DE102006047827B4 - Verfahren und Schaltung zur Auswertung eines induktiven Wegsensors - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Auswertung eines induktiven Wegsensors (7), wobei die Induktivität L (6) des Wegsensors (7) zunächst mit einer Betriebsspannung Uo bis auf einen vorbestimmten Stromwert iA aufgeladen wird, und anschließend wieder bis auf einen zweiten vorbestimmten Stromwert iE entladen wird, und wobei die Messzeiten tm der Aufladung (t1 bis t2) und der Entladung (t4 bis t5) zwischen vorbestimmten Stromwerten (i1, i2, i4, i5) gemessen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung und die Entladung des Wegsensors (7) über einen Messwiderstand Rm (3) erfolgt, und die Differenz der Messzeiten tm auf und tm ent von Aufladung (t1 bis t2) und Entladung (t4 bis t5) bei gleichen oder unterschiedlichen Werten des Messwiderstands Rm (3) zur Bestimmung des Spulenwiderstands RL und des Störwiderstands RS (4, 5) ausgewertet wird.

Description

• Es ist bekannt, zur Messung von Wegen induktive Wegsensoren zu verwenden. Diese bestehen im wesentlichen aus einer Spule mit einem darin verschiebbaren Eisenkern. Je nach Größe der Verschiebung bzw. je nach gemessenem Weg verstellt sich so die Induktivität der Spule. Diese lässt sich auswerten und mittels einer Tabelle oder einer Formel in den zu messenden Weg umrechnen.
• Ein Beispiel eines derartigen Wegsensors mit Spule und verschiebbarem Kern ist aus der DE 43 18 263 C2 bekannt. Dabei kann der Sensor in einer Umgebung mit stark wechselnden Umgebungstemperaturen, hier zwischen -20 °C und +150 °C, angeordnet sein. Hierdurch können die Messergebnisse verfälscht werden.
• Eine Schaltung zur Auswertung der Induktivität eines Wegsensors ist aus der DE 198 58 147 C2 bekannt. Hier ist die Induktivität in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet. Die Ansteuerung dieser LR-Reihenschaltung erfolgt über eine periodische Impulsspannung. Ausgewertet werden die Zeiten von Aufladung und Entladung der Induktivität. Die Größe der Induktivität wird aufgrund einer Phasenverschiebung bestimmt.
• Eine weitere Auswerteschaltung für eine Induktivität eines Wegsensors ist aus der WO 00/71977 A1 bekannt. Diese Schaltung soll sich dadurch auszeichnen, dass sie weitgehend temperaturunabhängig arbeitet. Hierzu wird eine Spannung mit wechselnder Polarität an die Spule des Wegsensors gelegt, und es wird die Zeitspanne gemessen, in welcher sich der durch die Spule fließende Strom zwischen zwei vorbestimmten Stromwerten ändert. Dabei wird nur die Aufladung der Spule ausgewertet. Die Messung erfolgt periodisch, und die Auswertung erfolgt bei geringen Stromwerten, welche um den Nulldurchgang des Spulenstromes liegen. Hierdurch soll sich der Spulenwiderstand nicht so stark auswirken. Die zwischen den vorbestimmten Stromwerten liegende Messzeit ist proportional der gesuchten Spulen-Induktivität.
• Schließlich ist aus der DE 102 29 760 A1 ein Positionsermittlungsverfahren für einen induktiven Positionssensor bekannt, bei welchem an die Spule zunächst eine Spannung gelegt wird, und anschließend diese Spannung wieder abgeschaltet wird. Hierdurch ergibt sich ein Spulenstrom, welcher zunächst ansteigt und dann wieder abfällt. Zur Ermittlung der Induktivität der Spule werden einzeln sowohl die Zeit der Aufladung als auch die Zeit der Entladung der Spule ausgewertet. Mit Hilfe zweier Gleichungen mit je zwei Unbekannten (L und R) lassen sich daraus diese, nämlich die Induktivität L der Spule und der Ohmsche Widerstand R der Spule, einzeln berechnen. Aus der Induktivität L wird dann der gesuchte Weg bestimmt. Die bekannte Prüfschaltung enthält keinen Messwiderstand. Zusätzlich ist aus dieser Schrift als weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Spulenwiderstandes eine zeitlich besonders lang andauernde Spannungsbeaufschlagung des Wegsensors zur separaten Messung des Spulenwiderstandes bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung zur Auswertung eines induktiven Wegsensors anzugeben, wobei es besonders auf Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber wechselnden Umgebungstemperaturen des Wegsensors ankommt. Weiter sollen auch die jeweiligen Störeinflüsse, nämlich der temperaturabhängige Spulenwiderstand und wechselnde Kontaktwiderstände, erfasst und in ihrer Wirkung weitgehend eliminiert werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichung näher erläutert. Diese zeigt in
• 1 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 2 ein Diagramm von Spannungen und Strömen der Meßschaltung während einer Messung.
• 3 ein Diagramm von Messzeiten bei konstanter Induktivität für die Entladung und die Aufladung über der Summe von Störwiderstand und Spulenwiderstand
• Die 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Meßschaltung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Der auszuwertende induktive Wegsensor (7) ist als Reihenschaltung einer Induktivität L (6) sowie eines Spulenwiderstandes RL (5) dargestellt (Ersatzschaltbild ESB). Die Induktivität (6) ist in bekannter Weise als Spule ausgebildet, in welcher ein verschiebbarer Eisenkern angeordnet ist. Je nach Einschubweg ergibt sich eine unterschiedliche Induktivität. Der Spulenwiderstand RL der Induktivität L ist gesondert dargestellt und in hohem Maße temperaturabhängig. Diese Temperaturabhängigkeit und weitere Störeinflüsse werden durch die erfindungsgemäße Messschaltung weitgehend beseitigt.
• In Reihe zum induktiven Wegsensor (7) liegt ein Widerstand (4), welcher als Störwiderstand (Rs) bezeichnet ist. Dieser Widerstand soll zum einen den temperaturabhängigen Leitungswiderstand der Messschaltung darstellen. Weiter soll der wechselnde Widerstand von im Messkreis enthaltenen Kontakten symbolisiert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Schaltung werden auch diese Störeinflüsse weitgehend eliminiert.
• Die dargestellte Reihenschaltung von Störwiderstand (4) und induktivem Wegsensor (7) lässt sich durch eine Betriebsspannungsquelle (1) mit einer Betriebspannung Uo beaufschlagen. Hierzu muss ein Umschalter (2) geschlossen werden, das heißt ein gemeinsamer Kontakt 2c muss mit einem ersten Kontakt 2a verbunden sein.
• Zwischen der Betriebsspannungsquelle (1) und der Reihenschaltung von induktivem Wegsensor (7) und Störwiderstand (4) befindet sich erfindungsgemäß ein Messwiderstand Rm (3). Dieser kann vorteilhaft in seinem Wert umgeschaltet werden. Hierzu ist eine parallelgeschaltete Widerstandsmatrix (10) vorgesehen. Die möglichen Werte für Rm liegen zweckmässig zwischen 0,1 und 1 Kiloohm.
• Die genannten Bauteile, nämlich Betriebsspannungsquelle (1), Umschalter (2), sowie Messwiderstand Rm (3) können durch einen Mikroprozessor (9) eingeschaltet bzw. in ihren Werten umgeschaltet werden. Der Mikroprozessor (9) dient weiter zum Messen bzw. zum Auswerten der an der Reihenschaltung von induktivem Wegsensor (1) und Störwiderstand (4) abfallenden Messspannung u_m .
• Anstelle des zweiten Kontaktes 2b des Umschalters (2) kann auch eine Diode (8) vorgesehen werden, die zwischen Masse und gemeinsamem Kontakt 2c des Umschalters (2) geschaltet ist (gestrichelt dargestellt).
