DE102010022425A1

DE102010022425A1 - Sensor

Info

Publication number: DE102010022425A1
Application number: DE102010022425A
Authority: DE
Inventors: Andreas Maier
Original assignee: Marquardt Mechatronik GmbH
Current assignee: Marquardt Mechatronik GmbH
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2010-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Messung einer Meßgröße eines Fluids, insbesondere einen Sensor (1), wie einen Drucksensor oder einen Wegsensor. Der Sensor (1) weist eine Membran (5'), einen mit der Membran (5') in Wirkverbindung stehenden Signalgeber (6') und einen mit dem Signalgeber (6') induktiv zusammenwirkenden, aus einem LC(Spule/Kondensator)-Schwingkreis bestehenden Signalaufnehmer (7') auf. Der LC-Schwingkreis ist als Reihenschwingkreis (7') ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Messung einer Meßgröße eines Mediums nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Meßvorrichtung kann es sich um einen induktiven Sensor, wie einen induktiven Drucksensor handeln. Solche Meßvorrichtungen dienen vor allem zur Messung des Druckes eines Fluids, beispielsweise zur Druckmessung und/oder Füllstandsmessung in Waschmaschinen, Geschirrspülern oder in sonstigen wasserführenden Teilen von Hausgeräten. Bei der Meßvorrichtung kann es sich auch um einen induktiven Wegsensor zur Messung der Lage und/oder der Lageveränderung eines Bewegungselements o. dgl. handeln.
Es sind derartige als Drucksensoren dienende Meßvorrichtungen mit einem aus einer Membran bestehenden bewegbaren Element und mit einem mit der Membran in Wirkverbindung stehenden Signalgeber bekannt. Mit dem Signalgeber wirkt ein Signalaufnehmer induktiv zur Erzeugung des Meßsignals zusammen. Der Signalaufnehmer besteht aus einem eine Spule (L) sowie einen Kondensator (C) umfassenden LC-Schwingkreis. Drucksensoren auf Basis eines LC-Schwingkreises als Weg-/Frequenz-Umsetzer haben den Nachteil, daß sie sich durch äußere magnetische Wechselfelder beeinflussen lassen. Schirmungen durch ferromagnetische oder nicht ferromagnetische Metalle gegen solche Störfelder sind zwar an sich bekannt, aber verteuern den Sensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßvorrichtung im Hinblick auf die Störfestigkeit gegen äußere magnetische Wechselfelder weiterzuentwickeln, wobei auf metallische Schirmungen weitgehend verzichtet werden soll.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Meßvorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist der LC-Schwingkreis als ein Reihenschwingkreis ausgebildet. Diese Maßnahme führt, insbesondere bei einer bestimmten Güte des Schwingkreises, vorteilhafterweise zu einer Spannungsüberhöhung des Signals und somit zu einem größeren Störabstand. Geschaffen ist somit ein Drucksensor, der eine hohe Störfestigkeit gegen magnetische Wechselfelder aufweist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer sehr wirkungsvollen Weiterbildung ist das L/C-Verhältnis des Schwingkreises, also das Verhältnis von Induktivität der Spule zur Kapazität des Kondensators, in der Weise gewählt, daß die Impedanz einen möglichst kleinen Wert besitzt und dabei die Güte noch groß genug bleibt. Dies erfolgt insbesondere derart, daß die Spannungsüberhöhung des Signals mindestens gleich groß ist wie die Amplitude des magnetischen Wechselfeldes eines Störers. Der LC-Schwingkreis ist Bestandteil einer das Meßsignal erzeugenden Elektronik, wobei das Meßsignal zur Meßgröße korrespondiert. In einer einfachen und kostengünstigen weiteren Ausgestaltung wird ein Rückkopplungszweig des Schwingkreises in der Elektronik durch einen Hochpaß gefiltert.
Bei einer besonders kompakten Anordnung für die Bestandteile der Meßvorrichtung besteht der Signalgeber aus einem in die Spule bewegbar eintauchenden Kern. Der Kern kann als ein Ferrit aus ferromagnetischem und/oder ferrimagnetischem Material ausgebildet sein. Der Kern kann am bewegbaren Element angeordnet sein und/oder Bestandteil des bewegbaren Elements sein. Aufgrund der Bewegung taucht der Kern unterschiedlich weit in die Spule ein und verändert entsprechend der Eintauchtiefe die Induktivität der Spule, was eine dementsprechende Auswirkung auf die Frequenz des Schwingkreises hat.
In einer funktionssicheren Ausgestaltung, die insbesondere für einen Drucksensor vorteilhaft zu verwenden ist, besteht das bewegbare Element aus einer Membran und/oder einer Feder, die beispielsweise zur Rückstellung der Membran dienen kann. Zweckmäßigerweise ist der Kern an der Membran und/oder der Feder befestigt. Es bietet sich dabei an, den Kern an der Feder zu verkleben.
Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist nachfolgendes festzustellen. Die Störfestigkeit, insbesondere gegen äußere magnetische Wechselfelder, wird hier durch drei Wirkglieder erhöht, und zwar:

