CZ295753B6

CZ295753B6 - Induktivní úhlový senzor

Info

Publication number: CZ295753B6
Application number: CZ19982844A
Authority: CZ
Inventors: Henning Irle; Norbert Kost; Franz-Josef Schmidt
Original assignee: Hella Kg Hueck Co.
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2005-10-12
Also published as: CZ284498A3; ES2209020T3; DE59810010D1; EP0900997B1; EP0900997A1; US6255810B1; DE19738841A1

Abstract

Redundančně sestavený induktivní senzor má dva LC-oscilátory zhruba stejně sestavené. Induktivní propojení oscilátorů samočinně synchronizuje tyto s ohledem na frekvenci a fázový posun, čímž se zamezí vzájemné nežádoucí ovlivňování.

Description

Induktivní úhlový senzor

Oblast techniky

Vynález se týká induktivního úhlového senzoru pro motorová vozidla.

Dosavadní stav techniky

Jako senzory pro zjišťování polohy, zvláště pro zjištění úhlu motoricky řízených nebo nastavovaných prvků jsou u motorových vozidel používány stále ještě převážně potenciometry. Proti jejich výhodě, a to zvláště jejich cenová výhodnosti, stojí naproti tomu nevýhody spočívající v jejich citlivosti na znečištění jakož i opotřebitelnosti otěrem.

Pro odstranění těchto nevýhod jsou nyní více používány úhlové senzory pracující bezdotykově, které působí např. na principu magnetickém, kapacitativním nebo induktivním.

Induktivní úhlový senzor sestává podle tohoto principu z budicí cívky napojené na střídavý proud, jejíž magnetické pole indukuje napětí v jedné nebo více přijímacích cívek, jejichž amplituda nebo fázový posuv závisí na poloze induktivního vazebního členu pohyblivého vzhledem k cívkám.

Zvláště u bezpečnostně kritických použití v motorových vozidlech, např. zjištění úhlové polohy motoricky přestavitelné škrticí klapce, jsou použity z bezpečnostních hledisek senzory měřicí redundanci. V případě potenciometru jako senzoru může být proveden senzor jako dvojitý potenciometr.

Stavba redundanci měřicího senzoru je naproti tomu problematická, neboť při blízkosti dvou senzorových systémů může dojít ke vzájemnému ovlivnění senzorových systémů, a to zvláště překrytím magnetických polí vyvozovaných budicími cívkami.

Je patrné, že redundanční induktivní úhlový senzor sestává až na induktivní vazební člen, jehož poloha má být zjišťována, ze dvou úplných a nezávislých senzorových systémů. Pokud se použije dále dvou identicky sestavených senzorových systémů, tedy se dvěma oscilátory, které mají napájet budicí cívky se střídavým napětím stejné frekvence, objeví se již při malých frekvenčních odchylkách v signálech přijímacích cívek zázněje, které značně ztíží nebo zcela znemožní vyhodnocení signálů přijímacích cívek.

Myslitelným východiskem by bylo zvolit velmi rozdílné frekvence oscilátorů, takže možné rozdílné frekvence by bylo možno lehce vyfiltrovat. K tomu by se musel ale oscilátor a vyhodnocovací obvod, které se mohou spojit výhodně vždy do jednoho spínacího okruhu, pro každý z obou senzorových systémů vytvořit rozdílně, což znamená zdvojnásobení nákladů na vývoj. Rovněž náklady pro výrobu dvou rozdílných spínacích okruhů v jednoduchém počtu kusů by byly podstatně vyšší než výroba jednoho spínacího okruhu ve zdvojeném počtu kusů.

Cílem vynálezu je vytvoření redundančně sestaveného induktivního úhlového senzoru, který je jednoduše a cenově výhodně zhotovitelný a vylučuje vzájemně rušivé ovlivnění senzorových systémů.

Podstata vynálezu

Podstata vynálezu je řešena význaky prvního nároku. Výhodná provedení a dalšího vytvoření jsou uvedena v podnárocích.

