DE102008063936A1 - Messspule und Auswerteverfahren für ein lineares induktives Wegmesssystem - Google Patents

Abstract

Es wird ein induktives Messsystem mit kurzen Sensorabmessungen beschrieben, wobei das Verhältnis Durchmesser der Messspule zur Länge 1:2 ist. Die aus einer Wicklung bestehende Messspule kann einfach an unterschiedliche Messwege angepasst werden. Die Messsignalgewinnung und die Auswertung erfolgt mit einer speziellen Hardware, mit deren Hilfe die Linearitätsabweichung, das Temperaturverhalten und die Langzeitstabilität beeinflusst und korrigiert werden kann.

Description

• Ein induktives Wegmesssystem besteht im Allgemeinen aus einer oder mehreren Spulen, in deren Innern ein weichmagnetisches Material bestimmter Abmessungen bewegt wird. Das weichmagnetische Material verändert bei seiner Bewegung die Induktivität einer Spule, so dass diese Induktivitätsänderung und die sich daraus ergebenden Ströme oder Spannungen als ein Maß für den zurückgelegten Weg betrachtet werden kann.
• Die Messung eines mechanischen Weges durch ein induktives Wegmesssystem erfordert die günstigste Dimensionierung der Spule hinsichtlich der geforderten Einbaubedingungen und einer möglichst geringen Linearitätsabweichung. Entsprechend den Empfehlungen in [1] wird eine lange Spule mit einem kleinen Durchmesser verwendet, um eine geringe Linearitätsabweichungen zu erhalten. Diese Empfehlung lässt sich in den meisten Fällen wegen der Einbaubedingungen nicht erfüllen. Ein anderer wesentlicher Punkt für die Funktion eines linearen induktiven Wegmesssystems ist die Gestaltung der Auswerteelektronik.
• Die Auswertung der Spannungs- oder Stromänderung bei der Messung des mechanischen Weges durch einen linearen variablen Differentialtransformator (LVDT) oder eine Spule mit durch die Kernstellung veränderlicher Induktivität erfolgt in den meisten Fällen durch analoge Schaltungen. Die daraus resultierenden Schaltungen sind sehr aufwändig hinsichtlich der Anzahl der notwendigen Bauelemente insbesondere dann, wenn Auflösungen kleiner als 1 μm bei hohen Bewegungsfrequenzen größer 500 Hz gefordert werden. Die Vermeidung des Rauschens bei analogen Schaltungen erfordert ebenfalls einen erheblichen Schaltungsaufwand, wobei das Rauschen nicht vollständig beseitigt werden kann.
• Die Anwendung von Microcontrollern zur Vermeidung des Rauschens in der Auswerteschaltung setzt eine schnelle A/D-Wandlung voraus, die mit Platz auf der Leiterplatte und nicht zu unterschätzenden Kosten verbunden ist. Die Nutzung der im Microcontroller vorhandenen A/D-Wandler ist nach [2] nur durch die Nutzung des Untersamplingverfahrens möglich. Dies setzt eine sehr hohe Frequenz der Primärspannung voraus und kann nur eingesetzt werden, wenn mehrere Perioden der Ausgangsspannung des induktiven Wegmesssystems nicht voneinander abweichen. Dies kann unter Umständen die Frequenz der Bewegung des mechanischen Teils nicht unerheblich begrenzen.
• Erfindungsgemäß sollen die genannten Nachteile durch die Anwendung einer kurzen Spule im Verhältnis zur Länge des weichmagnetischen Kerns gelöst werden, deren Spulenkörper in der Länge in vier Wickelkammern aufgeteilt wird, in die unterschiedliche Windungszahlen der Spule untergebracht werden können. Durch die Variierung der Windungszahlen in den Wickelkammern ist die Linearisierung der Induktivitätsänderung bei Bewegung des weichmagnetischen Kerns möglich. Dadurch entfällt ein erheblicher Schaltungsaufwand, der in der Auswerteschaltung durch eine nachträgliche Linearisierung der Kennlinie notwendig wird. Ein weitere Vorteil besteht in der erheblichen Verkürzung der Länge der Messspule, so das etwa die halbe Länge der Messspule gleich dem Messweg entspricht bei einem Linearitätsfehler unter einem Prozent.
• Die verwendete Auswerteschaltung soll erfindungsgemäß durch einen Mikrocontroller gesteuert werden, der aufbereitete Signale aus dem induktiven Wegmesssystem erhält. Die prinzipielle Schaltung ist aus dem Blockschaltbild in 1 ersichtlich. Zur Erzeugung des Signals zur Trägerfrequenzgewinnung wird aus dem Clock-Takt des Mikroprozessors über einen internen Frequenzteiler ein Rechtecksignal geringerer Frequenz, z. B. 100 kHz, genutzt. Dieses Rechtecksignal wird in dem Hardwarebaustein Signalaufbereitung in ein Sinussignal mit kleinem Klirrfaktor umgeformt. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass das Rechtecksignal galvanisch entkoppelt an den invertierenden Eingang eines Integrators geschaltet wird. Die gewonnene Dreieckspannung wird in einen Parallelschwingkreis mit einer bestimmten Resonanzfrequenz, z. B. 100 kHz, eingekoppelt. Die einzustellende Bandbreite des Resonanzkreises richtet sich nach dem zu erwartenden Klirrfaktor und nach dem Einfluss der Bauelementetoleranzen. Es hat sich gezeigt, dass eine Bandbreite von +/–5% der Resonanzfrequenz einen guten Kompromiss darstellt. Das gewonnene Sinussignal hat einen Klirrfaktor von kleiner 1%. Diese Spannung wird jetzt einer Stromquelle zugeführt, die die Messspule mit einem hochkonstanten und sinusförmigen Strom speist.
• Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Konstantstromquelle zur Speisung der Messspule. Das gewonnene Messsignal gelangt über ein R/C-Koppelglied an den Eingang X1 eines Steilheitsmultiplizierers. Über einen Messwiderstand, der in Reihe zur Messspule gegen Masse geschaltet ist, wird die Istwertwechselspannung abgegriffen und einem Präzisionsgleichrichter zugeführt. Die am Ausgang des Präzisionsgleichrichters entstehende negative Istwertgleichspannung steuert den invertierenden Eingang des Soll-Ist-Wertvergleichers, der als Integrator geschaltet ist. Der Soll-Ist-Wertvergleicher ist so geschaltet, dass der Ausgang keine negative Spannung annehmen kann. Die positive Referenzspannung ist an den nicht invertierenden Eingang des Soll-Ist-Wertvergleichers fest angeschlossen. Der Ausgang des Soll-Ist-Wertvergleiches steuert den Eingang X2 des Steilheitsmultiplikators mit der Regelabweichung. Der Regelkreis ist geschlossen und der durch die Messspule fließende Strom wird konstant gehalten. Die Regelabweichung dieser Konstantstromquelle liegt unter 1 μA.
• Parallel zum Ausgang der Konstantstromquelle steht das Messsignal über der Messspule in Form einer sich ändernden Wechselspannung mit der Frequenz des Sinussignals zur Verfügung. Die Spannungsänderung durch die Bewegung des weichmagnetischen Kernes ist in dieser Wechselspannung sichtbar. Sie wird zunächst einem Vollwegpräzisionsgleichrichter zugeführt durchläuft einen aktiven Tiefpass 2. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 10% der Speisefrequenz der Messspule. Um einen möglichst großen Signal-Rausch-Abstand bei der Herstellung des PWM-Signals zu gewinnen, muss die Gleichspannung zwischenverstärkt und auf einen höheren Spannungspegel gebracht werden. Das so aufbereitete Signal wird nun dem Schaltungsteil zur Pulsweitenmodulation zugeführt.
• Baustein PWM mit Dreieckgenerator und Schmitt-Trigger:
• Der Generator für die Pulsweitenmodulation (PWM) besteht erfindungsgemäß aus einem Dreiecksignalerzeuger und einem schnellen Schmitt-Trigger, mit dem die pulsweitenmodulierten Signale erzeugt werden, bei denen die Pulsbreite proportional der Spannungsänderung an der Messspule ist. Zur Ansteuerung und zur Synchronisation des Dreieck-generators mit dem Zähltakt des Mikrocontrollers wird ein Rechtecksignal verwendet, das durch Frequenzteilung des Clock-Taktes vom Mikrocontroller erzeugt wird. Dieses Signal kann jedoch aus Genauigkeitsgründen nicht direkt für die Generierung der Dreieckspannung verwendet werden. Das Rechtecksignal aus dem Mikroprozessor muß zunächst durch ein jk-Fflip-flog in eine exakte Pulsfolge mit dem Taktverhälnis 1:1 umgewandelt werden. Des Weiteren schaltet ein schneller Analogschalter mit der Frequenz des Rechtecksignales jeweils eine rauscharme Referenzspannung mit sehr kleiner Rippelspannung an den Dreieckgenerator durch. Der Dreieckgenerator besteht aus einem invertierenden Integrator, der durch den Analogschalter angesteuert wird. Kritisch in dieser Schaltung ist der Integrationskondensator mit seiner Temperaturdrift, die das Dreiecksignal in der Amplitude beeinflussen kann. Durch die Auswahl eines geeigneten Dielektrikums für den Integrationskondensator kann die Temperaturdrift wesentlich reduziert werden.
• Ein schneller Schmitt-Trigger erzeugt aus dem Dreiecksignal und der Messsignalspannung der Sensorspule die pulsweitenmodulierten Signale. Ein zusätzlich dem Schmitt-Trigger nachgeschalteter Inverter generiert die erzeugten Impulse des PWM-Bausteines und garantiert eine einwandfreie nachfolgende Weiterverarbeitung durch einen externen Zähler oder durch einen bereits integrierten Zähler des Mikroprozessors.
• Die Schaltung zur Signalaufbereitung und zur Signalgenerierung durch Pulsweitenmodulation hat außerdem noch den Vorteil, dass der Mikrokontroller nicht durch die Auswertung der Signale überlastet wird. Er kann andere Aufgaben in der Schaltung übernehmen.