• Die sich beim Betrieb der Messschaltung ergebenden Spannungen und Ströme sind in der 2 über der Zeit t aufgezeichnet. Ein Messvorgang beginnt bei t0 mit dem Einschalten des Umschalters (2). Dieser ist immer entweder mit dem Kontakt 2b oder 2a verbunden. Bei Verbindung mit dem Kontakt 2a wird die Betriebsspannung Uo über den Messwiderstand (3) und den Störwiderstand (4) an den induktiven Wegsensor (7) gelegt. Infolge der fortschreitenden Magnetisierung der Induktivität (6) ergibt sich ein Strom i_L , welcher gemäß einer Exponential-Funktion auf einen stationären Endwert iA ansteigt. Die Einschaltung erfolgt im Zeitpunkt t0. Bevor der stationäre Endwert des Stroms i_L erreicht wird, wird die Betriebsspannungsquelle U0 durch Umschaltung des Umschalters (2) auf den Kontakt 2b im Zeitpunkt t3 wieder abgeschaltet. Der Kontakt 2c wird dadurch auf Masse geschaltet, wodurch ein Kreisstrom fliessen kann.
• Damit ist die Auflade-Phase der Induktivität (6) beendet, und es beginnt die Entladephase. Diese dauert vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t7, wo eine erneute Aufladephase startet.
• Der Mikroprozessor (9) wertet die an der Reihenschaltung der Elemente (4, 7) abfallende Spannung u_m aus. Wie aus der 2 ersichtlich, startet u_m während der Aufladung mit dem Wert Uo bei t0, und sinkt dann bis zum Zeitpunkt t3 auf einen Minimalwert ab. Während der Entladung startet u_m mit einem negativen Wert bei t3 und steigt dann bis zu einem positiven Endwert bei t7 an. Bei Beginn des nächsten Messzyklus bei t7 springt u_m wieder hoch auf Uo.
• Der in der Meßschaltung fliessende Strom iL ist proportional zum Spannungsabfall am Messwiderstand Rm. Dieser Spannungsabfall lässt sich bestimmen aus der Differenz der konstanten Betriebsspannung Uo und der Meßspannung u_m .
• Die Auswertung der Meßspannung u_m erfolgt in diskreten Zeitpunkten t1, t2 während der Aufladephase bzw. t4, t5 während der Entladephase. Diese Zeitpunkte sind durch vorgegebene Ströme i1, i2 bzw. i4, i5 festgelegt. Aus den Abständen tm auf bzw. tm ent der so ermittelten Zeitpunkte lässt sich erfindungsgemäss, wie unten genauer erläutert wird, die gesuchte Induktivität L ermitteln, wobei weitgehend die Temperatur- sowie sonstige Störeinflüsse eliminiert sind. Im einfachsten Fall werden die Zeiten t1 bis t2 und t4 bis t5 addiert.
• Die so ermittelte Gesamtzeit ist dann proportional der gesuchten Induktivität L bei eliminierten Störeinflüssen.
• Wie oben beschrieben, ergibt sich durch Anlegen einer Spannung an eine Reihenschaltung eines Messwiderstandes und eines induktiven Sensors an der Induktivität eine Spannungs-Kurve, deren Ausgleichszeit ein Maß für die Induktivität ist. Wird am Ende dieser Messung die Induktivität so umgeschaltet, dass sie sich über den gleichen oder über einen anderen Widerstand entlädt, kann hier ebenfalls eine Ausgleichszeit gemessen werden, die auch als Maß für die Induktivität verwendet werden kann. Es kann gezeigt werden, dass sich dabei die Einflüsse von Umgebungstemperatur und Störwiderständen, wie sie z.B. durch Reibkorrosion an im Messkreis befindlichen Kontakten entstehen, in gegenläufiger Art auf die Messergebnisse bei Aufladung und und Entladung der Induktivität auswirken. Wird also die eine Messzeit (Aufladung) erhöht, so verringert sich die andere Messzeit (Entladung) durch genau den gleichen Einfluss. Das bedeutet aber, dass erfindungsgemäss beide Messergebnisse in Kombination dazu verwendet werden können, die Störeinflüsse zu kompensieren.
• Berechnet man an Hand des in der 1 dargestellten Schaltbilds den Wert der Induktivität L in Abhängigkeit von den im Messkreis enthaltenen Widerständen, so ergibt sich für die Aufladephase (t0 bis t3) $$\text{L}=\text{tm auf }\left({\text{R}}_{\text{m}}+{\text{R}}_{\text{S}}+\text{RL}\right)/\text{ln}\left[\frac{{\text{v}}_1\left(\text{Rm}+\text{Rs}+\text{RL}\right)-\left(\text{Rs}+\text{RL}\right)}{{\text{v}}_2\left(\text{Rm}+\text{Rs}+\text{RL}\right)-\left(\text{Rs}+\text{RL}\right)}\right]$$

