DE102004033085A1

DE102004033085A1 - Integrator-Auswerteeinheit für Wirbelstromsensoren

Info

Publication number: DE102004033085A1
Application number: DE200410033085
Authority: DE
Inventors: Jochen Reiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: DE102004033085B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Induktivität einer Spule (2), insbesondere zur Anwendung an einem Wirbelstromsensor (1). Eine besonders einfach gebildete und robuste Auswerteeinheit umfasst einen Integrator (10), als dessen integrierende Einheit die Spule angeschlossen ist, wobei der Integrator (10) ein Ausgangssignal U₂, s1) erzeugt, dessen Gradient von der Induktivität (L) der Spule (2) abhängt. Dabei werden durch eine zyklische Abfolge von Aufwärts- und Abwärtsintegrationsvorgängen sowohl Wirbelströme in einem leitfähigen Geber hervorgerufen als auch die durch die Wirbelströme beeinflusste Spuleninduktivität ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswerteeinheit für einen Wirbelstromsensor, insbesondere zur Weg- oder Winkelmessung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Wirbelstromsensoranordnung mit einer solchen Auswerteeinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.

Wirbelstromsensoren werden heute insbesondere als Näherungssensoren zur Abstandsmessung oder zur Positionsbestimmung beweglicher Teile eingesetzt. Bekannte Wirbelstromsensoren umfassen in der Regel einen Sensor mit einer Spule, sowie einen leitfähigen Geber und arbeiten im wesentlichen nach folgendem Prinzip:
Die Spule wird mit einem hochfrequenten Strom betrieben und erzeugt in ihrer näheren Umgebung ein hochfrequentes magnetisches Feld, das im Geber Wirbelströme hervorruft. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spule entgegengesetztes magnetisches Feld. Je nach Abstand zwischen Sensor und Geber ist dieses Gegenfeld unterschiedlich groß. Die Spule zeigt somit je nach Abstand eine unterschiedliche Ersatzinduktivität bzw. eine unterschiedliche komplexe Impedanz. Die Impedanz- bzw. Induktivitätsänderung kann mittels einer Auswerteschaltung erfasst und somit der Abstand bestimmt werden.

Bekannte Auswerteschaltungen messen üblicherweise die Resonanzfrequenz eines aus der Spule und einem Kondensator bestehenden LC-Schwingkreises. Die Resonanzfrequenz ändert sich je nach Position des Gebers, wodurch wiederum der Abstand bestimmt werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen andere Art von Auswerteschaltung zu schaffen, die möglichst einfach aufgebaut, störfest und temperaturunempfindlich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 12 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Induktivität einer Spule mittels einer Auswerteeinheit zu bestimmen, die einen Integrator umfasst, als dessen integrierende Einheit die Spule angeschlossen ist. Der Integrator erzeugt dabei ein Ausgangssignal, dessen Gradient von der Induktivität der Spule abhängt. Das Ausgangssignal des Integrators kann nun weiter aufbereitet und ausgewertet und dadurch die Induktivität der Spule bzw. ein hierzu proportionaler Messwert (z.B. ein Weg oder Winkel) bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit hat den Vorteil, dass die gesuchte Messgröße besonders einfach ermittelt werden kann. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit sehr störfest und temperaturunempfindlich.

