DE10064835C2 - Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem FerrarisprinzipInfo
- Publication number
- DE10064835C2 DE10064835C2 DE10064835A DE10064835A DE10064835C2 DE 10064835 C2 DE10064835 C2 DE 10064835C2 DE 10064835 A DE10064835 A DE 10064835A DE 10064835 A DE10064835 A DE 10064835A DE 10064835 C2 DE10064835 C2 DE 10064835C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- magnetic field
- ferrari
- acceleration sensor
- evaluating
- acceleration
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
- G01P3/50—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring linear speed
- G01P3/505—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring linear speed by using eddy currents
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/003—Kinematic accelerometers, i.e. measuring acceleration in relation to an external reference frame, e.g. Ferratis accelerometers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
- G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
- G01P3/49—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed using eddy currents
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur
Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferraris
prinzip mit einem induktiven Messkopf, der mit einer bewegli
chen Ferrarisscheibe im wesentlichen über ein Hauptmagnetfeld
zusammenwirkt und eine beschleunigungsabhängige Größe lie
fert.
Zur Erfassung von Geschwindigkeitsänderungen von Antriebswel
len werden nach dem Stand der Technik unter anderem auch Be
schleunigungssensoren eingesetzt, die gemäß dem Ferrarisprin
zip bzw. Drehfeldprinzip arbeiten. Ein solcher Sensor beruht
auf dem Induktionsprinzip und wird zur Klasse der Induktions
messwerke gezählt.
Beim Ferrarisprinzip wird als Leiter eine Scheibe benutzt,
z. B. aus Aluminium, die drehbar gelagert ist und sich in ei
nem magnetischen Feld bewegt, wobei das magnetische Feld,
auch als Hauptfeld bezeichnet, entweder durch einen Perma
nentmagneten oder mit einer Erregerspule erzeugt werden kann.
Auf den Aufbau eines solchen die Ferrarisscheibe umgebenden
Messkopfes wird an späterer Stelle noch genauer eingegangen.
Durch eine Bewegung der Ferrarisscheibe, z. B. durch Kopplung
an eine Antriebsachse, werden Ströme, insbesondere Wirbel
ströme, in der Ferrarisscheibe induziert, die durch eine De
tektorspule ausgewertet werden können und eine der Beschleu
nigung der Ferrarisscheibe proportionale Größe bereitstellen.
Die Offenlegungsschrift DE 198 28 372 A1 beschreibt eine sol
che Vorrichtung zum Messen von Dreh- und Linearbeschleunigun
gen nach dem Ferrarisprinzip. Die dort offenbarte Vorrichtung
weist neben der Ferrarisscheibe auch entsprechende Dauermag
neten zur Erzeugung eines Hauptfeldes und Detektorspulen mit
Sensorwicklungen zum Abgriff der beschleunigungsabhängigen
Signale auf.
In der Praxis weisen die Lösungen zur Auswertung eines sol
chen Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip gemäß
der Stand der Technik erhebliche Defizite auf. Insbesondere
bei hoher Drehzahl der Ferrarisscheibe fällt die Empfindlich
keit des Sensors stark ab. Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt
hierzu ein Diagramm, in dem das Ausgangssignal Vα eines sol
chen Drehbeschleunigungssensors nach dem Stand der Technik
als Funktion der Drehzahl ω aufgetragen ist. Daran ist deut
lich erkennbar, dass bereits bei einem Drehzahlbereich von
etwa 3000 bis 3500 U/min das Ausgangssignal des Sensors um
3 dB abfällt.
Dieser typische Empfindlichkeitsverlauf über der Drehzahl von
DC-Ferraris-Sensoren kann einerseits der Dissipation in der
Scheibe, die zu Erhitzung der Scheibe führt, und andererseits
dem Wirbelstromfeld zugeschrieben werden, das bei großer
Drehzahl kompensierend auf das angelegte DC-Magnetfeld wirkt.
In direkter Extrapolation zum Stand der Technik könnte man
zur Vermeidung dieses unerwünschten Effektes entweder durch
Auslegung des Sensors oder durch elektronische Linearisie
rung, wie z. B. durch betriebspunktabhängige Verstärkung der
Amplitude des Sensorsignals, versuchen, die Empfindlichkeit
zu linearisieren.
Durch das Design des Sensors kann beispielsweise durch ge
schickte Wahl des Materials der Scheibe, des angelegten Mag
netfeldes und des Spaltes zwischen Kopf und Scheibe der Punkt
mit einem Abfall des Nutzsignals um 3 dB zu größeren Drehzah
len hin verschoben werden, jedoch auf Kosten der Empfindlich
keit.
Eine Linearisierung auf elektronischem Wege könnte durch ein
drehzahlabhängiges Nachverstärken des Beschleunigungssignals
erfolgen. Dazu muss aber der Empfindlichkeitsverlauf über der
Drehzahl und die Drehzahl selbst bekannt sein. Außerdem wer
den Störgrößen wie Rauschen mitverstärkt, was zu einem gerin
geren Störabstand bei höheren Drehzahlen führt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be
steht somit darin, einen Ferrarissensor mit Auswerteelektro
nik so weiter zu entwickeln, dass der Sensor für einen wesentlich
größeren Drehzahlbereich ertüchtigt wird als aus dem
Stand der Technik her bekannt ist und Verluste im Hinblick
auf die Empfindlichkeit und den Störabstand möglichst niedrig
gehalten werden.
