DE102012004913B4 - Device for determining a measured value proportional to a ratio of inductances or capacitances of two inductive or capacitive components and corresponding method - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung eines zu einem Verhältnis von Induktivitäten (L1, L2) bzw. Kapazitäten zweier induktiver bzw. kapazitiver Bauteile (2, 3) proportionalen Messwerts (Us), mit einem ersten Messzweig (4), in dem das erste induktive bzw. kapazitive Bauteil (2) und ein erster Messwiderstand (10) angeordnet sind, und einem zweiten Messzweig (5), in dem das zweite induktive bzw. kapazitive Bauteil (3) und ein zweiter Messwiderstand (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerglied (9) vorhanden ist, mittels dem die beiden Messzweige (4, 5) zeitgleich mit einem Spannungssprung beaufschlagbar sind und für die Zeit ab dem Spannungssprung ein Zeitintervall (td) vorgebbar ist, und eine Abtastschaltung (15), die vom Steuerglied (9) nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls (td) triggerbar und mittels der eine Differenzspannung (Udiff) zwischen den beiden Messwiderständen (10, 13) abtastbar und ausgangsseitig als das Verhältnis zwischen den beiden Induktivitäten (L1, L2) bzw. Kapazitäten der beiden induktiven bzw. kapazitiven Bauteile (2, 3) proportionaler Messwert (Us) zur Verfügung stellbar ist.Device for determining a measured value (Us) proportional to a ratio of inductances (L1, L2) or capacitances of two inductive or capacitive components (2, 3), with a first measuring branch (4) in which the first inductive or capacitive Component (2) and a first measuring resistor (10) are arranged, and a second measuring branch (5) in which the second inductive or capacitive component (3) and a second measuring resistor (13) are arranged, characterized in that a control member (9) is present, by means of which the two measuring branches (4, 5) can be acted upon at the same time with a voltage jump and for the time from the voltage jump, a time interval (td) can be predetermined, and a sampling circuit (15) by the control member (9) after the predeterminable time interval (td) triggerable and by means of a differential voltage (Udiff) between the two measuring resistors (10, 13) scannable and the output side as the ratio between the two inductances (L 1, L2) or capacitances of the two inductive or capacitive components (2, 3) proportional measured value (Us) is available.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung eines zu einem Verhältnis von Induktivitäten bzw. Kapazitäten zweier induktiver bzw. kapazitiver Bauteile proportionalen Messwerts, mit einem ersten Messzweig, in dem das erste induktive bzw. kapazitive Bauteil und ein erster Messwiderstand angeordnet sind, und einem zweiten Messzweig, in dem das zweite induktive bzw. kapazitive Bauteil und ein zweiter Messwiderstand angeordnet sind, und auf ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a device for determining a measured value proportional to a ratio of inductances or capacitances of two inductive or capacitive components, having a first measuring branch, in which the first inductive or capacitive component and a first measuring resistor are arranged, and one second measuring branch, in which the second inductive or capacitive component and a second measuring resistor are arranged, and to a corresponding method.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Messvorrichtungen und Messverfahren werden sehr häufig Sensoren verwendet, deren Induktivität oder Kapazität sich in Abhängigkeit von einer Messgröße ändert, z. B. kapazitive oder induktive Näherungssensoren, induktive Positionssensoren, kapazitive Feuchtesensoren, kapazitive oder induktive Drucksensoren und kapazitive Berührungssensoren.In known from the prior art measuring devices and methods are very often used sensors whose inductance or capacitance changes in response to a measured variable, for. B. capacitive or inductive proximity sensors, inductive position sensors, capacitive humidity sensors, capacitive or inductive pressure sensors and capacitive touch sensors.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich sowohl auf induktive als auch auf kapazitive Sensoren der vorstehend erwähnten Art.The present invention relates to both inductive and capacitive sensors of the type mentioned above.