Der Integrator kann z.B. derart realisiert sein, dass der Integrationsvorgang entweder über eine vorgegebene Zeitdauer oder bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwerts durchgeführt wird. Im ersten Fall ist die Höhe des Ausgangssignals und im zweiten Fall die bis zum Erreichen des Schwellenwerts benötigte Zeit ein Maß für die Induktivität der Spule.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Integrator derart ausgelegt, dass das an seinem Eingang anliegende Eingangssignal eine vorgegebene Zeitspanne aufintegriert wird. Je nach Induktivität der Spule, und somit dem Gradienten des Ausgangssignals, wird nach der vorgegebenen Zeitspanne ein unterschiedlich hohes Ausgangssignal erreicht. Daraus kann wiederum die Induktivität der Spule bzw. eine andere Messgröße ermittelt werden.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Integrator derart ausgelegt, dass das an seinem Eingang anliegende Eingangssignal so lange aufintegriert wird, bis sein Ausgangssignal (oder ein daraus abgeleitetes Signal) eine vorgegebene Schwelle erreicht hat. Je nach Induktivität der Spule, und somit Gradient des Ausgangssignals, wird diese vorgegebene Schwelle zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt erreicht. Daraus kann wiederum die Induktivität der Spule oder eine andere Messgröße bestimmt werden.

Das am Eingang des Integrators anliegende Eingangssignal wird vorzugsweise in einer ersten Phase aufintegriert (eine vorgegebene Zeitdauer oder bis zu einer vorgegebenen Schwelle), dann das Ausgangssignal abgetastet und in einer zweiten Phase wieder zurückgesetzt. Danach kann ein weiterer Integrationsvorgang folgen.

Die Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise eine am Eingang des Integrators angeordnete Spannungsquelle, deren Spannung der Spule hochfrequent aufgeprägt wird. Bei der Spannungsquelle kann es sich z.B. um einen Spannungsoszillator oder eine geschaltete Spannungsquelle handeln, der bzw. die vorzugsweise eine Rechteckspannung ausgibt. Die Integrator-Eingangsspannung ist somit eine Funktion der Quellenspannung. Die Spannungsquelle ist ferner vorzugsweise temperaturkompensiert, wodurch die Auswertung temperaturunempfindlicher wird.

Der Integrator umfasst vorzugsweise einen rückgekoppelten Operationsverstärker, in dessen Rückkoppelpfad eine Widerstandsanordnung mit veränderbarem Widerstand vorgesehen ist. Die Widerstandsanordnung kann z.B. einen Schalter umfassen, mit dem der Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung verändert werden kann. Durch Veränderung des Gesamtwiderstandes ist es möglich, den Gradienten des Ausgangssignals des Integrators zu beeinflussen und somit beispielsweise das Zurücksetzen des Ausgangssignals in kürzerer Zeit (mit hohem Gradienten) durchzuführen als das Auf integrieren. Zu diesem Zweck wird der Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung in der zweiten Phase vorzugsweise größer eingestellt als in der Aufintegrationsphase.

Vorzugsweise enthält die Auswerteeinheit auch einen geschalteten Rückkoppelpfad mit einer Schalteinheit, einem Proportionalglied (Dämpfung/Verstärkung), sowie einem Additions-/Subtraktionsknoten, welcher das Integratorausgangssignal auf den positiven Eingang des Operationsverstärkers zurückkoppelt.

Die Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise eine Logik, mit der der Ablauf der Aufintegrations- und Rücksetzphasen gesteuert wird. Die Logik erzeugt zu diesem Zweck vorzugsweise wenigstens ein Signal zum Schalten der Widerstandsanordnung sowie der geschalteten Rückkopplung am positiven Eingang und einen Abtastimpuls für ein Abtast- und Halte-Glied (S&H-Glied) zum Abtasten des Ausgangssignals des Integrators.

Dem S&H-Glied (S&H: Sample and Hold) ist vorzugsweise ein Tiefpaß nachgeschaltet, mit dem das Augangssignal des S&H-Glieds gefiltert wird.

Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit kann ganz allgemein zur messtechnischen Bestimmung der Induktivität einer unbekannten Zweipolanordnung genutzt werden, z.B. in einem Induktivitätsmessgerät oder als Auswerteinheit bei Sensoren, bei denen die physikalische Größe mit einer Induktivitätsänderung eines Zweipols verknüpft ist.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung in einer Wirbelstromsensoranordnung, insbesondere zur Weg- oder Winkelmessung, die einen Sensor mit einer Spule zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem leitfähigen Geber aufweist. Durch eine Relativbewegung zwischen der Sensorspule und dem Geber ändert sich die Induktivität bzw. komplexe Impedanz der Spule in Abhängigkeit von der relativen Position, so dass durch Auswertung der Induktivität die gewünschte Messgröße (z.B. Abstand, Weg oder Winkel) bestimmt werden kann. Die Spule dient bei diesem Anwendungsbeispiel gleichzeitig als induzierendes Element, das im Geber Wirbelströme hervorruft, und als Messspule der Auswerteeinheit, deren Induktivität bestimmt wird.

Die Auswerteeinheit kann entweder als Elektronikschaltung (Hardware) oder als Mikrocontroller/Signalprozessor mit entsprechend schnellen A/D- bzw. A/D-Umsetzern und einer entsprechenden Software realisiert sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Wirbelstromsensoranordnung mit mehreren Sensoren und einem Geber in Abwicklungsansicht;
2 eine Wirbelstromsensoranordnung zur Winkelmessung mit einem inkrementellen Geberrad;
3 eine Wirbelstromsensoranordnung mit einer Auswerteschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 verschiedene Signale der Auswerteschaltung von 3;
5 verschiedene Signale der Auswerteschaltung von 3 in einem größeren Maßstab;
6 eine vergrößerte Ansicht verschiedener Signale der Auswerteschaltung von 3;
7 eine Prinzipdarstellung eines Integrators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
8 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung; und
9 verschiedene Signale einer Auswerteschaltung bei Integration bis zu einer festen Grenze.
1 zeigt eine Wirbelstromsensoranordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c und einem Geber 6. Der Geber 6 umfasst eine Spur 5, die von den Sensoren 1a, 1b, 1c abgetastet wird. Hierzu sind die Sensoren 1a, 1b, 1c und der Geber 6 relativ zueinander in Längs- bzw. Bewegungsrichtung C des Gebers 6 beweglich.
Die Spur 5 umfasst mehrere Bereiche hoher elektrischer Leitfähigkeit 3 („Zähne") und Bereiche geringer elektrischer Leitfähigkeit 4 („Lücken"), die periodisch alternierend angeordnet sind und die von den Sensoren 1a, 1b, 1c erkannt werden. Sie können als erhabene Zähne/nicht erhabene Lücken, wie bei einem Zahnrad ausgebildet sein, aber auch durch Stanzen aus einem Blech oder durch Aufbringen einer leitfähigen Schicht (z.B. Metallfolie etc.) auf einen nichtleitfähigen Körper (z.B. Kunststoff). Die „Zähne" sollen dabei möglichst nicht ferromagnetisch sein.
Dabei arbeitet die Sensoranordnung 1, 4 im wesentlichen nach folgendem Prinzip.
Jeder der Sensoren 1a, 1b, 1c umfasst eine Spule 2, die von einem transienten oder wechselförmigen HF-Strom durchflossen wird, dessen Frequenz z.B. in einem Bereich zwischen 500kHz und 10MHz liegt. Dadurch wird in der näheren Umgebung der Spulen jeweils ein ebenso hochfrequentes magnetisches Feld erzeugt, das wiederum in der leitfähigen Spur 5 des Gebers 6 Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spulen 2 entgegengesetztes Magnetfeld.