– Einsatz eines Reihenschwingkreises, der zu einer Spannungsüberhöhung des Signals und somit zu einem größeren Störabstand führt.
– Auslegung des L/C Verhältnisses in der Weise, daß die Impedanz einen möglichst kleinen Wert hat und dabei die Güte noch groß genug bleibt, derart daß die Spannungsüberhöhung des Signals mindestens gleich groß ist wie die Amplitude des Störers.
– Filterung des Rückkopplungszweiges durch einen Hochpaß.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Störbeeinflussung durch magnetische Wechselfelder im breiten Frequenzband verhindert werden kann, womit die Güte und Zuverlässigkeit der Meßvorrichtung gesteigert ist. Dies geschieht durch einfache Maßnahmen, womit die erfindungsgemäße Meßvorrichtung auch kostengünstig ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 einen induktiven Drucksensor in schematischer Art als Blockschaltbild und
2 die Elektronik des Drucksensors als Blockschaltbild.
In 1 ist ein als Drucksensor dienender induktiver Sensor 1 als Blockschaltbild zu sehen, der als Meßvorrichtung zur Messung einer Meßgröße eines Mediums, und zwar vorliegend des Drucks einer Flüssigkeit oder eines sonstigen Fluids in einem Hausgerät, dient. Der Drucksensor 1 besitzt ein Gehäuse 2. Eine Zuleitung 3 dient zur Zuführung der zu messenden Flüssigkeit zum Drucksensor 1. Über elektrische Leitungen 4 wird das zum gemessenen Druck, also zur Meßgröße, korrespondierende Meßsignal am Drucksensor 1 ausgegeben.
Bei dem Sensor 1 handelt es sich um einen analogen Differenzdrucksensor, der den über die Zuleitung 3 anliegenden Druck in eine definierte Frequenz umwandelt, die über die elektrischen Leitungen 4 als Meßsignal ausgegeben wird. Hierfür befinden sich im Sensor 1 die folgenden drei Bestandteile:

– ein Druck-/Kraft-Umsetzer 5, der vorliegend eine elastische Membran 5' aufweist,
– ein Kraft-/Weg-Umsetzer 6, der aus einer Feder 5'' mit einem Ferriten als Signalgeber 6' besteht, und
– ein Weg-/Frequenz-Umsetzer 7 zur Erzeugung des Meßsignals, der aus einer einen Signalaufnehmer 7' umfassenden Elektronik ausgebildet ist.