Die Erfindung benutzt zur Lösung dieser Aufgabe ebenfalls ei
nen Ferrarissensor, jedoch mit Vorteilen gegenüber dem Stand
der Technik, indem der eingangs geschilderte Beschleunigungs
sensor durch eine Schaltungsanordnung zu dessen Auswertung
weitergebildet wird durch einen zusätzlichen Gleichstrom-
Magnetfeld-Erregerkreis mit einem Mittel zu dessen Ansteue
rung dahingehend, dass das zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld
kompensierend auf ein ab einer höheren Drehzahl der Ferra
risscheibe auftretendes Wirbelstromfeld einwirkt.
Dies wird erfindungsgemäß und vorteilhaft beispielsweise da
durch erreicht, dass der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld-
Erregerkreis ein Mittel zur Erzeugung eines zu einem von der
Drehzahl der Ferrarisscheibe abhängigen Steuersignal propor
tionalen Gleichstroms umfasst, der eine Erregerspule durch
fließt, die das zusätzliche kompensierende Gleichstrom-Mag
netfeld liefert.
Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Erregerspule
derart angeordnet ist, dass das zusätzliche kompensierende
Gleichstrom-Magnetfeld im Bereich des induktiven Messkopfes
auf die Ferrarisscheibe einkoppelbar ist.
In Folge der Kompensation des Empfindlichkeitsabfalls durch
einen zusätzlichen DC-Magnetfeld-Erregerkreis und dazu erfor
derliche Mittel zur Ansteuerung gemäß der Erfindung werden
die oben genannten Nachteile des Standes der Technik erfolg
reich vermieden. Der Erregerkreis enthält ein Mittel zur
Stromerzeugung, das einen DC-Strom erzeugt, der proportional
zu einem Steuersignal ist und eine Erregerspule, die vom DC-
Strom durchflossen wird und ein Magnetfeld erzeugt, das im
Bereich des Kopfes auf die Scheibe eingekoppelt wird und kom
pensierend auf das DC-Wirbelstromfeld wirkt.
Zur Erzeugung des drehzahlabhängige Steuersignals werden zwei
Arten vorgeschlagen:
- - die Erzeugung des Steuersignals außerhalb des Beschleuni gungssensors und
- - die Gewinnung des Steuersignals aus Größen des Beschleuni gungssensors.
Wird das Steuersignal außerhalb des Beschleunigungssensors
generiert, dann funktioniert der Erregerkreis als eine Kom
pensationsschaltung ohne Regelwirkung.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Auswerte
schaltung nach der Erfindung ist durch die Erregerspule das
Hauptmagnetfeld zwischen dem induktiven Messkopf und der Fer
rarisscheibe proportional zum drehzahlabhängigen Steuersignal
verstärkbar. Dabei hat es sich als günstig herausgestellt,
wenn eine Verknüpfung zwischen der Drehzahl der Ferraris
scheibe und dem Steuersignal über eine geeignete Kennlinie
erfolgt.
Nach einer ebenfalls vorteilhaften alternativen Ausgestaltung
der Erfindung ist durch die Erregerspule das Wirbelstrom
gleichfeld proportional zum drehzahlabhängigen Steuersignal
verringerbar.
Wird das Steuersignal zur Ansteuerung der Erregerspule nicht
im Sensor selbst erzeugt, sondern außerhalb, lassen sich so
mit grundsätzlich zwei vorteilhafte Arten in der Ausführung
unterscheiden.
Die Erregerspule wirkt in Richtung des Hauptfeldes:
Zur Kompensation des Empfindlichkeitsabfalls wird das Haupt feld erfindungsgemäß mit Hilfe der Erregerspule zusätzlich proportional zum Steuersignal verstärkt. Das Steuersignal wird mit einem von außen zugeführten Signal, bspw. der Dreh zahl, verknüpft. Die Verknüpfung erfolgt über eine Kennlinie. Ist der Verlauf der Empfindlichkeit über der Drehzahl be kannt, kann das Hauptfeld mit Hilfe der Kennlinie invers zur Empfindlichkeit drehzahlabhängig verstärkt werden. Dadurch wird der Empfindlichkeitsabfall zu höheren Drehzahlen hin kompensiert. Das Hauptfeld kann dabei von einem Permanentmag neten oder alleine mit der Erregerspule oder mit Hilfe einer weiteren Erregerspule erzeugt werden.
Zur Kompensation des Empfindlichkeitsabfalls wird das Haupt feld erfindungsgemäß mit Hilfe der Erregerspule zusätzlich proportional zum Steuersignal verstärkt. Das Steuersignal wird mit einem von außen zugeführten Signal, bspw. der Dreh zahl, verknüpft. Die Verknüpfung erfolgt über eine Kennlinie. Ist der Verlauf der Empfindlichkeit über der Drehzahl be kannt, kann das Hauptfeld mit Hilfe der Kennlinie invers zur Empfindlichkeit drehzahlabhängig verstärkt werden. Dadurch wird der Empfindlichkeitsabfall zu höheren Drehzahlen hin kompensiert. Das Hauptfeld kann dabei von einem Permanentmag neten oder alleine mit der Erregerspule oder mit Hilfe einer weiteren Erregerspule erzeugt werden.