Je nach relativer Position des Gebers 6 bezüglich der Sensoren 1a, 1b, 1c sind die induzierten Wirbelströme und somit auch das Gegenfeld unterschiedlich groß. Liegt einem der Sensoren, z.B. 1a, ein Zahn 3 gegenüber, so ist das induzierte Gegenfeld relativ groß. Liegt dem Sensor 1a dagegen eine Lücke 4 gegenüber, so ist das Gegenfeld wesentlich kleiner.
Durch das entgegengesetzte Magnetfeld verändert sich die Ersatzinduktivität L bzw. komplexe Impedanz der Spulen 2 bezüglich ihrer Anschlussklemmen. Steht einer Spule 2 z.B. ein Zahn 3 gegenüber, so hat diese Spule 2 eine kleine Ersatzinduktivität und somit eine betragsmäßig kleine komplexe Impedanz. Steht der Spule 2 hingegen eine Lücke 4 gegenüber, so weist diese Spule 2 eine große Ersatzinduktivität und somit eine betragsmäßig große komplexe Impedanz auf. Die Induktivitätsänderung kann durch eine geeignete Auswerteschaltung 7 (siehe 3) erfasst werden.
Die Sensorspulen 2 können z.B. als flache Spulen in Form einer gedruckten Schaltung oder auch als flache gewickelte Spulen ausgeführt sein. Als Trägermaterial kann beispielsweise eine Polyimidfolie oder ein Keramiksubstrat eingesetzt werden. Hierdurch wird eine hohe Temperaturbeständigkeit erreicht. Zum Schutz gegen aggressive Medien können die Spulen 2 auch von temperaturbeständigen Werkstoffen, wie z.B. Silicon oder Polyphenylensulfid (z.B. Tedur) umgeben werden.
2 zeigt eine Seitenansicht einer Messanordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c und einem Inkremental-Geberrad 8. Das Geberrad 8 ist an einer Welle befestigt und rotiert in Umfangsrichtung D. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Geberrad 8 eine umfangsseitige Spur 5 mit mehreren Zähnen 3 und Lücken 4. Die von den Sensoren 1a, 1b, 1c aufgenommenen Signale werden einer Auswerteschaltung 7 zugeführt, die beispielsweise als Elektronikschaltung (Hardware) oder als Mikrocontroller/Signalprozessor mit entsprechend schnellen A/D- bzw. A/D-Umsetzern und einer entsprechenden Software realisiert sein kann.
Ein Messanordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c hat den Vorteil, dass die Auflösung im Vergleich zu einer Anordnung mit nur einem Sensor wesentlich erhöht werden kann. Bei einer Anordnung mit drei Sensoren erhält man alle 60° eine Schaltflanke, d.h. eine Auflösung von 60°. Mit mehr als drei Sensoren kann die Auflösung entsprechend erhöht werden. Weiterhin hat diese Anordnung den Vorteil, dass die relative Lage der Spur 5 zu den Spulen 2 immer, auch sofort nach dem Einschalten des Systems im Rahmen der Auflösegenauigkeit bekannt ist (True Power On). Auch kann die Dreh-/Bewegungsrichtung immer festgestellt werden, sobald ein Minimalweg bzw. -winkel, der die Auflösungsgrenze übersteigt, zurückgelegt worden ist.
Wegen der periodisch abwechselnden Anordnung von Zähnen 3 und Lücken 4 ergibt sich eine trapezförmige Änderung der Ersatzinduktivitäten der Spulen 2 und somit ein trapez- bzw. impulsförmiges Sensorsignal mit zwei Zuständen (high, low), wie es z.B. in 6 unten dargestellt ist.