Beispielsweise wird für Positionssensoren häufig das Prinzip ausgenutzt, dass sich die Induktivität einer Spule positionsabhängig ändert, wenn ein ferromagnetischer Kern in Abhängigkeit von der zu bestimmenden Position unterschiedlich weit in die Spule eingetaucht wird. Um eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die Abhängigkeit des Messwerts von der jeweiligen Position ausreichend exakt ist, muss ein vergleichsweise großer technisch-konstruktiver Aufwand betrieben werden, um beispielsweise Umgebungseinflüsse, hier insbesondere die Temperatur, zu ermitteln und zu berücksichtigen bzw. zu korrigieren.For example, the principle is often exploited for position sensors, that the inductance of a coil changes position-dependent, when a ferromagnetic core is immersed differently far into the coil depending on the position to be determined. In order to create a device in which the dependence of the measured value of the respective position is sufficiently accurate, a comparatively large technical and constructive effort must be operated, for example, to determine environmental influences, in particular the temperature, and to take into account or correct.

Bei induktiven Sensoren wirkt sich beispielsweise die Temperatur unmittelbar auf die Messanordnung aus, da der Spulenwiderstand als wesentlicher Parameter unmittelbar und vergleichsweise stark von der Temperatur abhängig ist. Darüber hinaus besteht eine erhebliche temperaturabhängige Permeabilität des in die Spule eintauchenden ferromagnetischen Kern.In the case of inductive sensors, for example, the temperature has a direct effect on the measuring arrangement, since the coil resistance as an essential parameter is directly and comparatively strongly dependent on the temperature. In addition, there is a significant temperature-dependent permeability of the immersed in the coil ferromagnetic core.

Aus dem Stand der Technik sind daher eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren bekannt, bei denen entweder eine Referenzspule verwendet wird, deren Eigenschaften unabhängig von der Position des ferromagnetischen Kerns ist, oder bei denen eine messtechnische Anordnung verwendet wird, bei der sich die Induktivitäten gegenläufig mit der jeweiligen Position verändern.From the prior art, therefore, a variety of devices and methods are known in which either a reference coil is used, the properties of which is independent of the position of the ferromagnetic core, or in which a metrological arrangement is used in which the inductances in opposite directions change the respective position.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen und Verfahren werden die Werte zweier Induktivitäten gemessen und aus den beiden gemessenen Induktivitätswerten der Quotient MW1/MW2 gebildet. Diesen Quotienten wird dann eine als Messwert auszugebende Position zugeordnet. Dies kann z. B. in Form einer Lookup-Tabelle bzw. eines Lookup-Table geschehen.In these known devices and methods, the values of two inductances are measured and the quotient MW1 / MW2 is formed from the two measured inductance values. This quotient is then assigned a position to be output as a measured value. This can be z. B. done in the form of a lookup table or a lookup table.

Dadurch, dass die beiden hierbei eingesetzten Spulen gleichen Einflüssen unterliegen, bleibt der Quotient MW1/MW2 auch dann gleich, wenn sich der jeweils absolut erfasste Messwert ändert.Because the two coils used in this case are subject to the same influences, the quotient MW1 / MW2 remains the same even if the absolute measured value changes in each case.

Aus der DE 33 43 885 C2 ist ein induktiver Sensor, insbesondere zur Wegmessung, bekannt, der eine Spule und einen dazu verschieblichen ferromagnetischen Kern aufweist. Nachteilig an dem aus der DE 33 43 885 C2 bekannten Verfahren bzw. an der entsprechenden Vorrichtung ist, dass verhältnismäßig viele Bauteile benötigt werden und die Dauer einer Messung von der Größe der Induktivität abhängig ist.From the DE 33 43 885 C2 is an inductive sensor, in particular for path measurement, known, which has a coil and a ferromagnetic core displaceable thereto. A disadvantage of the from the DE 33 43 885 C2 known method or to the corresponding device is that relatively many components are needed and the duration of a measurement of the size of the inductance is dependent.