  
• Darin bedeuten

Rm

Messwiderstand

Rs

Störwiderstand

RL

Spulenwiderstand der Induktivität

tm auf

Messzeit der Aufladung (t1 bis t2)

v1, v2

Schaltschwellen bei der Aufladung in den Zeitpunkten t1, t2 (vn = u_m (tn)/Uo)

u_m (tn)

Meßspannung am Mikroprozessor (9) zur Zeit tn

• Für die Entladephase (t3 bis t7) ergibt sich $$\text{L}=\text{tm ent}\left({\text{R}}_{\text{m}}+{\text{R}}_{\text{S}}+\text{RL}\right)/\text{ln}\left[\frac{{\text{u}}_{\text{m}}\left({\text{t}}_4\right)}{{\text{u}}_{\text{m}}\left({\text{t}}_5\right)}\right]$$

  
• Darin bedeutet

tm ent

Messzeit der Entladung (t4 bis t5)

• Stellt man als Spezialfall die Messzeitpunkte während der Entladung so ein, dass u_m (t4) / u_m (t5) = e, so ergibt sich für den Logarithmus der Formel (2) der Wert 1, und die Formel (2) vereinfacht sich auf $$\text{L}=\text{tm ent }\left(\text{Rm}+\text{Rs}+\text{RL}\right)$$

  
• Die vorstehenden Formeln können vom Mikroprozessor (9) ausgewertet werden. Dabei können und müssen die Induktivitäten L in der Auf- und Entladephase nicht direkt berechnet werden, da die Werte für Rs und RL nicht genau bekannt sind. Es können aber Zählwerte für L bestimmt werden, die etwa proportional der gemessenen Aufladezeit tm auf bzw. Entladezeit tm ent sind. Die mit den obenstehenden Formeln bestimmten Zählwerte können dann z.B. addiert werden und anhand eines Musters des Wegsensors (7) entsprechenden Wegen zugeordnet werden. Diese Zuordnung wird im Mikroprozessor (9) mittels einer Tabelle oder einer Formel gespeichert. Anhand der ermittelten Meßspannungen und der obenstehenden Formeln kann der Mikroprozessor (9) schliesslich die gesuchten Wege bestimmen.
• Aus der Formel (3) ist ersichtlich, dass sich die in der Entladephase ermittelte Induktivität L mit steigenden Widerständen Rm, Rs, RL proportional vergrössert.
• Dagegen ist aus der Formel (1) ersichtlich, dass sich der in der Aufladephase ermittelte Induktivität L mit steigenden Widerständen verkleinert. Dieser Zusammenhang wurde auch durch Versuchsmessungen bestätigt.
• Wie bereits oben erwähnt, kann man also durch Summieren bzw. Durchschnittsbildung der in beiden Phasen jeweils ermittelten Induktivität L den Einfluss der Widerstände verringern bzw. eliminieren. Damit sind Messverfälschungen durchTemperatureinflüsse und wechselnde Kontaktwiderstände weitgehend eliminiert.
• In der 3 ist der Einfluss des Störwiderstands Rs und des Spulenwiderstands RL auf die Meßzeit tm bei einer konstanten Induktivität L graphisch dargestellt. Über der Summe der Störwiderstände (Rs + RL) ist die Messzeit tm für den Fall der Entladung und der Aufladung aufgetragen. Weiter sind die (halbe) Summe sowie die Differenz der Messzeiten eingezeichnet.
• Wie man deutlich erkennt, ist die Summe der Messzeiten der Entlade- und der Aufladephase weitgehend konstant, also von den Störwiderständen unabhängig. Diese Summe ist proportional der gesuchten Induktivität L.
• Eine aus der Summe der Einzel-Induktivitäten gemäss Formeln (1) und (2) oder (3) berechnete Gesamt-Induktivität bzw. ein Gesamt-Zählwert ist also von Störeinflüssen, insbesondere von Temperatureinflüssen, befreit. Dagegen wirken sich die Störwiderstände auf die Differenz verstärkt aus, was zur näheren Bestimmung der Störeinflüsse benutzt werden kann. Eine Einzelbestimmung von Rs oder RL ist nicht möglich.
• Es hat sich weiter als zweckmässig herausgestellt, den Wegsensor in unterschiedlichen Meß-Modi zu betreiben. Hierzu können, wie oben erwähnt, der Messwiderstand und die Betriebsspannung umgeschaltet werden. Dies führt zu voneinander unabhängigen Meßergebnissen, welche auf unterschiedliche Art von den Störgrößen abhängen. Man kann dann die Störgrößen identifizieren bzw. kompensieren. Durch eine geeignete Steuerung der Messung hinsichtlich Uo und Messfrequenz und eine optimierte Dimensionierung der Schaltungs-Parameter hinsichtlich Rm kann der Sensor in einem günstigen magnetischen Arbeitsbereich bzw. Arbeitspunkt betrieben werden. Dabei können insbesondere separate Widerstände Rm für die Auf- und Entladung benutzt werden.