Die Erregerspule wirkt in Richtung des Wirbelstromfeldes:
Die eigentliche Ursache des Empfindlichkeitsabfalls ist das Wirbelstromfeld. Um der Ursache direkt entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß mit einer geeignet angebrachten Wicklung das Wirbelstromgleichfeld direkt kompensiert. Das Steuersignal wird z. B. über einen Proportionalitätsfaktor mit der Drehzahl verknüpft. Da das Wirbelstromgleichfeld proportional zur Drehzahl ist und das Kompensationsfeld dann proportional zur Drehzahl eingestellt wird, führt dies zur Kompensation des Wirbelstromfeldes, was eine Linearisierung des Sensors be wirkt. Die Kompensation muss nicht exakt sein, weil die Emp findlichkeit um Drehzahl Null über einen gewissen Bereich konstant ist. Die Kompensation muss lediglich dafür sorgen, dass der lineare Bereich nicht verlassen wird. Das Hauptfeld kann auch in diesem Fall von einem Permanentmagneten oder mit Hilfe einer weiteren Erregerspule erzeugt werden.
Die eigentliche Ursache des Empfindlichkeitsabfalls ist das Wirbelstromfeld. Um der Ursache direkt entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß mit einer geeignet angebrachten Wicklung das Wirbelstromgleichfeld direkt kompensiert. Das Steuersignal wird z. B. über einen Proportionalitätsfaktor mit der Drehzahl verknüpft. Da das Wirbelstromgleichfeld proportional zur Drehzahl ist und das Kompensationsfeld dann proportional zur Drehzahl eingestellt wird, führt dies zur Kompensation des Wirbelstromfeldes, was eine Linearisierung des Sensors be wirkt. Die Kompensation muss nicht exakt sein, weil die Emp findlichkeit um Drehzahl Null über einen gewissen Bereich konstant ist. Die Kompensation muss lediglich dafür sorgen, dass der lineare Bereich nicht verlassen wird. Das Hauptfeld kann auch in diesem Fall von einem Permanentmagneten oder mit Hilfe einer weiteren Erregerspule erzeugt werden.
Die Verluste bei höheren Drehzahlen sind größer als ohne Kom
pensation, jedoch kleiner als bei der vorangehend beschriebe
nen Kompensation durch Erhöhen des Hauptfeldes.
Wird das Steuersignal aus Größen im Sensor erzeugt, so
schließt sich die Wirkungskette zu einem Regelkreis. Es wer
den dabei gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Typen von Re
gelkreisen vorgeschlagen:
- - ein Regelkreis, der zur Erzeugung des Steuersignals das Signal des Beschleunigungssensors durch nachträgliche In tegration benutzt.
- - ein Regelkreis, der zur Erzeugung des Steuersignals einen zusätzlichen Magnetfeldsensor, z. B. einen Hallsensor oder einen XMR-Sensor, benutzt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
bildet der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis
mit dem Sensor somit einen Regelkreis, indem das drehzahlab
hängige Steuersignal aus der beschleunigungsabhängigen Größe
des Sensors generierbar ist.
Besonders einfach und effektiv ist dies realisierbar, indem
das drehzahlabhängige Steuersignal durch einen Integrator
durch Integration der beschleunigungsabhängigen Größe gene
rierbar ist.
Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Auswerte
schaltung gemäß der Erfindung gewinnt das drehzahlabhängige
Steuersignal somit durch einen weiteren Magnetfeldsensor aus
dem magnetischen Feld des Beschleunigungssensors, insbesonde
re aus dem Feld im Wirbel.
Mit der Messung des Feldes und der Regeleinrichtung ist es
damit möglich, das Feld im Wirbel auf einen bestimmten Wert
(z. B. Null) zu regeln und damit einen Empfindlichkeitsabfall
zu vermeiden.
Ein weiter vorteilhafte Ausführungsform setzt neben dem Mag
netfeldsensor eine Detektorspule zur Erfassung einer durch
das magnetische Feld des Beschleunigungssensors, insbesondere
das Feld im Wirbel, induzierten Spannung ein.
Eine alternative Ausführung der Auswerteschaltung der Erfin
dung verzichtet auf eine zusätzliche Detektorspule, indem eine
zu einer durch das magnetische Feld des Beschleunigungs
sensors, insbesondere das Feld im Wirbel, induzierten Span
nung proportionale Größe durch ein Mittel zur Differenziation
dieses magnetischen Feldes generierbar ist.
Indem ein ermittelter kompensierender Gleichstrom einen nie
derfrequenten Anteil der Beschleunigung liefert und die durch
das magnetische Feld des Beschleunigungssensors, insbesondere
das Feld im Wirbel, induzierte Spannung oder die dazu propor
tionale Größe einen hochfrequenten Anteil der Beschleunigung
liefert können beide Signale zu einem breitbandigen Beschleu
nigungssignal kombiniert werden.
Durch Addition des Messwertes des Magnetfeldsensors mit dem
Kompensationsstrom lässt sich außerdem auch ein der Drehzahl
proportionaler breitbandiger Wert ermitteln.