Aus der DE 32 08 785 A1 ist ein Lagesensor bekannt, der mittels zweier Messspulen die Lagedifferenz zwischen zwei beweglichen Objekten erfassen kann. Bei diesem bekannten Lagesensor ist nachteilig, dass die beiden Messspulen auf einem gemeinsamen Joch montiert sein müssen.From the DE 32 08 785 A1 a position sensor is known, which can detect the position difference between two moving objects by means of two measuring coils. In this known position sensor is disadvantageous that the two measuring coils must be mounted on a common yoke.

Da weder die Kapazität noch die Induktivität, im Gegensatz zu beispielsweise der Spannung und der Zeit, direkt gemessen werden können, sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Hilfsschaltungen bekannt, bei denen der Einfluss von Induktivitäten oder Kapazitäten auf zeitabhängige Abläufe ausgenutzt wird.Since neither the capacitance nor the inductance, in contrast to, for example, the voltage and time, can be measured directly, a large number of auxiliary circuits are known from the prior art, in which the influence of inductances or capacitances on time-dependent processes is utilized.

Hierbei wird bei einer aus dem Stand der Technik bekannten einschlägigen Vorrichtung bzw. bei einem entsprechenden Verfahren das jeweilige Sensorelement in einen Schwingkreis eingebracht. Die Frequenz des Schwingkreises kann dann mit einem Schaltkreis sehr einfach erfasst werden, in dem die Schwingungen während einer genau definierten Zeitspanne erfasst werden. Die Anzahl der erfassten Schwingungen ist dann in der Regel umgekehrt proportional zur Kapazität bzw. zur Induktivität.In this case, the respective sensor element is introduced into a resonant circuit in a relevant device known from the prior art or in a corresponding method. The frequency of the resonant circuit can then be detected very easily with a circuit in which the oscillations are detected during a precisely defined period of time. The number of detected vibrations is then usually inversely proportional to the capacitance or the inductance.

Aus dem Stand der Technik sind auch Anwendungen bekannt, bei denen die Zeit einer Schwingung gemessen wird. Die gemessene Zeit ist dann in der Regel der Kapazität bzw. der Induktivität proportional. From the prior art, applications are also known in which the time of a vibration is measured. The measured time is then usually proportional to the capacitance or the inductance.

Aus der US 6 366 099 B1 ist eine Messanordnung bekannt, bei der in einer Brückenschaltung angeordnete Ohm'sche Widerstände und Kondensatoren vorgesehen sind. Zwei voneinander separate Messzweige, die jeweils über einen Differenzverstärker an eine Abtastschaltung angeschlossen wären oder Ausgestaltungen von Messzweigen, in denen jeweils ein kapazitives bzw. induktives Bauteil und ein Messwiderstand angeordnet wären, sind nicht Bestandteil der bekannten Messanordnung.From the US Pat. No. 6,366,099 B1 a measuring arrangement is known in which arranged in a bridge circuit ohmic resistors and capacitors are provided. Two separate measuring branches, which would each be connected via a differential amplifier to a sampling circuit or embodiments of measuring branches, in each of which a capacitive or inductive component and a measuring resistor would be arranged, are not part of the known measuring arrangement.

Die DE 10 2011 013 559 B3 zeigt eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren, mittels der bzw. dem ein Füllstand bzw. eine Leckage eines leitfähigen Mediums überwacht werden soll. Hierzu wird die Kapazität unterschiedlicher Kondensatoren bzw. Kondensatoranordnungen ermittelt. Im Falle dieser bekannten Vorrichtung bzw. dieses bekannten Verfahrens ist ein Anschluss der beiden Kondensatoren an die Auswertung über einen einzigen Ladungsknoten realisiert.The DE 10 2011 013 559 B3 shows a device or a method by means of which a fill level or a leakage of a conductive medium to be monitored. For this purpose, the capacitance of different capacitors or capacitor arrangements is determined. In the case of this known device or this known method, a connection of the two capacitors to the evaluation is realized via a single charge node.

Des Weiteren sind Vorrichtung bzw. Verfahren bekannt, bei denen das jeweilige Sensorelement in ein LR- oder RC-Zeitglied integriert ist.Furthermore, devices or methods are known in which the respective sensor element is integrated in an LR or RC timer.

Bei diesem Verfahren bzw. bei dieser Vorrichtung wird beispielsweise ein Spannungsimpuls an ein Zeitglied gelegt und mittels eines Komparators die Zeit bis zum Erreichen einer voreingestellten Spannungsschwelle gemessen. Die gemessene Zeit ist dann der Kapazität bzw. der Induktivität proportional. Auch bei diesen bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen werden jeweils zwei Messwerte mehr oder weniger zeitgleich erfasst, wobei dann in einer nachgeschalteten Recheneinheit das Verhältnis bzw. der Quotient Q = MW1/MW2 gebildet wird.In this method or in this device, for example, a voltage pulse is applied to a timer and measured by means of a comparator, the time to reach a preset voltage threshold. The measured time is then proportional to the capacitance or the inductance. Also in these known methods or devices, two measured values are detected more or less simultaneously, the ratio or quotient Q = MW1 / MW2 then being formed in a downstream processing unit.

Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Bestimmung eines zu einem Verhältnis von Induktivitäten bzw. Kapazitäten zweier induktiver bzw. kapazitiver Bauteile proportionalen Messwerts zur Verfügung zu stellen, bei der bzw. dem der konstruktiv-technische Aufwand für die Vorrichtung bzw. der verfahrenstechnische Aufwand für die Durchführung des Verfahrens erheblich reduziert ist.Based on the above-described prior art, the present invention seeks to provide a device or a method for determining a proportional to a ratio of inductances or capacitances of two inductive or capacitive components measured value available at the or the constructional-technical effort for the device or the procedural effort for the implementation of the method is considerably reduced.

Diese Aufgabe wird für die eingangs geschilderte Vorrichtung durch ein Steuerglied, mittels dem die beiden Messzweige zeitgleich mit einem Spannungssprung beaufschlagbar sind und für die Zeit ab dem Spannungssprung ein Zeitintervall vorgebbar ist, und eine Abtastschaltung gelöst, die vom Steuerglied nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls triggerbar und mittels der eine Differenzspannung zwischen den beiden Messwiderständen abtastbar und ausgangsseitig als dem Verhältnis zwischen den beiden Induktivitäten bzw. Kapazitäten der beiden induktiven bzw. kapazitiven Bauteile proportionaler Messwert zur Verfügung stellbar ist. Im Falle des entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens ist realisiert, dass die beiden Messzweige zeitgleich mit einem Spannungssprung beaufschlagt werden, dass für die Zeit ab dem Spannungssprung ein Zeitintervall vorgegeben wird, dass nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls eine Differenzspannung zwischen den beiden Messwiderständen abgetastet und gespeichert wird, und dass die abgetastete Differenzspannung als dem Verhältnis zwischen den beiden Induktivitäten bzw. Kapazitäten der beiden induktiven bzw. kapazitiven Bauteile proportionaler Messwert zur Verfügung gestellt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. beim erfindungsgemäßen Verfahren wird direkt ein dem Verhältnis der Messgrößen proportionales Signal erfasst, wodurch der Schritt einer Quotientenbildung in einer nachgeschalteten Rechen- oder Auswerteeinheit entfallen kann. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens ist insbesondere bei der Messung und/oder Überwachung dynamischer Prozesse sehr zweckmäßig und vorteilhaft, da lediglich eine einzige Messung erforderlich ist, wodurch diejenigen Probleme, die durch eine zeitlich versetzte Abtastung zweier Sensorelemente entstehen können, von vornherein vermieden werden.This object is achieved for the above-described device by a control member by means of which the two branches at the same time can be acted upon by a voltage jump and for the time from the voltage jump a time interval can be predetermined, and a sampling circuit triggered by the control member after the predeterminable time interval and triggerable by means of a differential voltage between the two measuring resistors scannable and the output side as the ratio between the two inductances and capacitances of the two inductive or capacitive components proportional measurement value is adjustable. In the case of the corresponding method according to the invention, it is realized that the two measuring branches are simultaneously subjected to a voltage jump, that a time interval is predetermined for the time from the voltage jump, that after the predeterminable time interval has elapsed, a differential voltage is sampled and stored between the two measuring resistors, and in that the sampled differential voltage is made available as the ratio between the two inductances or capacitances of the two inductive and capacitive components, respectively. In the device according to the invention or in the method according to the invention, a signal proportional to the ratio of the measured quantities is detected directly, whereby the step of a quotient formation in a downstream computing or evaluation unit can be dispensed with. The inventive design of the device or the method is very useful and advantageous, in particular in the measurement and / or monitoring of dynamic processes, since only a single measurement is required, whereby those problems that may arise due to a staggered scanning of two sensor elements from the outset be avoided.