-1 CZ 295753 B6

Myšlenka vynálezu spočívá v tom, uspořádat dva oscilátory, které jsou vytvořeny jako LC-oscilátory a jsou spolu propojeny přes budicí cívky. LC-oscilátory mohou být provedeny jako „měkké“, tzn. být přes určitou oblast frekvence rozladitelné, aniž by bylo jejich kmitání nestabilní, nebo zcela přerušené.

Propojením obou oscilátorů kmitání oba na stejné frekvenci a fázovém posunu, čímž mohou být překvapivě jednoduše odstraněny zvláště rušící zázněje.

Výhodné je přitom, že LC-oscilátory jsou velice cenově příznivé, protože budicí cívky vytvářejí zároveň induktivitu LC-kmitavého okruhu a navíc může být opuštěno od přídavných prostředků (krystaly) pro stabilizaci frekvence.

Dále je výhodné, že „tažná oblast“ frekvence oscilátoru může být předem dána dimenzováním stavebních dílů oscilátoru. Zvláště podílem rozptylu použitých stavebních prvků mohou být předem dány jakostní činitele oscilátoru tak malé, že oscilátory pracují ještě stabilně při externě ovlivněné změně svých frekvencí kmitání uvnitř oblasti změn alespoň +/- 1 kHz od základní frekvence.

Vzájemným propojením oscilátorů přes budicí cívky je nejen možné, ale i zvláště účelné, uspořádat obě budicí cívky prostorově blízko sebe, a to výhodně na jedné vodicí desce.

Jednotlivé budicí cívky mohou zde být vytvořeny koncentrickými nebo spirálovými vodiči a vzájemně být soustředně uspořádány.

Za další je výhodné použít jako vodicí desku vícevrstvou vodicí desku, na které jsou rovněž uspořádány jako vodiče vytvořené přijímací cívky a spínací okruhy pro vyvozování kmitů a pro vyhodnocení signálů.

Výhodné je sice oba senzorové systémy spojit induktivně, ale vytvořit galvanicky odděleně, takže při výpadku jednoho senzorového systému zůstává druhý zcela funkční. To vede k účelnému vytvarování všech elektrických komponentů, až na budicí a přijímací cívky, pro jejich složení vždy do jednoho spínacího okruhu. Protože vytvořením induktivního úhlového senzoru může dojít dvakrát k použití stejného spínacího okruhu, je senzor zhotovitelný ve velkých počtech a tím zvláště cenově výhodný.

Přehled obrázku na výkrese

Na přiloženém obrázku je znázorněna skica vodicí desky příslušející induktivnímu úhlovému senzoru podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Protože obrázek znázorňuje pouze jednu rovinu vícevrstvé vodicí desky 7, nejsou na obrázku následně jmenovaná elektrická spojení bezprostředně seznatelná, neboť jsou zhotoveny vícenásobně prostřednictvím propojení 8 (znázorněna bodovými prvky koncích vodičů) mezi rovinami vodicí desky. Pro objasnění následně popsaného stavebního principu induktivního úhlového senzoru podle vynálezu není toto podstatné.

Rovněž tak není znázorněn induktivní vazební člen, provedený jako kovový prvek, cívka nakrátko nebo podobně, jehož úhlové poloha vzhledem k uspořádání cívek na vodicí desce je zjišťována senzorem.

-2CZ 295753 B6

Induktivní úhlový senzor sestává ze dvou galvanicky nezávislých, avšak induktivně propojených senzorových systémů. Každý senzorový systém sestává ze vždy jednoho integrovaného spínacího okruhu 1, 2 a jedné budicí cívky 3, 4, jakož z více přijímacích cívek, které vytvářejí na různých rovinách vodicí desky, v obvodovém směru kruhového uspořádání vodičů, periodické (např. trojúhelníkové, meandrovité) struktury. Spojovací vedení 5, 6 těchto ostatně neznázoměných přijímacích cívek (ve znázorněném provedení jich je pět pro senzorový systém) jsou vedena ke spínacím okruhům 1, 2, která obsahuje vždy jeden vyhodnocovací obvod pro vyhodnocení signálů přijímacích cívek.

Z různých hodnot amplitud a fázových posunů signálů přijímacích cívek stanovuje vyhodnocovací obvod úhlovou polohu induktivního vazebního členu.