Besonders vorteilhaft lässt sich ein solcher Beschleunigungs
sensor nach dem Ferrarisprinzip mit einer Auswerteschaltung
nach der Erfindung in einer numerisch gesteuerten Werkzeugma
schine, einem Roboter oder dergleichen einsetzen.
Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus
mehreren im folgenden geschilderten vorteilhaften Ausfüh
rungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Figuren. Es zei
gen in Prinzipdarstellung:
Fig. 1 einen typischen Empfindlichkeitsverlauf eines Fer
raris-Beschleunigungssensors nach dem Stand der
Technik,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines bekannten Messkopfes eines
Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip,
Fig. 3 eine Vorderansicht eines bekannten Messkopfes eines
Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip,
Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Regelkreises mit Gewinnung
eines Steuersignals aus einer Größe des Beschleuni
gungssensors,
Fig. 5 eine Anordnung eines Magnetfeldsensors mit Detek
torspule und einer Kompensationswicklung gemäß der
Erfindung,
Fig. 6 eine Prinzipskizze eines Regelkreises zur Regelung
eines Kompensationsstromes und Auswertung der Be
schleunigung aufbauend auf einer Anordnung nach Fig.
5 und
Fig. 7 eine Prinzipskizze eines Regelkreises zur Regelung
eines Kompensationsstromes und Auswertung der Be
schleunigung wie in Fig. 6, jedoch ohne Detektorspu
le.
Die Darstellung gemäß der Fig. 1 wurde bereits eingangs in der
Beschreibungseinleitung erläutert. Die Fig. 2 und Fig. 3 zeigt
beispielhaft einen bekannten Messkopf T eines Beschleuni
gungssensors nach dem Ferrarisprinzip in einer Seitenansicht
(Fig. 2) und einer entsprechenden Vorderansicht (Fig. 3).
Der Messkopf bzw. Tastkopf T ist auf einem Montageblech bzw.
in einem Gehäuse 1 aufgebaut und weist eine detektorseitige
Flussführungsstruktur 2 sowie eine ferrarisscheibenseitige
Flussführungsstruktur 3 für den magnetischen Fluss auf, die
einen hufeisenförmigen Querschnitt beschreiben. Die Flussfüh
rungsstruktur 3 weist einen ersten Permanentmagneten 4 auf.
An die andere Flussführungsstruktur 2 sind am offenen Ende
des hufeisenförmigen Querschnitts auf einer Spulenplatine 9
zwei parallel angeordnete Detektorspulen 6 und 6' mit jewei
ligem Kern angebracht. Auf dieser wiederum ist jeweils eine
Flussführungsstruktur 7 und 7' mit jeweiligen Permanentmagne
ten 5 so angebracht, dass sich die Permanentmagneten 4 und 5
gegenüberliegen und dazwischen ein Luftspalt frei bleibt, in
den die Ferrarisscheibe F eingreift. Die Spulenplatine 9
weist einen Kabelkonnektor 10 zum elektrischen Anschluss z. B.
einer Auswerteschaltung auf.
Aufbauend auf einer solchen Anordnung aus Messkopf T und Fer
rarisscheibe F zeigt die Darstellung nach Fig. 4 ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Regelkreis mit
Nutzung dieses Beschleunigungssensors zur Ermittelung des zu
sätzlichen DC-Magnetfeldes zu Kompensationszwecken.
Eine Gewinnung eines Steuersignals aus einer Größe des Be
schleunigungssensors T, 6, 6', F erfolgt dabei nach folgendem
Prinzip:
Ein über die Detektorspulen 6 und 6' erfasstes Beschleuni gungssignal Vdet wird in einer Verstärkereinrichtung 11 ver stärkt, mit einer Filtervorrichtung 12 gefiltert und als Nutzsignal Vα für die Regelung beispielsweise eines mit der drehbaren Ferrarisscheibe verbundenen Antriebes freigegeben.
Ein über die Detektorspulen 6 und 6' erfasstes Beschleuni gungssignal Vdet wird in einer Verstärkereinrichtung 11 ver stärkt, mit einer Filtervorrichtung 12 gefiltert und als Nutzsignal Vα für die Regelung beispielsweise eines mit der drehbaren Ferrarisscheibe verbundenen Antriebes freigegeben.
Anschließend wird gemäß der Erfindung das Nutzsignal Vα durch
eine nachgeschaltete Integratorschaltung 13 aufintegriert,
woraus eine Spannung Vω resultiert, die proportional zur
Drehzahl ω ist. Die Spannung Vω wird anschließend an eine Se
rienschaltung aus einem resistiven Bauelement RK und einem
induktiven Bauelement, einer vorzugsweise im Bereich des
Messkopfes T angeordneten Erregerspule bzw. Kompensationsspu
le 14, angelegt und führt so zu einem Strom IK, der proporti
onal der Drehzahl ω ist.