Auf die Membran 5' wirkt die Flüssigkeit über die Zuleitung 3 ein. Entsprechend dem in der Flüssigkeit herrschenden Druck F wird die Membran 5' durchgebogen. Mit der Membran 5' wirkt die Feder 5'', die zur Rückstellung der Membran 5' dient, zusammen, so daß die Feder 5'' entsprechend der Membran 5' durchgebogen wird. Mit der Membran 5' steht der Signalgeber 6' in Wirkverbindung, und zwar indem der Signalgeber 6' an der Feder 5'' befestigt ist, womit letztendlich der Signalgeber 6' entsprechend der Durchbiegung der Membran 5' verstellt wird. Somit dient die Membran 5' und/oder die Feder 5'' als ein bewegbares Element zur Verstellung des Signalgebers 6'.
Mit dem Signalgeber 6' wirkt wiederum der Signalaufnehmer 7' induktiv zusammen. Hierzu besteht der Signalgeber 6' aus einem in eine Spule 8 bewegbar eintauchenden Kern, wobei der Kern 6' als ein Ferrit aus ferromagnetischem und/oder ferrimagnetischem Material ausgebildet ist. Wie bereits erwähnt, ist der Kern 6' am bewegbaren Element 5', 5'' angeordnet. Vorliegend ist der Kern 6' durch Verklebung an der Feder 5'' befestigt. Selbstverständlich kann der Kern auch ein Bestandteil des bewegbaren Elements selbst sein, also in das bewegbare Element integriert sein, was jedoch nicht weiter gezeigt ist.
Wie man anhand der 1 weiter sieht, besteht der Signalaufnehmer 7' aus einem eine Spule (L) 8 sowie einen Kondensator (C) 9 enthaltenden LC-Schwingkreis. Entsprechend der Eintauchtiefe des Kerns 6' in der Spule 8 aufgrund der Verstellung des Kerns 6' durch das bewegbare Element 5', 5'' variiert die Induktivität der Spule 8, was in 1 mit dem Pfeil 8' an der Spule 8 angedeutet ist. Die jeweilige vom LC-Schwingkreis 7' erzeugte Resonanz-Frequenz bzw. Eigen-Frequenz variiert folglich mit der jeweiligen Induktivität 8' der Spule 8. Aufgrund dieses Zusammenwirkens zwischen dem Signalgeber 6' und dem Signalaufnehmer 7' erzeugt der Signalaufnehmer 7' ein zur Verstellung des Signalgebers 6' korrespondierendes Frequenz-Signal, welches an der Leitung 4 als Meßsignal ausgegeben wird.
Die Elektroniken von Drucksensoren nach heutigem Stand, die auf der Basis selbsterregter LC-Schwingkreise beruhen, haben bezüglich ihrer Störfestigkeit unter anderem folgende Schwachstelle. In 2 angedeutete magnetische Wechselfelder 10 aus der nahen Umgebung induzieren in die Induktivität L des Schwingkreises eine Störspannung, die sich mit der Regelspannung des Oszillators überlagert. Ab einem bestimmten Pegel überwiegt die Störspannung und die Regeleinheit steuert den Verstärker mit der Frequenz des Störers an. Die Folge davon ist, daß die sonst von der Eintauchtiefe des Ferriten in die Spule abgeleitete Resonanzfrequenz in eine erzwungene Schwingung übergeht und somit keinen Aufschluß mehr über den anliegenden Druck gibt.
Für die Zuverlässigkeit des Sensors 1 ist die Störfestigkeit der Elektronik 7 mit entscheidend, die dadurch stark vergrößert wird, daß der LC-Schwingkreis 7' als Reihenschwingkreis oder Serienschwingkreis anstelle des sonst üblichen Parallelschwingkreises ausgebildet ist. Diese Maßnahme führt bei einer bestimmten Güte des Reihenschwingkreises 7' zu einer Spannungsüberhöhung des Signals und somit zu einem größeren Störabstand.
Ein weiterer Vorteil des Serienschwingkreises 7' ist der im Vergleich zu einem Parallelschwingkreis invertierte Impedanzverlauf bzw. Filterverlauf. Es handelt sich dabei um eine für das Störsignal wirkende Bandsperre, die frequenzmäßig nahe liegenden Störquellen dämpft. Um ein möglichst bestes Ergebnis auch bei frequenzmäßig entfernten Störquellen zu erzielen, ist das L(Induktivität)/C(Kapazität)-Verhältnis der Spule 8 sowie des Kondensators 9 in der Weise gewählt, daß die Impedanz einen möglichst kleinen Wert besitzt und dabei die Güte noch groß genug bleibt. Das Optimum ist erreicht wenn die Amplitude des durch Spannungsüberhöhung vergrößerten Signals des Serienschwingkreises 7' mindestens gleich groß ist wie die Amplitude des Störsignals 10.
Die nähere Ausgestaltung der Elektronik 7, die eine Regeleinheit 12 aufweist, läßt sich der 2 entnehmen. Wie man dort sieht, wird eine weitere Verbesserung der Störfestigkeit dadurch erreicht, daß der Rückkopplungszweig 11 in der Regeleinheit 12 durch einen Hochpaß 13 gefiltert wird. Zur Filterung des mit dem Störsignal überlagerten Regelsignals wird der Hochpaß 13 durch einen Phasenschieber 14 der Regeleinheit 12 gegengekoppelt. Diese Art der Filterung ist von Vorteil, da der Phasenschieber 14 nur das gefilterte Signal aktiv verstärkt. Mittels eines weiteren Phasenschiebers 15 und eines Operationsverstärkers 16 wird dann das Meßsignal erhalten.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann eine solche Meßvorrichtung nicht nur als Drucksensor für die Druckmessung oder Füllstandsmessung verwendet werden sondern auch als ein sonstiger Sensor, wie Wegsensor o. dgl., eingesetzt werden und zwar nicht nur für Hausgeräte sondern auch in sonstigen Anwendungen, beispielsweise in der Labor- sowie in der chemischen Verfahrenstechnik.