Do spínacích okruhů 1, 2 jsou integrovány oscilační obvody, které napájejí vždy budicí cívky 3,4 střídavým proudem. Jsou podle vynálezu provedeny jako „měkké“ LC-oscilátory, jejichž frekvence kmitání může být měněna přes předem stanovenou frekvenční oblast vnějším ovlivněním aniž by to vedlo k nestabilnímu projevu kmitání nebo dokonce k přerušení kmitání.

Induktivní komponenty každého LC-oscilátoru jsou vytvořeny přiřazenými budicími cívkami 3,

4. Prostorově blízkým uspořádáním budicích cívek 3, 4 dostávají oscilátory induktivní propojení, které způsobuje frekvenčně a fázově stejná kmitání obou oscilátorů. Přitom se může společná frekvence kmitání odchýlit zcela od frekvencí, které vydává každý jednotlivý neovlivněný oscilátor.

Induktivní úhlový senzor řeší tak problém, že také frekvenčně stejné oscilátory vykazují velmi malé odchylky od předem dané základní frekvence. Vydávají-li nyní dva frekvenčně pevné oscilátory, např. krystalový oscilátor, střídavá pole jen s přibližně stejnou frekvencí, tak vznikají nežádoucí efekty, zvláště zázněje, s rozdílnou frekvencí obou oscilátorů, která ztíží vyhodnocení úhlové polohy induktivního vazebního členu ze signálů vydávaných přijímacími cívkami, nebo zcela znemožní.

Jedno, avšak méně výhodné východisko by zde bylo v uspořádání oscilátorů s výrazně odchylnými frekvencemi kmitání, takže frekvenční rozdíl by zde nepůsobil rušivě, nebo by byl lehce fdtrovatelný. Protože by zde ale spínací okruhy jak pro vyvozování frekvencí, tak pro vyhodnocování signálů musely být provedeny velice od sebe rozdílně, bylo by toto řešení podstatně nákladnější.

Dalším řešením by mohlo být provedení pouze jednoho oscilátoru, který nastavuje obě budicí cívky. Toto řešení ale neodpovídá požadavkům na vytvoření zcela redundantního úhlového senzoru, který obsahuje dva na sobě nezávisle fungující senzorové systémy. Při pouze jednom oscilátoru znamená jako výpadek rovněž funkci výpadek celého senzoru.

Proto se projevuje zvlášť výhodně úhlový senzor podle vynálezu se dvěma samostatně se synchronizujícími oscilátory, a to jak s ohledem na náklady, tak z hlediska funkční bezpečnosti.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Induktivní úhlový senzor pro motorové vozidlo, vyznačený tím, že sestává ze dvou oscilátorů se zhruba stejnou frekvencí kmitání, s alespoň jednou budicí cívkou (3, 4) přiřazenou každému oscilátoru, s alespoň jednou přijímací cívkou přiřazenou každému oscilátoru a s alespoň jedním vazebním členem, přičemž jsou oscilátory vytvořeny jako LC-kmitavé kruhy a induktivně spolu spojeny přes budicí cívky (3, 4).
2. Induktivní úhlový senzor podle nároku 1,vyznačený tím, že činitel jakosti oscilátorů je dán tak malý, že oscilátory pracují stabilně při externě ovlivněné změně svých frekvencí kmitání uvnitř oblasti odchylky alespoň +/- 1 kHz od základní frekvence.
3. Induktivní úhlový senzor podle nároku 1,vyznačený tím, že každý oscilátor, s výjimkou příslušně budicí cívky, jakož vyhodnocovací obvod spojený s přijímacími cívkami přiřazenými oscilátoru, jsou složeny do jednoho spínacího okruhu (1,2) a že induktivní úhlový senzor obsahuje dva stejně sestavené spínací okruhy (1, 2).
4. Induktivní úhlový senzor podle nároků la3,vyznačený tím, že budicí cívky (3, 4), přijímací cívky jakož i spínací okruhy (1, 2) jsou uspořádány na vícevrstvé vodicí desce (7).
5. Induktivní úhlový senzor podle nároku 4, vyznačený tím, že budicí cívky (3, 4) jsou vytvořeny vždy jako spirálovité nebo soustředné vodiče a že budicí cívky (3, 4) jsou uspořádány vzájemně soustředně.