Der Strom IK erzeugt auf diese Weise im Bereich des Messkop
fes T ein zusätzliches Magnetfeld, das proportional der Dreh
zahl ω ist und dem unerwünschten DC-Wirbelstromfeld entgegen
wirkt. Voraussetzung dabei ist, dass durch den Wickelsinn der
Kompensationsspule 14 oder durch die Polarität von der Span
nung Vα (z. B. über einen Inverter) gewährleistet ist, dass
das Kompensationsfeld die zum Wirbelstromfeld entgegengesetz
te Polarität hat.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, die
in der Fig. 5 veranschaulicht ist, erfasst erfindungsgemäß mit
Hilfe einer zusätzlichen Messeinrichtung 15 im Beschleuni
gungssensor T, F das magnetische Feld. Dies kann z. B. das
Feld Bmess im Wirbel sein.
Über eine geeignet angebrachte Wicklung 14 zur Kompensation
des Wirbelstromgleichfeldes wird der Kompensationsstrom IK so
eingestellt, dass das Feld im Messpunkt Bmess der Messein
richtung 15 einen vorgebbaren Wert wie z. B. Null annimmt. Der
dazu notwendige Kompensationsstrom IK wird dabei von einer im
folgenden näher erläuterten Regelung ermittelt.
Die Fig. 5 zeigt eine entsprechende Anordnung mit Messeinrich
tung für das Feld +Bmess und -Bmess, nämlich Magnetfeldsenso
ren 15, 15', und Kompensationswicklungen 14, 14' sowie Detek
torspulen 16, 16' zur Erfassung einer induzierten Spannung
Uind in Prinzipdarstellung. Es ist der Verlauf des Wirbel
stroms IW in der Ferrarisscheibe F skizziert, die sich mit
einer Geschwindigkeit v dreht, und das durch den Wirbelstrom
hervorgerufene magnetische Feld B.
Mit den Magnetfeldsensoren 15 und 15', die in Analogie zu den
Spulen 6 und 6' des Messkopfes T zweifach vorgesehen sind,
wird nun in den beiden Messpunkten +Bmess und -Bmess der je
weilige durch den Wirbelstrom IW induzierte Magnetfluss ΦW
erfasst.
Die entsprechend zugeordneten Kompensationswicklungen 14, 14'
und die beiden Detektorspulen 16, 16' sind nun in Flussrich
tung auf der jeweiligen Achse des induzierten Magnetflusses
ΦW so angeordnet, dass durch die mit dem Kompensationsstrom
IK bzw. -IK beaufschlagten Kompensationswicklungen 14, 14'
das Wirbelstromgleichfeld beeinflussbar und durch die Detek
torspulen 16, 16' eine induzierte Spannung Uind erfassbar
ist, die sich folgendermaßen bemisst:
Uind = k.N.(dΦW/dt) (1)
Die Regeleinrichtung kann dabei in verschiedenen Varianten
ausgestaltet sein. In einer ersten Variante, die in der Fig. 6
gezeigt ist, werden zur Erzeugung des Sensorssignals dv/dt
die Messeinrichtung 15, 15' für das Feld Bmess (Magnetfeld
sensor) und die Detektorspulen 16, 16' zur Erfassung der in
duzierten Spannung Uind verwendet.
In der in Fig. 7 gezeigten zweiten Variante kann sogar auf De
tektorspulen 16, 16' zur Erfassung der induzierten Spannung
Uind verzichtet werden.
Gemäß der ersten Variante nach Fig. 6 gilt im einzelnen:
Die Durchflutung ist:
ΦW = kW.LW.IW - kK.LK.IK (2)
Mit LK als der Induktivität der Kompensationswicklung 14 und
mit LW als der Wirbelstrom-Induktivität.
Für das gemessene Feld gilt:
Bmess = km.ΦW (3)
Für die induzierte Spannung gilt die oben angeführte Berech
nungsvorschrift (1).
Für den Zusammenhang der Geschwindigkeit v der Ferrarisschei
be F und dem Wirbelstrom IW gilt:
IW = v.B.W/RW (4)
mit RW als dem Wirbelstromwiderstand.
Aus der Gleichung (4) lässt nun durch Differentiation ablei
ten:
d/dtv = RW/(B.W)d/dtIW
d/dtv = RW/(B.W)d/dtIW
Mit der Gleichung (2) wird daraus:
d/dtv = RW/(B.W).(d/dt ΦW + kK.LKd/dtIK)/(kW.LW) (5)
Aus Gleichung (5) wird mit Gleichung (1):
d/dtv = RW/(B.W.kW.LW).(Uind/(k.N) + kK.LKd/dtIK)
oder vereinfacht:
d/dtv = k1.Uind + k2d/dtIK (6)
Zur Regelung des Feldes Bmess und Auswertung von Gleichung
(6) dient nach dieser Variante erfindungsgemäß die in Fig. 6
gezeigte Anordnung, die im folgenden erläutert wird.
Gezeigt ist dabei eine Prinzipskizze der elektrischen Rege
lung, mit der die Komponenten 14 bis 16 zur Regelung des Kom
pensationsstromes und Auswertung der Beschleunigung angesteu
ert bzw. ausgewertet werden. Der Kompensationsstrom IK wird
aus der Differenz '-' des durch den Magnetfeldsensor 15 er
mittelten Wertes ΦW in Bmess und dem Wert Null durch einen
PI-Regler 17 ermittelt und in die Kompensationswicklung 14
eingespeist. Weiter wird der Wert IK mit einem Faktor k2 ge
wichtet und in einem Mittel 18 differenziert. Aus dem dabei
erhaltenen Wert wird anschließend durch Addition '+' mit der
mit dem Faktor k1 gewichteten, durch die Detektorspule 16 er
mittelte induzierten Spannung Uind eine beschleunigungsabhän
gige Größe d/dtv (Beschleunigungswert als Ableitung der Ge
schwindigkeit v nach der Zeit t gemäß Gleichung (6) ermit
telt.
