DD264748A1

DD264748A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR TOUCH-FREE DISTANCE MEASUREMENT WITH DIGITAL EVALUATION

Info

Publication number: DD264748A1
Application number: DD30838087A
Authority: DD
Inventors: Siegbert Kuenzel; Dieter Benda; Isa Gruner; Bianca Junge
Original assignee: Stadtilm Gelenkwellenwerk
Priority date: 1987-10-29
Filing date: 1987-10-29
Publication date: 1989-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur beruehrungslosen Abstandsmessung mit digitaler Auswertung zwischen einer als Fuehler dienenden Spule und einem ferromagnetischen Messobjekt. Die Anwendung ist vorzugsweise in Messsystemen mit einer durch die Messgroesse veraenderbaren Induktivitaet, besonders auf dem Gebiet der Prozessmesstechnik, vorgesehen. Das Ziel besteht in der Schaffung einer Schaltungsanordnung, die den Abstand einer Spule zu einem Messobjekt in ein Signal wandelt, dass von einem Digitalrechner direkt zu einem abstandsproportionalen Wert verarbeitet werden kann und sich durch einfachen Aufbau, Unempfindlichkeit gegenueber internen Spannungsschwankungen und kleiner Messzeit auszeichnet. Das Wesen der Erfindung besteht in der Ausnutzung der abstandsabhaengigen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung einer als Fuehler dienenden Spule zur Bildung eines digitalen Messsignals. Fig. 1The invention relates to a circuit arrangement for berlosen contactless distance measurement with digital evaluation between a serving as a sensor coil and a ferromagnetic object to be measured. The application is preferably provided in measuring systems with an inductance which can be varied by the measuring variable, in particular in the field of process measuring technology. The aim is to provide a circuit arrangement that converts the distance of a coil to a measurement object into a signal that can be processed directly by a digital computer to a distance-proportional value and is characterized by simple design, insensitivity to internal voltage fluctuations and small measurement time. The essence of the invention consists in the utilization of the distance-dependent phase shift between current and voltage of a coil serving as a commutator to form a digital measurement signal. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur berührungslosen Abstandsmessung mit digitaler Auswertung, die in Meßsystemen mit einer durch die Meßgröße veränderbaren Induktivität eingesetzt werden kann und durch die leichte , Ankopplung an einen Digitalrechner vorzugsweise in der Prozeßmeßtechnik Anwendung findet.The invention relates to a circuit arrangement for non-contact distance measurement with digital evaluation, which can be used in measuring systems with a variable by the variable inductance and is preferably used by the light, coupling to a digital computer in the process measuring.

Characteristic df / s known prior art

Es sind Schaltungsanordnungen bekanntgemacht worden, in denen Differenzoszillatoren eingesetzt werden, die das Signal herabmischen und demodulieren, um eine vollständige Umsetzung des physikalischen Meßwertes in ein analoges elektrisches Signal zu vollziehen oder die mit Hilfe veränderbarer Blindwiderstände oder durch Beeinflussung des Schwingquarzes Abstandsänderungen in Frequenzänderungen oder Amplitudenänderungen umsetzen. In DE-OS 2549627 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der die Impedanzänderung einer Spule ausgenutzt wird, die im Rückkopplungsnetzwerk eines positiv rückgekoppelten Verstärkers Hegt.Circuit arrangements have been disclosed in which differential oscillators are used which downmix and demodulate the signal to complete conversion of the physical measurement to an analog electrical signal, or which convert changes in distance to changes in frequency or amplitude with the aid of variable reactances or by influencing the crystal , In DE-OS 2549627 a device is described, in which the impedance change of a coil is utilized, which Hegt in the feedback network of a positive feedback amplifier.

In einer Schaltung laut DE-OS 3026389 wird die Änderung des reellen flesonanzwiderstandes eines Schwingkreises ausgenutzt. Dieser Schwingkreis liegt ebenso wie in der DE-OS 2549627 beschrieben im Rückkopplungsnetzwerk eine» positiv rückgekoppelten Verstärkers und regelt die Verstärkung eines HF-Signals. Dia Amplitude des HF-Signals am Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers ist dann eine Funktion des Abstandes der Sr.hwingkreisspiele und des Metallgegenstandes, in dem die Wirbeiströme induziert werden.In a circuit according to DE-OS 3026389 the change of the real flesonanzwiderstandes a resonant circuit is utilized. This resonant circuit is just as described in DE-OS 2549627 in the feedback network a »positive feedback amplifier and regulates the gain of an RF signal. The amplitude of the RF signal at the output of the feedback amplifier is then a function of the distance of the Sr. hwing cycle games and the metal object in which the swirl currents are induced.