• Messungen haben gezeigt, dass sich das Verhalten der Messzeiten tm auch mit der Dauer der Bestromung sowie der Höhe des Anfangsstroms ändert. Zweckmässig wird nicht die gesamte Ausgleichszeit (t0 bis t3), (t3 bis t7) gemessen, sondern nur die Zeit zwischen jeweils zwei Punkten der Ausgleichskurve (t1 bis t3), (t4 bis t5).
• Praktische Untersuchungen belegen weiter, das es einen Unterschied macht, ob man sofort nach erfolgter Messung von Laden auf Entladen schaltet, oder ob man noch eine Wartezeit einhält. Durch eine Verlängerung oder Verkürzung der Zeit (t2 bis t3) bis zur Abschaltung der Betriebsspannung Uo lässt sich für die folgende Messphase (Entladung) eine geeignete Anfangsbestromung iA einstellen. Durch eine optimierte Dimensionierung der Wartezeit (t2 bis t4) zwischen zwei Messungen lassen sich weitere Messergebnisse erzielen, die zur Diagnose und zur Kompensation herangezogen werden können. Insbesondere kann die Wartezeit gleich Null sein, oder gleich der Aufladezeit (t1 bis t2) sein, oder auch bis zum Erreichen des stationären Endzustands der Ausgleichskurve dauern (nicht dargestellt). Im letzteren Fall wird der Strom iL nur noch von den im Kreis befindlichen Widerständen bestimmt, welche hierdurch gemessen werden können. Dabei lassen sich Abweichungen vom ungestörten Normalfall erkennen, und damit Störungen feststellen.
• Störungen lassen sich erfindungsgemäss auch dadurch erkennen, dass nicht die Summe, sondern die Differenz der Messzeiten bei Auf- und Entladung untersucht wird. Diese hängt, wie oben bereits gezeigt, in besonderem Mass von den Störwiderständen ab. Abweichungen vom Normalfall lassen wiederum auf Störungen schliessen.
• Da sich gezeigt hat, dass die Abhängigkeit der Aufladezeit einerseits und der Entladezeit andererseits von Temperatur und Störwiderstand unterschiedlich stark ist, ist es zweckmässig, eine oder beide der Summanden mit einem Faktor zu gewichten. Dies gilt sowohl bei der Summenbildung als auch bei der Differenzbildung.
• Das erfindungsgemässe Verfahren mit getrennter Auswertung von Auf- und Entladezeiten hat den Vorteil, dass auf analoge Spannungsmessungen verzichtet werden kann. Statt dessen werden lediglich Zeiten gemessen, was für Mikroprozessoren weniger Aufwand bedeutet.
• Da es weiter nicht notwendig ist, den vollständigen Stromausgleich in den Messphasen abzuwarten, lassen sich schnelle Messzyklen erzielen. Durch dass erfindungsgemässe Verfahren lassen sich gleichzeitig die schädlichen Einflüsse von Umgebungstemperatur und von Störwiderständen, wie wechselnden Kontaktwiderständen, kompensieren.
• Das erfindungsgemässe Auswerteverfahren für induktive Wegsensoren kann sinngemäss auch bei kapazitiven Sensoren angewendet werden. Während induktive Sensoren mit einem Anschluß an Masse geschaltet werden (siehe 1), und die Einrichtung zur Messung der Ausgleichsfunktion parallel zum Sensor angeordnet ist, muß ein kapazitiver Sensor in Serie zur Mess-Einrichtung geschaltet sein. Es ergeben sich dann prinzipiell die gleichen Ausgleichskurven.

Claims (3)

1. Verfahren zur Auswertung eines induktiven Wegsensors (7), wobei die Induktivität L (6) des Wegsensors (7) zunächst mit einer Betriebsspannung Uo bis auf einen vorbestimmten Stromwert iA aufgeladen wird, und anschließend wieder bis auf einen zweiten vorbestimmten Stromwert iE entladen wird, und wobei die Messzeiten tm der Aufladung (t1 bis t2) und der Entladung (t4 bis t5) zwischen vorbestimmten Stromwerten (i1, i2, i4, i5) gemessen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung und die Entladung des Wegsensors (7) über einen Messwiderstand Rm (3) erfolgt, und die Differenz der Messzeiten tm auf und tm ent von Aufladung (t1 bis t2) und Entladung (t4 bis t5) bei gleichen oder unterschiedlichen Werten des Messwiderstands Rm (3) zur Bestimmung des Spulenwiderstands RL und des Störwiderstands RS (4, 5) ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Minuend und/oder der Subtrahend mit einem Faktor gewichtet wird.
3. Schaltung zur Auswertung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2.

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