Bei Verwendung dieser Anordnung zur Rotorlagebestimmung in einer elektrischen Maschine, z.B. in einem Fahrzeug zur Bestimmung des elektrischen Winkels des Fahrzeuggenerators, ist die Anzahl der Perioden (Zähne und Lücken) derart gewählt, dass sie mit der Polpaarzahl p der elektrischen Maschine übereinstimmt. Eine Periode entspricht in diesem Fall einem elektrischen Winkel von 360°. Durch Auswertung der Ersatzinduktivität bzw. Impedanzänderung der Spulen 2 des Sensors 1 kann der elektrische Winkel zu jeder Zeit mit der vorgegebenen Auflösung bestimmt werden. Der elektrische Winkel wird insbesondere zur sogenannten feldorientierten Regelung benötigt, bei der die Drehströme im R-S-T-System in eine dq-System (karthesisches, mitrotierendes Koordinatensystem) und zurück transformiert werden. Der elektrische Winkel des Generators wird daher auch als "Transformationswinkel" oder Polradwinkel bezeichnet. Der elektrische Winkel ist dabei gleich dem tatsächlichen mechanischen Winkel des Rotors multipliziert mit der Polpaarzahl p der Maschine.
Eine Maschine mit der Polpaarzahl p hat also p Perioden (jeweils von 0 bis 360°) des elektrischen Winkels pro mechanischer Umdrehung. Für die Regelung ist es in der Regel unerheblich, in welcher der Perioden sich der Rotor gerade befindet. Wichtig ist, wo sich der Rotor innerhalb einer solchen Periode befindet. Dies kann mittels der hier dargestellten Messanordnung mit einer Auflösung von 60° genau bestimmt werden (bei 3 Sensoren, um 120°el. jeweils versetzt).
3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Auswerteschaltung 7 zur Bestimmung eines elektrischen Winkels. Die Auswerteschaltung 7 kann z.B, in jedem der Sensoren 1a, 1b, 1c enthalten sein und umfasst im wesentlichen einen Integrator 10, eine Logik 11, ein S&H-Glied 13, einen Tiefpaß 14, eine Offset-Kompensationsschaltung 15 und einen Komparator 16. Die Auswerteschaltung 7 arbeitet dabei im wesentlichen nach folgendem Prinzip:
Der Integrator 10, als dessen integrierende Einheit die Spule angeschlossen ist, erzeugt mittels des Taktsignals Clock ein internes Signal (in 3 nicht dargestellt), das phasenweise jeweils eine vorzugsweise konstante Spannung aufweist, also z.B. ein Rechtecksignal mit zwei Pegeln, dessen Umschaltzeitpunkte High-Low sowie Low-High durch das Taktsignal bestimmt werden. Das interne Signal wird mithilfe der Spuleninduktivität z.B. über ein vorgegebenes Zeitintervall auf integriert und dadurch ein Ausgangssignal s1 erzeugt, dessen Gradient von der Induktivität L der Spule 2 abhängt. Die Länge der Integrationsphasen wird durch den Taktgeber 12 vorgegeben, dessen Taktsignal Clock dem Integrator zugeführt wird.
Je nachdem, ob der Spule ein Zahn 3 oder eine Lücke 4 gegenüberliegt, ist das Ausgangssignal s1 nach Ablauf der Integrationszeit unterschiedlich groß. Die relative Position des Geberrades 8 kann dadurch mit der Genauigkeit der Unterteilung des Geberrades bestimmt werden (Bei einem Sensor; bei n um 360°el/n versetzten Sensoren mit der n-fachen Genauigkeit).
Alternativ kann die Integration auch solange durchgeführt werden, bis das Ausgangssignal s1 einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht. In diesem Fall ist die Zeitdauer bis zum Erreichen des vorgegebenen Schwellenwertes ein Maß für die Induktivität L der Spule 2 und somit für die relative Position des Geberrades 8.
Nach der Integrationsphase wird das Ausgangssignal s1 abgetastet und danach durch Zuschalten eines speziellen Rückkoppelpfades (siehe 8, Elemente 27, 30, 31) auf den Integrationsanfangswert, z.B. 0V, zurückgeregelt, so dass ein neuer Integrationsvorgang beginnen kann.