In der Schaltung laut DD-WP 215627 dient das Spulenfeld eines LC-Oszillators als FOi..ent·-1 sensor, und die Wirbelstromerzeugung in dem als Abstandsbestimmungsobjekt wirkende Metallteil tntzieht dem Spulenfeld Energie, dieses macht sich als Verändei ung der Anschwingzeit bemerkbar. Das Ausgangssignal entspricht der sich proportional dem Abstand ändernden Frequenz des Oszillatoraustastsignals, wobei es über eine Integration u; d anschließende Verstärkung in entsprechende Spannungshübe umgesetzt wird. Diese Schaltung gestattet keine unmittelbare digitr.le Auswertung der Abstandsänderung. Nachteilig ist auch die notwendige Mindestsüsiastzeft 'βε Oszillators, die um vieles größer werden kann als die aktive Abtastzeit. Eine Verbesserung dieser Schaltung wird in DD-WP 237890 beschrieben. Hier wird unter Ausnutzung der Änderung der Wirkwidorstandskomponente einer Schwingkreisspule beim r\ mähen von Metall an diese durch d'rektes Auszählen der HF-Schwingungen, welche beim jeweiligen Anschwingvorganj, auftreten, ein a<. w<artbares digitales Signal gewonnen.In the circuit according to DD-WP 215627, the coil field of an LC oscillator as FOi..ent · -1 sensor is used, and the eddy current generation in the acting as a distance determination object metal part tnt pulls the coil field energy, this manifests itself as Variegated the Anschwingzeit. The output signal corresponds to the frequency of the oscillator blanking signal, which changes in proportion to the distance, and has an integration u; d subsequent amplification is converted into corresponding voltage strokes. This circuit does not allow an immediate digitr.le evaluation of the change in distance. Also disadvantageous is the necessary minimum amount of oscillation, which can be much larger than the active sampling time. An improvement of this circuit is described in DD-WP 237890. Here, the Wirkwidorstandskomponente a resonant circuit coil when r \ is cut from metal thereto by d'directly will often counting the HF-oscillations which occur at respective Anschwingvorganj taking advantage of the change, a a <. W won <able digital signal.

Der Nachteil dieser Schnltung ist, daß eine zwar geringere aber immor noch notwen 'ige Osdüatc·! lustastzeit notwendig ist und damit eine Abstandsermittlunp von sich schnell bewegenden Teilen nur mit Einschränkungen möglich ist. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist die Abhängigkeit der Genauigkeit des Meßergebnissos von der Stabilit" -<or Amplitudenbewertersti :ίό, d. h. , interne Spannungsschwankungen wirken sich negativ aus.The disadvantage of this equation is that a smaller but still necessary oil! is necessary and thus a Abstandsermittlunp of fast moving parts is possible only with restrictions. A further disadvantage of this circuit is the dependence of the accuracy of the measurement result on the stability or amplitude evaluator, that is, internal voltage fluctuations have a negative effect.

Nachteilig ist auch der nicht unerhebliche Schaltungsaufwand.Another disadvantage is the not inconsiderable circuit complexity.

Ziel der Erfindung\ The aim of the invention \

DasZiül der Erfindung besteht in der Schaffung einer Schaltungsanordnung, die den Abstand einer Spule zu einem Meßobjekt in ein Signal wandelt, das von einem Digitalrechner dirpkt zu einem abstandsproportionalen Wert verarbeitet werden kann odor in einer Schaltungserweiterung in ein abstandspropot tionales digitales Signal umgesetzt wird und sich durch einen einfachen Aufbau, einer Unempfindlichkeit gegenüber internen Spannungsschwankungen und kleinerer Meßzeit auszeichnet.The object of the invention is to provide a circuit arrangement which converts the distance of a coil to a measurement object into a signal which can be processed by a digital computer to a distance-proportional value or is converted in a circuit expansion into a distance-proportional digital signal and through a simple structure, insensitivity to internal voltage fluctuations and smaller measuring time is characterized.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die den Abstand einer Spule zu einem MeßobjeH in ein Signal wandelt, das unabhängig von internen Spannungsschwankungen ist, eine kleine Meßzeit besitzt, geringen ökonomischen Aufwand erfordert und auf schnelle Änderungen des Meßwertes reagiert.The object of the invention is to develop a circuit arrangement that converts the distance of a coil to a MeßobjeH in a signal that is independent of internal voltage fluctuations, has a small measurement time, requires little economic effort and reacts to rapid changes in the measured value.