Claims (3)

1. Messspule, Spulenträger und Auswerteschaltung für einen induktiven Wegaufnehmer gekennzeichnet durch • einen Spulenträger, der nur eine Spule mit einer Wicklung trägt, deren Länge im Verhältnis zur Länge des weichmagnetischen Kerns kurz ist und dass der Spulenträger mehrere Wickelkammern mit gleichem Durchmesser besitzt, in die unterschiedliche Windungszahlen gewickelt werden können, • eine Spule, die durch die Auswerteschaltung ein Trägerfrequenzsignal erhält, das einen konstanten Strom in die Spule einprägt. Die sich bei der Bewegung des weichmagnetischen Kerns ändernde Spannung über der Spule wird der Signalaufbereitung zugeführt. • eine Signalaufbereitungsschaltung in der Auswerteschaltung, die ein rechteckförmiges Ausgangssignal des Mikroprozessors benutzt und in eine sinusförmige Spannung umformt und diese Spannung als Trägerfrequenzsignal durch Stromeinprägung der Spule zuführt, • einen Pulsweitengenerator in der Auswerteschaltung, der ein rechteckförmige Spannung erzeugt, deren Pulsbreite proportional zur durch die Spule erzeugten Spannung ist, wobei die Pulsbreitenänderung über den gesamten Bereich der Spannungsänderung über der Spule von 10 V bis 1 mV realisiert wird, • einen Mikroprozessor oder einen anderen Zähler in der Auswerteschaltung, über den eine Messung der Pulsbreite aus dem PWM-Generator erfolgt, wobei der so erhaltene Zahlenwert im Mikroprozessor oder einen anderen Zähler direkt proportional dem Sensorsignal ist.
2. Auswerteschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitung ein Rechtecksignal des Mikroprozessors in ein sinusförmiges Signal mit sehr geringem Klirrfaktor umwandelt und dieses Signal in eine Stromquelle einbringt mit der ein konstanter Strom durch Stromregelung in die Messspule eingespeist wird.
3. Auswerteschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein rechteckförmiges Signal des Mikroprozessors zur Synchronisation des PWM-Generators verwendet wird und das für die Erzeugung des PWM-Signales dessen Dreieckspannung mit einer speziellen Schaltung durch Umschalten von zwei rauscharmen und hochstabilen Referenzspannungen erzeugt wird.