Zur Steuerung der einzelnen Phasen des Auswerteverfahrens ist eine Logik 11 vorgesehen, die mit dem Integrator 10 und einem nachgeschalteten S&H-Glied verbunden ist. Die Logik 11 erzeugt verschiedene Steuerimpulse, nämlich ein Signal (z.B. Clock), mit dem die Integration gestartet wird, ein Signal Sample, mit dem ein Abtastwert aufgenommen wird, und ein Signal Reset, mit dem das Ausgangssignal s1 wieder zurückgesetzt wird.
Die Auswerteschaltung 7 umfasst ferner einen Tiefpaß 14 zum Filtern des abgetasteten Signals s2 zur Erfüllung des Abtasttheorems nach Nyquist. Ferner kann eine Einrichtung zum Offset-Abgleich 15 vorgesehen sein, mit der Signalverschiebungen im Ausgangssignal s3 des Tiefpassfilters 13 z.B. aufgrund von Bauteiletoleranzen oder auch Temperaturdriften abgeglichen werden können. Das gefilterte und abgeglichene Signal s4 wird schließlich einem Komparator 16 zugeführt, an dessen Ausgang ein Rechtecksignal s5 ausgegeben wird.
4 zeigt verschiedene Signale der Auswerteschaltung 7 von 3. Dabei bezeichnet das Signal „Clock" ein Taktsignal, dessen Frequenz im Falle einer Integration über eine vorgegebene Zeit die Frequenz des Integrationsverfahrens bestimmt. Bei steigender Flanke des Signals „Clock" wird jeweils eine Integrationsphase gestartet und gleichzeitig eine vorzugsweise konstante Spannung U₁ (siehe 7) an die Spule 2 angelegt. Der Spulenstrom I (siehe Signal I) und das Integrator-Ausgangssignal s1 (siehe Signal s1) nehmen entsprechend linear zu, wobei die Integrationssteilheit des Signals s1 von der Induktivität L der Spule 2 abhängt.
Bei der nächsten fallenden Flanke des Signals „Clock" wird die Spannung U₁ ausgeschaltet, wodurch der Integrator 10 über ein Eingangssignal von 0 V integriert und somit das Ausgangssignal s1 konstant bleibt. Mit fallender Flanke des Taktsignals „Clock" erzeugt die Logik 11 einen Abtastimpuls (siehe Signal „Sample"), mit dem das S&H-Glied 13 aktiviert wird und das Signal s1 abtastet.
Nach dem Aufnehmen eines Abtastwertes wird das Ausgangssignal s1 wieder zurückgeregelt. Zu diesem Zweck erzeugt die Logik 11 einen Reset-Impuls (siehe Signal „Reset"). Danach kann mit der nächsten steigenden Flanke des Signals „Clock" eine neue Integrationsphase beginnen.
Die Signale s2 und s3 zeigen das Ausgangssignal des S&H-Glieds 13 (s2) bzw. das Ausgangssignal des Tiefpaß-Filters 14 (s3).
5 zeigt dieselben Signale wie in 4 in einem größeren Zeitmaßstab. Dabei ist insbesondere anhand der Signale s1 bis s3 gut zu erkennen, wie sich die Induktivität L der Spule 2 bei einer Drehung des Geberrades 8 ändert. Wenn der Spule 2 ein Zahn 3 gegenüberliegt wird ein höherer Wert s1 erreicht als bei einer Lücke 4.
6 zeigt die Signale s2 und s3 nochmals in vergrößerter Darstellung. Die rechteckförmige Gestalt der Signale s2 und s3 stammt von den Zähnen 3 bzw. Lücken 4 des Geberrades 8. Die gestufte Form des Signals s2 beruht auf der Abtastung durch das S&H-Glieds 13.
7 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Integrators 10 (Der geschaltete Rückkoppelpfad zur Rückregelung des Integrators ist hier weggelassen). Dieser umfasst einen rückgekoppelten Operationsverstärker 20 mit einem Rückkoppelpfad 22, in dem eine Widerstandsanordnung 23 angeordnet ist. Die Spule 2 ist am invertierten Eingang (-) angeschlossen und gegen Masse geschaltet. Am nichtinvertierten Eingang (+) des Operationsverstärkers 20 ist eine Spannungsquelle 21 angeschlossen. Die Spannungsquelle 21 wird von der Logik 11 (bzw. einem Taktgeber 12) getaktet und erzeugt somit eine Rechteckspannung U₁. Die Ausgangsspannung des Integrators 10 ist mit U₂ bezeichnet.