Das Wesen der Erfindung ist darin zu sehen, daß die durch eine Abstandsänderung hervorgerufene Induktivitätsänderung eine Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannung in einer von einem Sinusgenerator mit konstanter Frequenz gespeiston Spule zur Folge hat, die zur Bildung eines abstandsproportionalen Signals genutzt wird. Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung in einem verlustlosen Stromkreis mit der Induktivität L kann in der FormThe essence of the invention lies in the fact that the inductance change caused by a change in distance results in a phase shift between current and voltage in a coil fed by a constant-frequency sine-wave generator, which is used to form a distance-proportional signal. The relationship between current and voltage in a lossless circuit with the inductance L may be in the form

Ui. = (üL Il cos (tut + φ)Ui. = (Il Il cos (tut + φ)

dargestellt werden.being represented.

Die verlust- und rünkwirkungsfreie Messung dos Stromes wird durch die Messung des von der Spule erzeugten Magnetfeldes mittels vorzugsweise magnetoresistiven Sensoren vorgenommen. Das vom magnetoresistiven Sensor gelieferte Signal wird verstärkt und einem Komparator zugeleitet. Das Ausgangssignal des Generators wird ebenfalls einem Komparator zugeführt. Die am Ausgang der Komparatoren entstandenen Impulsfolgen sind dabei um die Phasenverschiebung φ versetzt, die IThe loss and rünkwirkungsfreie measurement dos current is made by measuring the magnetic field generated by the coil by means of preferably magnetoresistive sensors. The signal supplied by the magnetoresistive sensor is amplified and fed to a comparator. The output of the generator is also supplied to a comparator. The resulting at the output of the comparators pulse trains are offset by the phase shift φ, the I

proportional den Abstand zwischen Spule und Meßobjekt ist. Die L/H- oder H/L-Flanken der beiden Signale kann direkt zur Ansteuerung eines CTC-Schaltkreises eines Mikrorechners genutzt werden, in dem die Verarbeitung der abstandsabhängigen Phasenverschiebung zu einem Meßwert erfolgt. Ist die Weiterverarbeitung des Meßwertes ohne Rechner vorgesehen oder wenn der Systemtakt des Rechners nicht ausreichend ist, kann durch einfache Erweiterung der Schaltung ein abstandsproportionales digitales Signal erzeugt werden. Die Ausgangssignale der Komparatoron werden einem EXOR-Gatter zugeführt und an dessen Ausgang eine Impulsfolge entsteht, in der die Breite eines Impulses der Phasendifferenz entspricht. Mit einer Schaltung, bestehend aus zwei D-Flipflop, einem Negator und einem UND-Glied, wird auf einem Startimpuls genau ein Impuls herausgegriffen und auf den Enable-Eingang eines Zählers geschalten. Der Zähler zählt während dieser Impulsdauer die Impulse eines Impulsgenerator. Das Zählergebnis ist dann die abstandsproportionele Meßgröße.proportional to the distance between the coil and the object to be measured. The L / H or H / L edges of the two signals can be used directly for driving a CTC circuit of a microcomputer, in which the processing of the distance-dependent phase shift takes place to a measured value. If the further processing of the measured value is provided without a computer or if the system clock of the computer is not sufficient, a distance-proportional digital signal can be generated by simple expansion of the circuit. The output signals of the comparator are fed to an EXOR gate and at the output of which a pulse train is produced, in which the width of a pulse corresponds to the phase difference. With a circuit consisting of two D flip-flop, a negator and an AND gate, exactly one pulse is picked out on a start pulse and switched to the enable input of a counter. The counter counts the pulses of a pulse generator during this pulse duration. The counting result is then the distance-proportional measured variable.

AusfülmmgsbelsplelAusfülmmgsbelsplel

Die Erfindung wird nachsienend unhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, lii den zugehörigen Zeichnungen zoigen:The invention will be explained in more detail unghand an embodiment, lii the accompanying drawings zoigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild undFig. 1 shows the block diagram and

Fig. 2 die Spannungsverläufe an ausgewählten Punkten der Schaltung.Fig. 2 shows the voltage waveforms at selected points of the circuit.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung dargestellt. Die Meßgröße X (z. B. Abstand einer Spule 2 zur Oberfläche3 eines Werkstückes) erzeugt eine Induktivitätsänderung Δι ~ X.In Fig. 1, the block diagram of the circuit arrangement is shown. The measured variable X (eg distance of a coil 2 to the surface 3 of a workpiece) produces an inductance change Δι ~ X.