Prinzipiell möchte man am Ferraris-Sensor ein möglichst
breitbandiges Beschleunigungssignal erhalten. Durch alleinige
Auswertung des Kompensationsstromes ist insbesondere bei
langsamen Kompensationsregelungen die gewünschte Breitbandig
keit nicht gegeben. In den Anordnungen nach Fig. 6 und Fig. 7,
die im folgenden erläutert werden, enthält das Signal IK den
niederfrequenten Anteil und Bmess den hochfrequenten Anteil
der Beschleunigung d/dtv bzw. der Drehzahl v bzw. ω selbst.
Durch Kombination beider Größen erhält man dann das gewünsch
te breitbandige Signal für die Beschleunigung.
Ist die Regelung also langsam, so wird stationär Bmess zu
Null geregelt und dynamisch entsteht ein Feld, das eine Span
nung Uind induziert. Der Kompensationsstrom IK wird mit der
Dynamik der Regelung aufgebaut und lässt sich gut differen
zieren. Der dynamische Anteil ist in Uind enthalten. Beide
zusammen ergeben das (stationär und dynamisch richtige) Be
schleunigungssignal.
Ist die Regelung hingegen sehr schnell, so wird Bmess auch
dynamisch zu identisch Null. Nach der Berechnungsvorschrift
(3) ist auch dynamisch ΦW = 0 und damit die induzierte Span
nung Uind = 0. In dem Fall kann der Zweig mit Uind und k1
entfallen. Der Eingang des Differenzierers 18 entspricht dann
auch stationär und dynamisch der Drehzahl ω.
Für den in Fig. 5 skizzierten negativen Regelungszweig mit den
Elementen 14', 15' und 16' gilt das voranstehende entspre
chend, jedoch unter Berücksichtigung des entsprechenden Vor
zeichenwechsels.
Aus der Berechnungsvorschrift (5) lässt sich im weiteren mit
Gleichung (3) ermitteln:
d/dtv = RW/(B.W).(d/dtBmess/km + kK.LKd/dt IK)/(kW.LW)
oder vereinfacht:
d/dtv = k3d/dtBmess + k2d/dtIK (7)
Gemäß der Gleichung (7) kann somit erfindungsgemäß sogar die
in der Variante nach Fig. 6 verwendete Detektorspule 16 ent
fallen. Stattdessen wird Bmess in einem weiteren Mittel 19
differenziert und mit k3 gewichtet zu einem der induzierten
Spannung Uind proportionalen Signal 20 weiterverarbeitet.
Die Darstellung nach Fig. 7 zeigt eine solche an Fig. 6 ange
lehnte Anordnung zur Regelung des Kompensationsstromes IK und
Auswertung der Beschleunigung. Der Kompensationsstrom IK wird
genau wie bei Fig. 6 beschrieben über den PI-Regler 17 gere
gelt und über den Faktor k2 und den Differenzierer 18 weiter
verarbeitet. Durch Addition '+' dieses Signals mit dem Signal
20 erhält man die beschleunigungsabhängige Größe d/dtv (Be
schleunigungswert als Ableitung der Geschwindigkeit v nach
der Zeit t) gemäß Gleichung (7).
Durch Addition '+' der mit k3 gewichteten Bmess und dem mit
k2 gewichteten Kompensationsstrom IK lässt sich zudem ein
breitbandiger Geschwindigkeitswert v ermitteln.
Ist die Regelung wiederum langsam, so liefert der Zweig über
IK den stationären, über Bmess den dynamischen Anteil des Be
schleunigungswertes.
Natürlich kann alternativ zur in Fig. 7 gezeigten Ausführungs
form auch zuerst addiert und dann (nur einmal) differenziert
werden. Dadurch wird einer der Differenzierer 18 oder 19 ent
behrlich. Vor der Differentiation liegt das (stationär und
dynamisch richtige) Drehzahlsignal v bzw. ω an.
Ist die Regelung wiederum sehr schnell, so wird Bmess auch
dynamisch zu identisch Null. Der entsprechende Zweig liefert
Null, er kann dann entfallen.
Die Verluste bei höheren Drehzahlen sind nach diesem Prinzip
zwar größer als ohne erfindungsgemäße Kompensation, jedoch
kleiner als bei Kompensation durch Erhöhen des Hauptfeldes.
Sie sind identisch wie im Falle der gesteuerten Kompensation.
Selbstverständlich lassen sich mit Kenntnis der voranstehen
den Ausführungen durch den Fachmann je nach Bedarfsfall wei
tere vorteilhafte Ausführungsformen konstruieren, die aber
allesamt auf dem Prinzip der Kompensation des Wirbelstrom
gleichfelds nach der Erfindung beruhen.