Im aktiven linearen Betrieb gilt: u1 (t) = uL (t)
u2 = u1 + R·i
Daraus folgt:
Bei einer konstanten Spannung u₁ gilt:
Die Ausgangsspannung u₂ ist somit von der Induktivität L und dem Widerstand R der Widerstandsanordnung 23 abhängig.
8 zeigt eine etwas detailliertere Ansicht einer Auswerteschaltung 7 mit einem Integrator 10. Der dargestellte Integrator 10 entspricht im Prinzip dem Integrator 10 von 7.
Die Widerstandsanordnung 23 umfasst in diesem Fall eine Widerstands-Parallelschaltung mit Widerständen 24 und 25 und einem Schalter 26. Der Schalter 26 dient dazu, den Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung 23 zu variieren, um das Ausgangssignal s1 nach einer Integrations- und Abtastphase möglichst schnell wieder auf sein Ausgangsniveau zurückzuregeln. In der Rücksetzphase wird der Schalter 26 geöffnet und somit der Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung 23 vergrößert.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist ferner über einen Schalter 27 mit dem nicht-invertierten Eingang (+) verbunden. Der Schalter 27 dient dazu, in einer Rücksetzphase das Ausgangssignal s1 mit negativem Vorzeichen (wegen des Subtrahierers 30) auf den nicht-invertierten Eingang (+) zurückzuführen. Die Logik 11 erzeugt am Anfang der Rücksetzphase einen Rücksetz-Impuls „Reset" und schaltet dadurch den Schalter 27 ein und öffnet gleichzeitig den Schalter 26. Hierzu invertiert der Inverter 28 das Logiksignal reset. Dadurch wird eine Abwärtsintegration eingeleitet, mit der das Ausgangssignal s1 des Operationsverstärkers 20 zurückgeregelt wird.
Das Taktsignal Clock des Taktgebers 12 steuert ferner einen Schalter 29, mit dem die Spannung U₁ periodisch an den nichtinvertierten Eingang (+) des Operationsverstärkers 20 angelegt wird. Diese Spannung ist temperaturkompensiert und kann, sofern es zur Elimination parasitärer Effekte dienlich ist, auch als zeitlich nicht konstante Spannungsquelle ausgeführt sein.
Der Taktgeber 12 ist ferner mit der Logik 11 verbunden, so dass die Logik bei fallender Flanke des Taktsignals Clock einen Abtast-Impuls Sample an das S&H-Glied 13 ausgeben kann. Das Ausgangssignal des S&H-Gliedes 13 wird schließlich einem Tiefpaß 14 zugeführt und gefiltert.
9 zeigt den Verlauf des Spulenstroms I und des Ausgangssignals s5 der Auswerteschaltung von 3 bei einer Integration bis zu einer vorgegebenen Grenze SW1. Der Integrator 10 von 3 integriert in diesem Fall so lange, bis das Ausgangssignal s1 einen vorgegebenen Schwellenwert SW1 erreicht hat.
Nach dem Erreichen des Schwellenwertes SW1 wird der Integrand negiert, wodurch eine Abwärtsintegration mit einer durch die Eigeninduktivität der Spule bestimmten Steilheit durchgeführt wird, bis eine untere Schwelle SW2 erreicht ist. Die Zeitdauer der Aufintegrationsphase oder der Abintegrationsphase kann in diesem Fall als Maß für die Eigeninduktivität der Spule herangezogen werden. Zur Auswertung des Ausgangssignals s1 kann z.B. ein Flip-Flop eingesetzt werden, dessen Ausgangszustand sich bei Erreichen der Schwellenwerte SW1 bzw. SW2 ändert. Die Frequenz der Zustandswechsel des Flip-Flops ist somit eine Funktion der Spuleninduktivität L (siehe Signal s5). Durch eine Demodulation des Signals s5, z.B. mittels einer Phasenregelschleife (PLL), kann die Spuleninduktivität L bzw. ein gewünschter Messwert (Weg oder Winkel) in einfacher Weise ermittelt werden.

