generated negative resistance -R in series, which compensates the resistance RS (Fig. 2). Such negative resistances are known from the specialist literature (see, for example, Tietze Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, Fifth Edition p. 266, Springer 1980).
Since the copper resistance or the ohmic cable resistance RS changes with temperature and also scatters from coil specimen to coil specimen, RS must be measured continuously or at certain time intervals and the negative resistance must be tracked to the measured value. According to the invention, a DC current I1 (alternatively an alternating current with frequency << oscillation frequency of the oscillator) is sent to implement this tracking of the negative resistance via the series connection coil and -R from a current source and the DC voltage U1 (or, in the case of an AC current, the associated AC voltage). measured over this series connection. At voltage U1 = 0, -R = RS. In order to match the circuit in this sense, the negative resistance -R must be controllable.
Various variants, such as an analog or digital potentiometer, an electronic negative resistor combined with multiplier, etc. are available. FIG. 3 shows a particularly simple variant of a controllable negative resistance circuit with a transistor or MOS transistor in the feedback path, which is operated in the ohmic range and whose resistance can be controlled with the gate voltage.
Fig. 4 shows as an example an associated control circuit which provides for the fulfillment of the equation -R = RS. Since the oscillating current also flows via the measuring path coil plus negative resistance during operation as the oscillating circuit, the associated oscillating voltage at the measuring point must be eliminated via a low-pass filter (in FIG. 4 an integrator comprising the operational amplifier U2, the capacitor C1 and the resistor R).
Both the operational amplifiers used in the negative resistance circuit and in the integrator (or the error voltage amplifier) must have extremely small offset voltages. The corresponding additional components for chopper or autozero operation are not shown in FIG. 4.
4 parallel resonant circuit can now be used in a known manner in an inductive distance meter by the dependence of rP (or the oscillation amplitude) is evaluated by the target distance.
For this purpose, an alternating current i1 is sent via the oscillation circuit and the resulting alternating voltage is measured across the oscillation circuit. For ferromagnetic target materials, the frequency of i1 is equal to the resonant frequency.
Alternatively, in the case of non-ferrous metal targets, i1 can be fed in at a frequency slightly shifted with respect to the resonance frequency. Also in this case, the increased temperature stability of the inventively improved LC circuit can be used, as shown schematically in Fig. 5. The evaluation of the oscillating voltage across the LC circuit for measuring the target distance is carried out in a known manner. In the case of an analog distance meter, the oscillation voltage is rectified and provided at the output as a distance-dependent DC voltage. In the case of a distance switch, the amplitude of the oscillating voltage is compared with a distance-dependent DC voltage and the result is an output switch is actuated.