Claims (16)
1. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip mit einem induktiven Mess
kopf (T), der mit einer beweglichen Ferrarisscheibe (F) im
wesentlichen über ein Hauptmagnetfeld zusammenwirkt und über
eine Sensorwicklung (6, 6') eine beschleunigungsabhängige
Größe (Vdet; Vα) liefert,
gekennzeichnet durch einen zusätzlichen
Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis mit einem Mittel zu des
sen Ansteuerung dahingehend, dass das zusätzliche Gleich
strom-Magnetfeld kompensierend auf ein ab einer höheren Dreh
zahl der Ferrarisscheibe (F) auftretendes Wirbelstromfeld
einwirkt.
2. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis ein Mit
tel (13, RK) zur Erzeugung eines zu einem von der Drehzahl
(ω) der Ferrarisscheibe (F) abhängigen Steuersignal (Vω) pro
portionalen Gleichstroms (IK) umfasst, der eine Erregerspule
(14) durchfließt, die das zusätzliche kompensierende Gleich
strom-Magnetfeld liefert.
3. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erregerspule (14) derart angeordnet ist, dass das zusätz
liche kompensierende Gleichstrom-Magnetfeld im Bereich des
induktiven Messkopfes (T) auf die Ferrarisscheibe (F) einkop
pelbar ist.
4. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Erregerspule (14) das Hauptmagnetfeld zwischen dem
induktiven Messkopf (T) und der Ferrarisscheibe (F) proportional
zum drehzahlabhängigen Steuersignal (Vω) verstärkbar
ist.
5. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Verknüpfung zwischen der Drehzahl (ω) der Ferrarisschei
be (F) und dem Steuersignal (Vω) über eine geeignete Kennli
nie erfolgt.
6. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Erregerspule (14) das Wirbelstromgleichfeld propor
tional zum drehzahlabhängigen Steuersignal (Vω) verringerbar
ist.
7. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zusätzliche Gleichstrom-Magnetfeld-Erregerkreis (13, 14,
IK, RK) mit dem Sensor einen Regelkreis bildet, indem das
drehzahlabhängige Steuersignal (Vω) aus der beschleunigungs
abhängigen Größe (Vα) des Sensors generierbar ist.
8. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das drehzahlabhängige Steuersignal (Vω) durch einen Integra
tor (13) durch Integration der beschleunigungsabhängigen Grö
ße (Vα) generierbar ist.
9. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das drehzahlabhängige Steuersignal (Vω) durch einen weiteren
Magnetfeldsensor (15) aus dem magnetischen Feld des Beschleunigungssensors,
insbesondere aus dem Feld (Bmess) im Wirbel,
ableitbar ist.
10. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere Magnetfeldsensor (15) als Hallsensor oder XMR-
Sensor ausgebildet ist.
11. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
anhand des Messwertes des Magnetfeldsensors (15) das Feld
(Bmess) im Wirbel auf einen vorgebbaren Wert, insbesondere zu
Null, regelbar ist.
12. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
neben dem Magnetfeldsensor (15) eine Detektorspule (16, 16')
zur Erfassung einer durch das magnetische Feld des Beschleu
nigungssensors, insbesondere das Feld (Bmess) im Wirbel, in
duzierten Spannung (Uind) vorgesehen ist.
13. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine zu einer durch das magnetische Feld des Beschleunigungs
sensors, insbesondere das Feld (Bmess) im Wirbel, induzierten
Spannung (Uind) proportionale Größe (20) durch ein Mittel zur
Differentiation (19) dieses magnetischen Feldes (Bmess) gene
rierbar ist.
14. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein ermittelter kompensierender Gleichstrom (IK) einen nie
derfrequenten Anteil der Beschleunigung liefert und die durch
das magnetische Feld des Beschleunigungssensors, insbesondere
das Feld (Bmess) im Wirbel, induzierte Spannung (Uind) oder
die dazu proportionale Größe (20) einen hochfrequenten Anteil
der Beschleunigung liefert und beide Signale (IK; Uind, 20)
zu einem breitbandigen Beschleunigungssignal kombinierbar
sind.
15. Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungs
sensors nach dem Ferrarisprinzip nach einem der Ansprüche 9
bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch Addition des Messwertes (Bmess) des Magnetfeldsensors
(15) mit dem Kompensationsstrom (IK) ein der Drehzahl (v, ω)
proportionaler breitbandiger Wert ermittelbar ist.