1: Sensor
2: Sensorspule
3: Zahn
4: Lücke
5: Geberspur
6: Geber
7: Auswerteeinheit
8: Geberrad
10: Integrator
11: Logik
12: Taktgeber
13: S&H-Glied
14: Tiefpaß
15: Einrichtung zur Offset-Kompensation
16: Komparator
20: Operationsverstärker
21: Spannungsquelle
22: Rückkoppelpfad
23: Widerstandsanordnung
24, 25: Widerstände
26, 27: Schalter
28: Inverter
29: Schalter
30: Summierknoten
31: Proportionalglied (Verstärker bzw.
: Dämpfungsglied)
C: Bewegungsrichtung
D: Rotationsrichtung
U₁: Eingangsspannung
s1–s5: Signale der Auswerteeinheit 7
Clock: Taktsignal
Sample: Abtastsignal
Reset: Rücksetzsignal
SW₁, SW₂: Schwellenwerte

Claims

Auswerteeinheit zur Bestimmung der Induktivität (L) einer Spule (2), insbesondere zur Anwendung an einem Wirbelstromsensor (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) einen Integrator (10) umfasst, als dessen integrierende Einheit die Spule vorgesehen ist, so dass der Integrator (10) ein Ausgangssignal (U₂, s1) erzeugt, dessen zeitlicher Gradient von der Induktivität (L) der Spule (2) abhängt.
Auswerteeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (10) einen Operationsverstärker (20) umfasst, an dessen Eingang (+) eine Spannungsquelle (21) angeschlossen ist, die eine Rechteckspannung erzeugt.
Auswerteeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (10) einen rückgekoppelten Operationsverstärker (20) aufweist, in dessen Rückkoppelpfad (22) eine Widerstandsanordnung (23) vorgesehen ist.
Auswerteeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung (23) veränderbar ist.
Auswerteeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (10) hochfrequent betrieben wird, wobei der Integrator (10) das Eingangsignal (U1) in einer ersten Phase aufintegriert und in einer zweiten Phase sein Ausgangssignal (U2, s1) zurücksetzt.
Auswerteeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung (23) in der zweiten Phase größer eingestellt wird als in der ersten Phase.
Auswerteeinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) eine Logik (11) umfasst, die zum Steuern der einzelnen Auswertephasen dient.
Auswerteeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit 7 eine Schaltungsanordnung zum Rückkoppeln des Integratorausgangssignals (U₂, s1) auf den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20, umfassend einen Schalter 27, ein Proportionalglied 31 sowie einen Additions-/Subtraktionsknoten 30, aufweist.
Auswerteeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein S&H-Glied (13) vorgesehen ist, mit dem das Ausgangssignal (U₂, s1) des Integrators (10) abgetastet wird.
Auswerteeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (10) derart eingerichtet ist, dass das Eingangssignal (U1) eine vorgegebene Zeitspanne aufintegriert wird
Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (10) derart eingerichtet ist, dass das Eingangssignal (U1) so lange aufintegriert wird, bis das Ausgangssignal (U2, s1) eine vorgegebene Schwelle erreicht hat.
Auswerteeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (21) temperaturkompensiert ist.
Wirbelstromsensoranordnung, insbesondere zur Weg- oder Winkelmessung, umfassend – einen Sensor (1a, b, c) mit einer Spule (2) zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem leitfähigen Geber (6, 8), und – den Geber (6), wobei sich der Sensor (1) und der Geber (6, 8) relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung (C, D) bewegen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstromsensoranordnung (1, 6) eine Auswerteeinheit (10) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche aufweist.