1: Sensor/Drucksensor
2: Gehäuse
3: Zuleitung
4: elektrische Leitung
5: Druck-/Kraft-Umsetzer
5': Membran/bewegbares Element
5'': Feder/bewegbares Element
6: Kraft-/Weg-Umsetzer
6': Signalgeber/Kern
7: Weg-/Frequenz-Umsetzer/Elektronik
7': Signalaufnehmer/LC(Serien/Reihen)-Schwingkreis
8: Spule
8': Induktivität (Pfeil)
9: Kondensator
10: magnetisches Wechselfeld/Störsignal
11: Rückkopplungszweig
12: Regeleinheit
13: Hochpaß
14, 15: Phasenschieber
16: Operationsverstärker

Claims

Meßvorrichtung zur Messung einer Meßgröße eines Mediums, insbesondere induktiver Sensor (1), wie Drucksensor zur Messung des Druckes eines Fluids, Drucksensor zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit, Wegsensor zur Messung der Lage eines Bewegungselements o. dgl., mit einem bewegbaren Element (5', 5''), mit einem mit dem bewegbaren Element (5', 5'') in Wirkverbindung stehenden Signalgeber (6'), und mit einem mit dem Signalgeber (6') induktiv zusammenwirkenden Signalaufnehmer (7'), wobei der Signalaufnehmer (7') aus einem eine Spule (8) sowie einen Kondensator (9) aufweisenden LC(Spule/Kondensator)-Schwingkreis besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der LC-Schwingkreis als Reihenschwingkreis (7') ausgebildet ist.
Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das L(Induktivität)/C(Kapazität)-Verhältnis des LC-Schwingkreises (7') in der Weise gewählt ist, daß die Impedanz einen möglichst kleinen Wert besitzt und dabei die Güte noch groß genug bleibt, insbesondere derart daß die Spannungsüberhöhung des Signals mindestens gleich groß ist wie die Amplitude des magnetischen Wechselfeldes (10) eines Störers.
Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der LC-Schwingkreis (7') Bestandteil einer Elektronik (7) zur Erzeugung eines zur Meßgröße korrespondierenden Meßsignals ist, und daß vorzugsweise ein Rückkopplungszweig (11) in der Elektronik (7) durch einen Hochpaß (13) gefiltert wird.
Meßvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (6') aus einem in die Spule (8) bewegbar eintauchenden Kern besteht, daß vorzugsweise der Kern (6') als ein Ferrit aus ferromagnetischem und/oder ferrimagnetischem Material ausgebildet ist, und daß weiter vorzugsweise der Kern (6') am bewegbaren Element (5', 5'') angeordnet ist und/oder Bestandteil des bewegbaren Elements (5', 5'') ist.
Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (5', 5'') aus einer Membran (5') und/oder einer Feder (5''), insbesondere zur Rückstellung der Membran (5'), besteht, und daß vorzugsweise der Kern (6') an der Membran (5') und/oder der Feder (5'') befestigt ist, insbesondere an der Feder (5'') verklebt ist.