Der Generator 1 speist dia Sp jlo 2 mit einer sinusförmigen Spannung konstanter Frequenz. Der durch die Spule 2 fließende Strom ist in Abhängigkeit zui induktivität zur Spannung phasenverschoben. Das vom Strom erzeugte Magnetfeld wird vorzugsweise mit einem magnetoresistiven Sensor 4 verlust- und rückwirkungsfrei gemessen. Die Anpassung des Ausgangssign als des Generators 1 und des magnetoresistiven Sensors 4 erfolgt in den Verstärkern 5 und 6. Diesen . erstärkern sind die Komparatoren 7 und 3 nachgeschalten. Das Ausgangssignal dieser Komparatoren kann zur Weiterverarbeitung in eine abstaru'ssbf i ngige Meßgr öße direkt auf den Eingang des Zähler/Zeitgeberschaltkreises 9 eines Rechners 10 gefülr t werden. In der Schoitui.gserweilerung ohne Rechner werden die Spannungen U₃ und U₄ einem Exlusiv-ODER-Gatter 11 zugeleitet. Der Ausgang dieses Gatters wird einmal auf den Takteingang des D-Flipflop 12 und über den Negator 13 auf den Takteingang des D-Flipflop 14 jioschalten. Über den D-Eingang des D-Flipflop 12 erfolgt die Eingabe des Startimpulses für eine Messung. Den D-Flipflops ist das NAND-Gatter 15 nachgeschalten. Im Zähler 16 wird das abstandsproportionale digitale Signal durch das Auszählen der vom Impulsgenerator 17 bereitgestellten Impulse erfaßt. In Fig. 2 sind die Spannungsverlaufe an ausgewählten Punkten der Sichaltungstinordnung dargestellt.The generator 1 feeds the coil 2 with a sinusoidal voltage of constant frequency. The current flowing through the coil 2 is phase shifted as a function of inductance to the voltage. The magnetic field generated by the current is preferably measured with a magnetoresistive sensor 4 without loss and without feedback. The adaptation of the Ausgangssign as the generator 1 and the magnetoresistive sensor 4 takes place in the amplifiers 5 and 6. This. erstärkern the comparators 7 and 3 are connected downstream. The output signal of these comparators can be fed directly to the input of the counter / timer circuit 9 of a computer 10 for further processing into an abruptly measured quantity. In Schoitui.ginsweilerung without computer, the voltages U ₃ and U _{4 are} fed to an exclusive-OR gate 11. The output of this gate will jioschalt once to the clock input of the D flip-flop 12 and via the inverter 13 to the clock input of the D flip-flop 14. The D input of the D flip-flop 12 is used to enter the start pulse for a measurement. The D flip-flops, the NAND gate 15 is connected downstream. In the counter 16, the distance-proportional digital signal is detected by counting the pulses provided by the pulse generator 17. In Fig. 2, the voltage waveforms are shown at selected points of Sichaltstinordnung.

Claims

1. Circuit arrangement for contactless distance measurement mii liiy iiäiür evaluation between serving as a sensor coil and a ferromagnetic object to be measured, wherein the coil with a sinusoidal voltage constant frequency from a generator (1) is fed, characterized in that the distance-dependent phase shift between current and voltage the serving as a sensor coil is used to form the digital measurement signal and the current loss and without feedback by means of a preferably magnetoresistive sensor (4) via the magnetic field generated by the current is measured.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the adaptation of the output signals of the magnetoresistive sensor (4) and the generator (1) in amplifiers (! 5,6) takes place and the sinusoidal waveform of the signals by comparators (7,8) in Rectangular pulses is converted.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the output signals djr comparators (7, 8) are connected to the input of the counter / timer circuit (9) of a computer (10) and the measured value is formed by the computer (10) ,

4. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the Ausyangssignale the comparators (7,8) are converted by the exclusive-OR gate (11) into pulses whose width of the phase shift is proportional. From the pulse train, a pulse is picked up by a combination of 2 D flip-flop (12,14), a negator ('i 3) and a NAND gate (15) to a particular signal and a counter (16) fed during the pulse duration Pulse of an additional generator (17) or of the generator (1) counts. The counting result is proportional to the measurand X.