16. Verwendung von einem Beschleunigungssensor nach dem Fer
rarisprinzip und einer Auswerteschaltung nach einem der vo
rangehenden Ansprüche in einer numerisch gesteuerten Werk
zeugmaschine, Roboter oder dergleichen.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10064835A DE10064835C2 (de) | 2000-12-22 | 2000-12-22 | Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip |
US09/918,653 US6848308B2 (en) | 2000-12-22 | 2001-07-31 | Circuit arrangement for evaluating an acceleration sensor using the Ferraris principle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10064835A DE10064835C2 (de) | 2000-12-22 | 2000-12-22 | Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10064835A1 DE10064835A1 (de) | 2002-07-04 |
DE10064835C2 true DE10064835C2 (de) | 2002-11-14 |
Family
ID=7668851
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10064835A Expired - Fee Related DE10064835C2 (de) | 2000-12-22 | 2000-12-22 | Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6848308B2 (de) |
DE (1) | DE10064835C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005060250A1 (de) * | 2005-12-14 | 2007-06-28 | Fisw Steuerungstechnik Gmbh | Verfahren zur Erzeugung einer Empfangswechselspannung für ein Relativbeschleunigungsmesssystem nach dem Ferrarisprinzip |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7253609B2 (en) * | 2001-10-08 | 2007-08-07 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Encapsulated measuring apparatus for detecting a velocity and/or acceleration of a rotationally or linearly moved component |
DE10352303A1 (de) * | 2003-11-06 | 2005-06-09 | Rieter Ingolstadt Spinnereimaschinenbau Ag | Streckwerk für eine Spinnereimaschine |
US8215169B2 (en) * | 2009-03-26 | 2012-07-10 | Honeywell International Inc. | Using pole pieces to guide magnetic flux through a MEMS device and method of making |
US8474335B2 (en) | 2010-01-12 | 2013-07-02 | Veltek Associates, Inc. | Microbial air sampler |
US10136845B2 (en) | 2011-02-28 | 2018-11-27 | Abbott Diabetes Care Inc. | Devices, systems, and methods associated with analyte monitoring devices and devices incorporating the same |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19828372A1 (de) * | 1998-06-17 | 1999-12-30 | Huebner Elektromasch Ag | Vorrichtung zum Messen von Dreh- oder Linearbeschleunigungen |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5363706A (en) * | 1989-11-24 | 1994-11-15 | Lew Hyok S | Convective acceleration flowmeter |
EP0661543B1 (de) * | 1993-12-29 | 1998-04-29 | BOEHRINGER, Andreas, Prof. Dr.-Ing.habil. | Gebersystem zur Ermittlung wenigstens einer der drei Grössen Drehbeschleunigung, Winkelgeschwindigkeit oder Winkellage eines rotierenden Bauteils |
DE10032143C2 (de) * | 1999-09-30 | 2002-07-18 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Ferraris-Sensor und Verfahren zum Betrieb eines Ferraris-Sensors |
DE19947277A1 (de) * | 1999-09-30 | 2001-04-05 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Positionsmeßsystem mit integriertem Beschleunigungssensor |
-
2000
- 2000-12-22 DE DE10064835A patent/DE10064835C2/de not_active Expired - Fee Related
-
2001
- 2001-07-31 US US09/918,653 patent/US6848308B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19828372A1 (de) * | 1998-06-17 | 1999-12-30 | Huebner Elektromasch Ag | Vorrichtung zum Messen von Dreh- oder Linearbeschleunigungen |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005060250A1 (de) * | 2005-12-14 | 2007-06-28 | Fisw Steuerungstechnik Gmbh | Verfahren zur Erzeugung einer Empfangswechselspannung für ein Relativbeschleunigungsmesssystem nach dem Ferrarisprinzip |
DE102005060250B4 (de) * | 2005-12-14 | 2008-01-03 | Fisw Steuerungstechnik Gmbh | Verfahren zur Erzeugung einer Empfangswechselspannung für ein Relativbeschleunigungsmesssystem nach dem Ferrarisprinzip |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20020078748A1 (en) | 2002-06-27 |
DE10064835A1 (de) | 2002-07-04 |
US6848308B2 (en) | 2005-02-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69009541T2 (de) | Eiserne Objekte detektierende Anordnung. | |
EP1847810B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Positionsdetektion | |
EP1182422B1 (de) | Linearbetätigungsvorrichtung | |
DE4112276C2 (de) | ||
DE10032143C2 (de) | Ferraris-Sensor und Verfahren zum Betrieb eines Ferraris-Sensors | |
DE3438120A1 (de) | Stoerfeldfester naeherungsschalter | |
DE3411773A1 (de) | Vorrichtung zur erfassung der drehzahl und/oder eines drehwinkels einer welle | |
DE3639208A1 (de) | Magnetoresistiver sensor zur abgabe von elektrischen signalen | |
DE10214733A1 (de) | Magnetflussdetektor und -detektionsverfahren | |
DE10064738A1 (de) | Meßgerät und Verfahren zur Prüfung des Meßbetriebs eines Meßgeräts | |
DE3730841A1 (de) | Wirbelstrom-tachometer | |
DE10214734B4 (de) | Magnetflussdetektor | |
DE10064835C2 (de) | Schaltungsanordnung zur Auswertung eines Beschleunigungssensors nach dem Ferrarisprinzip | |
DE69924540T2 (de) | Messanordnung für Wechselstrom oder Gleichstrom | |
AT404653B (de) | Näherungsschalter | |
DE19637716C1 (de) | Magnetisch-induktives Durchflußmeßverfahren und Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines ein Meßrohr durchfließenden Meßmediums | |
DE19642752B4 (de) | Meßgerät zur Feststellung der Änderung eines Magnetfeldes | |
CH678090A5 (de) | ||
DE4435678A1 (de) | Magnetfeldsensor | |
DE3605995C2 (de) | Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers | |
DE102019124857A1 (de) | Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmomentes und einer Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle | |
CH622888A5 (de) | ||
DE3517509C2 (de) | Meßeinrichtung an einem Kraftfahrzeug zum Erfassen von Betriebskenngrößen | |
DE10216635B4 (de) | Bewegungsdetektor nach dem Ferrarisprinzip | |
DE3331755C2 (de) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |