DE10022821A1 - Messeinrichtung mit induktivem Wegsensor - Google Patents
Messeinrichtung mit induktivem WegsensorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung mit einem von einer Spule und einem relativ zur Spule beweglich gelagerten, ferro- oder ferrimagnetischen Kern gebildeten induktiven Wegsensor und einer Auswertelektronik. DOLLAR A Die Auswertelektronik weist einen Oszillator auf, wobei die Spule derart mit dem Oszillator verbunden ist, dass eine Bewegung des Kerns eine Äußerung der Frequenz des Oszillators bewirkt, und wobei die Auswertelektronik die Frequenz des Oszillators ermittelt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung mit einem induk
tiven Wegsensor, der von einer Spule und einem relativ zur
Spule beweglich gelagerten Kern gebildet ist, und mit einer
Auswertelektronik, die aus der durch die Bewegung des Kerns
veränderliche Induktivität der Spule eine Ausgangsgröße ermit
telt.
Eine solche Messeinrichtung ist aus der deutschen Patentschrift
43 13 273 bekannt. Bei dieser Messeinrichtung weist die Auswerte
elektronik eine Brückenschaltung, einen Komparator und einen
Mikrocontroller auf. Die Spule ist dabei Teil der Brückenschal
tung, deren Brückenspannung somit von der Induktivität der
Spule abhängig ist und als Eingangssignal für den Komparator
dient. Der Ausgang des Komparators ist seinerseits mit einem
Eingang des Mikrocontrollers verbunden. Die Brückenschaltung
ist über einen von dem Mikrocontroller periodisch angesteuerten
Schalter, beispielsweise einen Transistor, an die Versorgungs
spannung angeschlossen.
Zur Bestimmung der Lage des Kerns relativ zur Spule steuert der
Mikrocontroller den Schalter an, so dass die Versorgungsspan
nung an die Brückenschaltung angelegt ist und die Brückenspan
nung am Eingang des Komparators sprunghaft ansteigt. Der
Komparator erzeugt daher an seinem Ausgang ein EIN-Signal.
Aufgrund der Induktivität der Spule fällt die Brückenspannung
exponentiell ab, und sobald sie einen für den Komparator vor
eingestellten Schwellwert unterschreitet, erzeugt der Kompa
rator an seinem Ausgang ein AUS-Signal.
Der Mikrocontroller erfasst die Zeit zwischen dem Beginn des
EIN-Signals und dem Beginn des AUS-Signals, die ein Maß für die
Induktivität der Spule ist. Da die Induktivität ihrerseits von
der Position des Kerns relativ zur Spule abhängig ist, ist die
vom Mikrocontroller ermittelte Zeit charakteristische Messgröße
für die Lageänderung des Kerns. Nach dem Beginn des AUS-Signals
öffnet der Mikrocontroller den Schalter, so dass er zum Beginn
des nächsten Messzyklus wieder geschlossen werden kann.
Nachteil der bekannten Messeinrichtung ist, dass eine aus
reichend hohe Messgenauigkeit nur mit entsprechend niedriger
Abtastfrequenz des Mikrocontrollers möglich ist, die jedoch
verhältnismäßig schwer realisiert werden kann. Darüber hinaus
ist der schaltungstechnische Aufwand wegen des benötigten
Schalters relativ hoch.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Messeinrichtung zu
schaffen, die mit möglichst wenigen Komponenten kostengünstig
aufgebaut werden kann und eine höhere Messgenauigkeit für den
zurückgelegten Weg des Kerns relativ zur Spule ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die
Auswertelektronik einen Oszillator aufweist, wobei die Spule
derart mit dem Oszillator verbunden ist, dass eine Bewegung des
Kerns eine Änderung der Frequenz des Oszillators bewirkt, und
wobei die Auswertelektronik die Frequenz des Oszillators er
mittelt.
Erfindungsgemäß ist die Spule das frequenzbestimmende Bauteil
in dem Oszillator, dessen Frequenz durch die relative Lage des
Kerns in der Spule und die dadurch festgelegte Induktivität
bestimmt wird. Da ein Oszillator verhältnismäßig einfach aufge
baut werden kann und kein Schalter zum Triggern des Messzyklus
mehr erforderlich ist, kann die erfindungsgemäße Messeinrich
tung nun mit weniger Komponenten und kostengünstiger aufgebaut
werden.
Der Oszillator kann beispielsweise als Rechteckgenerator ausge
bildet sein. Grundsätzlich kann aber auch jeder andere Oszil
lator, wie zum Beispiel ein LC-Oszillator, ein Hartley-Oszil
lator oder ein Colpits-Oszillator, verwendet werden, der eine
Spule als frequenzbestimmendes Bauteil aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Messeinrichtung er
mittelt die Auswertelektronik zur Bestimmung der Frequenz
periodisch die Anzahl der Nulldurchgänge der Oszillatorschwin
gung in einem vorbestimmten Zeitfenster. Alternativ kann die
Auswerteelektronik zur Bestimmung der Frequenz auch periodisch
die Periodendauer der Oszillatorschwingung ermitteln.
Vorteilhafterweise wird die Ausgangsgröße dadurch ermittelt,
dass der Wert der Frequenz entsprechend einer vorgegebenen
Kalibrierungsformel linearisiert wird. Dies ist insbesondere
dann erforderlich, wenn die Frequenzwerte analysiert werden,
die in einem Kennlinienabschnitt liegen, der keine lineare
Abhängigkeit zwischen der Messgröße "weg" und der Frequenz
aufweist. Die für die Durchführung der Linearisierung erforder
lichen Korrekturwerte können durch einen üblichen Kalibrie
rungsvorgang ermittelt und in die Auswertelektronik einprogram
miert werden.
In Abhängigkeit von der an die Messeinrichtung nachgeschalteten
Signalverarbeitung kann die Auswertelektronik so ausgebildet
sein, dass sie die Ausgangsgröße als pulsweiten-moduliertes
Signal (PWM-Signal), als amplituden-moduliertes Signal, als
frequenz-moduliertes Signal, als phasen-moduliertes Signal oder
auch als binäres Signal ausgibt. Neben einer Ausgangsgröße, die
als Ausgangsspannung oder auch als Ausgangsstrom gebildet sein
kann, ist es aber auch möglich, daß die Ausgangsgröße eine
digitale Schnittstelle (z. B. Serienschnittstelle IEEE, CAN) sein
kann. Aufgrund der Ausgestaltung der Auswertelektronik, insbe
sondere als Mikrocontroller, ist es problemlos möglich, das
Ausgangssignal der nachfolgenden Regelung oder Steuerung opti
mal anzupassen.
Im Falle eines PWM-Signals ist bevorzugt am Ausgang der Aus
wertelektronik ein Tiefpass zum Glätten des Signals vorgesehen.
Am Ausgang des Tiefpasses steht somit ein Gleichspannungswert
zur Verfügung.
Aufgrund der Abhängigkeit der Frequenz f des Oszillators nicht
nur von der Induktivität L der Spule gemäß der Beziehung
f ~ 1/L,
sondern auch vom Ohmschen Widerstand R der Spule gemäß der
Beziehung
f ~ R
ist die gemessene Frequenz abhängig von der Temperatur T, da
diese Einfluss auf den Ohmschen Widerstand der Spule hat. Es
ist daher insbesondere bei Einsatz der Messeinrichtung in Umge
bungen mit größeren Temperaturschwankungen, zum Beispiel in der
Nähe eines Motorblockes, bevorzugt eine Temperaturkompensation
vorzusehen. Hierzu kann ein Heißleiter in Reihe zu der Spule
geschaltet sein, beispielsweise ein so genannter NTC-Wider
stand.
Neben der vorbeschriebener Ausgestaltung einer Temperaturkom
pensationsschaltung ist es aber auch möglich, eine software
implementierte Lösung in dem Mikrocontroller wie dort beschrie
ben wird, einzusetzen. Dabei ist z. B. ein Temperatursensor
vorgesehen, der den Temperaturwert dem Controller liefert und
diesen bei der Aufbereitung des Frequenzsignales berücksich
tigt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Messeinrich
tung enthält die Auswertelektronik einen Mikrocontroller und
ist der Oszillator ein Rechteckgenerator. Der Oszillator weist
dabei einen als Komparator arbeitenden Operationsverstärker,
einen Rückkopplungs-Widerstand und die Spule auf. Der nicht-
invertierende Eingang des Operationsverstärkers liegt hierbei
an der Versorgungsspannung sowie über einen ersten Vorwider
stand an Masse an, während einerseits der invertierende Eingang
des Operationsverstärkers über einen zweiten Vorwiderstand an
Masse anliegt, und andererseits der Ausgang des Operationsver
stärkers über die Spule mit dem invertierenden Eingang und über
den Rückkopplungs-Widerstand mit dem nicht-invertierenden Ein
gang verbunden und an einen Eingang des Mikrocontrollers ange
schlossen ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteran
sprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Mess
einrichtung und
Fig. 2 einen Schaltplan des Oszillator
der in Fig. 1 dargestellten Mess
einrichtung.
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Messeinrichtung dargestellt. Die Messeinrichtung weist einen
induktiven Wegsensor 1 und eine Auswertelektronik 4 auf. Der
Wegsensor 1 wird von einer Spule 2 und einem relativ zur Spule
2 beweglich gelagerten, insbesondere aus weichmagnetischem, zum
Beispiel ferro- oder ferrimagnetischem Material bestehenden
Kern 3 gebildet. Durch Verschieben des Kerns 3 relativ zur
Spule 2 ändert sich die Induktivität der Spule 2, wobei Mess
größe diese zeitlich veränderliche Induktivität ist, die von
der Auswertelektronik 4 erfasst und zur gewünschten Ausgangs
größe verarbeitet wird.
Die Auswertelektronik 4 weist zu diesem Zweck einen Oszillator
5 und einen Mikrocontroller 7 auf. Die Spule 2 ist derart mit
dem Oszillator 5 verbunden, dass ihre Induktivität seine Fre
quenz festlegt. Der Mikrocontroller 7 gibt an seinem Ausgang
ein pulsweiten-moduliertes Signal aus, das von einem nachge
schalteten Tiefpass 12 geglättet wird. Die Glättung des Signals
kann alternativ auch von dem Mikrocontroller 7 vorgenommen
werden. Die Messeinrichtung weist außerdem noch eine Spannungs
versorgung 13 auf, die den Oszillator 5, den Mikrocontroller 7
und den Tiefpass 12 mit der erforderlichen Energie versorgt.
Über den möglichen Verschiebeweg entspricht jede Position des
Kerns 3 relativ zur Spule 2 einer bestimmten Induktivität, so
dass aus der indirekt über die Oszillatorfrequenz gemessenen
Induktivität die Lage des Kerns 3 bestimmbar ist. Diese Be
rechnung erfolgt über die Auswertelektronik 4 und den darin
enthaltenen Mikrocontroller 7. Hierzu kann der Mikrocontroller
7 so ausgebildet sein, dass er die Frequenz über die Anzahl der
Nulldurchgänge der Schwingung des Oszillators 5 innerhalb eines
vorbestimmten Zeitfensters periodisch ermittelt. Alternativ
kann er auch andere charakteristische Eigenschaften des
Frequenzverlaufes, wie zum Beispiel die Periodendauer oder die
ansteigenden Flanken usw., auswerten.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausfüh
rungsform eines Oszillators 5 dargestellt. Der Oszillator 5 ist
in dieser Ausführungsform als Rechteckgenerator ausgebildet,
der einen als Komparator arbeitenden Operationsverstärker 8,
der beispielsweise vom Typ TL072 ist, aufweist. Der nicht-
invertierende Eingang des Operationsverstärkers 8 liegt an der
Versorgungsspannung Ub+, die von der Spannungsversorgung 13
geliefert wird. Er ist außerdem über einen ersten Vorwiderstand
10, der beispielsweise einen Widerstandswert von 100 k auf
weist, zur Masse geführt.
Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 8 ist über
einen zweiten Vorwiderstand 11, beispielsweise mit einem
Widerstandswert von 1,8 k, zur Masse geführt. Der Ausgang des
Operationsverstärkers 8 ist über die Spule 2 des Wegsensors 1,
die beispielsweise einen Widerstandswert von 330 und eine
veränderliche Induktivität im Bereich von 100 mH bis 850 mH in
Abhängigkeit von der Stellung des Kerns 3 aufweist, mit dem
invertierenden Eingang und über einen Rückkopplungswiderstand
9, der zum Beispiel einen Widerstandswert von 100 k aufweisen
kann, mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden.
Zur Temperaturkompensation ist in Reihe zu der Spule 2 ein
Heißleiter 6, zum Beispiel ein NTC-Widerstand geschaltet. Am
Ausgang des Operationsverstärkers 8 liegt die Ausgangsspannung Ua,
die einem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt wird, in
Form eines Rechtecksignals an.
Wenn am Ausgang des Operationsverstärkers 8 die Versorungsspan
nung Ub+ anliegt, dann wird die Spule 2 über den Heißleiter 6
und den zweiten Vorwiderstand 11 aufgeladen, so dass der Span
nungsabfall über diesem zweiten Vorwiderstand 11 exponentiell
ansteigt. Überschreitet dieser Spannungsabfall die obere
Schwellenspannung des Operationsverstärkers 8, so schaltet
dieser um und legt seinen Ausgang auf Masse. Die Spule 2 ent
lädt sich daher in entgegengesetzter Richtung über den Heiß
leiter 6 und den zweiten Vorwiederstand 11, so dass der Span
nungsabfall über den zweiten Vorwiderstand 11 exponentiell
abfällt.
Unterschreitet der Spannungsabfall die untere Schwellenspannung
des Operationsverstärkers 8, so schaltet dieser erneut um und
legt seinen Ausgang wieder auf die Versorgungsspannung Ub+.
Damit ist eine Schwingungsperiode des Rechtecksignals vollendet
und der Vorgang startet erneut.
Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche
sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung
weitergehenden Schutzes.
Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Haupt
anspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches
hin. Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung
eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale
der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Merkmale, die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden,
können im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher
Bedeutung, zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik
beansprucht werden.
Claims (13)
1. Messeinrichtung mit einem induktiven Wegsensor (1), der
von einer Spule (2) und einem relativ zur Spule (2) be
weglich gelagerten Kern (3) gebildet ist, und mit einer
Auswertelektronik (4), die aus der durch die Bewegung des
Kerns (3) veränderliche Induktivität der Spule (2) eine
Ausgangsgröße ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswertelektronik (4) einen Oszillator (5) aufweist,
wobei die Spule (2) derart mit dem Oszillator (5) verbun
den ist, dass eine Bewegung des Kerns (3) eine Änderung
der Frequenz des Oszillators (5) bewirkt, und wobei die
Auswerteelektronik (4) die Frequenz des Oszillators (5)
ermittelt.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswertelektronik (4) zur Bestimmung der Fre
quenz periodisch die Anzahl der Nulldurchgänge der Oszil
latorschwingung in einem vorbestimmten Zeitfenster ermit
telt.
3. Messeinrichtung nach einem oder beiden der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelek
tronik (4) zur Bestimmung der Frequenz periodisch die
Periodendauer der Oszillatorschwingung ermittelt.
4. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert
elektronik (4) die Ausgangsgröße dadurch ermittelt, dass
der ermittelte Wert der Frequenz entsprechend einer vor
gegebenen Kalibrierungsformel linearisiert wird.
5. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert
elektronik (4) die Ausgangsgröße als pulsweiten-modulier
tes Signal ausgibt.
6. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpass
(12) vorgesehen ist, der das pulsweiten-modulierte Signal
glättet.
7. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert
elektronik (4) die Ausgangsgröße als amplituden-modulier
tes Signal ausgibt.
8. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert
elektronik (4) die Ausgangsgröße als frequenz-moduliertes
Signal ausgibt.
9. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert
elektronik (4) die Ausgangsgröße als phasen-moduliertes
Signal ausgibt.
10. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert
elektronik (4) die Ausgangsgröße als binäres Signal aus
gibt.
11. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Tempera
turkompensation ein Heißleiter (6) in Reihe zu der Spule
(2) geschaltet ist.
12. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswert
elektronik (4) einen Mikrocontroller (7) enthält und der
Oszillator (5) ein Rechteckgenerator ist, der einen als
Komparator arbeitenden Operationsverstärker (8), einen
Rückkopplungs-Widerstand (9) und die Spule (2) aufweist,
wobei der nicht-invertierende Eingang des Operationsver
stärkers (8) an der Versorgungsspannung sowie über einen
ersten Vorwiderstand (10) an Masse liegt, wobei der in
vertierende Eingang des Operationsverstärkers (8) über
einen zweiten Vorwiderstand (11) an Masse liegt, und
wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (8) über die
Spule (2) mit dem invertierenden Eingang und über den
Rückkopplungswiderstand (9) mit dem nicht-invertierenden
Eingang verbunden ist und an einen Eingang des Mikrocon
trollers (7) angeschlossen ist.
13. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3)
aus weichmagnetischem, insbesondere ferro- oder ferrimag
netischem Material besteht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000122821 DE10022821A1 (de) | 2000-05-10 | 2000-05-10 | Messeinrichtung mit induktivem Wegsensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000122821 DE10022821A1 (de) | 2000-05-10 | 2000-05-10 | Messeinrichtung mit induktivem Wegsensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10022821A1 true DE10022821A1 (de) | 2001-11-15 |
Family
ID=7641482
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2000122821 Withdrawn DE10022821A1 (de) | 2000-05-10 | 2000-05-10 | Messeinrichtung mit induktivem Wegsensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10022821A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003048679A1 (fr) * | 2002-02-20 | 2003-06-12 | Rassomagin Vasiliy Radinovich | Procede de mesure de deplacements d'objets commandes |
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DE102014224859A1 (de) * | 2014-12-04 | 2016-06-09 | Zf Friedrichshafen Ag | Induktive Positionsbestimmung |
-
2000
- 2000-05-10 DE DE2000122821 patent/DE10022821A1/de not_active Withdrawn
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