Vorteilhaft kann das Steuerglied als programmierbarer Schaltkreis ausgebildet sein, mittels dem die zeitliche Steuerung der Vorrichtung entsprechend dem vorgebbaren Zeitintervall zwischen dem Spannungssprung und der Abtastung der Differenzspannung realisierbar ist.Advantageously, the control member may be formed as a programmable circuit by means of which the timing of the device according to the predeterminable time interval between the voltage step and the sampling of the differential voltage can be realized.

Die Abtastschaltung kann zweckmäßigerweise als Sample-and-Hold-Schaltung ausgebildet sein, mittels der die Abtastung der Differenzspannung realisierbar und der abgetastete Momentanwert der Differenzspannung speicher- und ausgangsseitig als Messwert zur Verfügung stellbar ist.The sampling circuit may expediently be designed as a sample-and-hold circuit by means of which the sampling of the differential voltage can be realized and the sampled instantaneous value of the differential voltage can be set as a measured value on the memory and output side.

Selbstverständlich ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, n induktive bzw. kapazitive Bauteile, z. B. Sensoren, vorzusehen, bei der zu den Verhältnissen der Induktivitäten bzw. Kapazitäten der induktiven bzw. kapazitiven Bauteile proportionale Messwerte mittels n – 1 Messvorgängen bestimmbar sind.Of course, it is also possible according to a further advantageous embodiment of the device according to the invention, n inductive or capacitive components, for. As sensors to provide, in which the Ratios of the inductances or capacitances of the inductive or capacitive components proportional measured values by means of n - 1 measuring operations can be determined.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit einem geringen Aufwand an unterschiedlichste Problemstellungen und Anforderungsprofile anpassen zu können, ist es vorteilhaft, wenn im Steuerglied das Zeitintervall zwischen dem Spannungssprung und der Abtastung der Differenzspannung programmgesteuert veränderbar ist bzw. verändert wird.In order to be able to adapt the device according to the invention or the method according to the invention to a very small number of different problem definitions and requirement profiles, it is advantageous if the time interval between the voltage jump and the sampling of the differential voltage is programmably modifiable or changed in the control element.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail by means of an embodiment with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines zu einem Verhältnis von Induktivitäten zweier induktiver Bauteile proportionalen Messwerts; 1 an embodiment of a device according to the invention for determining a proportional to a ratio of inductances of two inductive components measured value;

2 eine grafische Darstellung des mit der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten zu dem Verhältnis der Induktivitäten der beiden induktiven Bauteile proportionalen Messwerts; 2 a graphic representation of the with in 1 shown embodiment of the device according to the invention determined proportional to the ratio of the inductances of the two inductive components measured value;

3 eine Prinzipdarstellung der Auswertung des in 2 gezeigten proportionalen Messwerts; und 3 a schematic representation of the evaluation of in 2 shown proportional measurement value; and

4 eine Prinzipdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Mess- bzw. Auswerteverfahrens. 4 a schematic representation of a known from the prior art measurement and evaluation.

1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines zu einem Verhältnis der beiden Induktivitäten L1, L2 zweier induktiver Bauteile 2, 3 proportionalen Messwerts Us. Bei den beiden induktiven Bauteilen 2, 3 kann es sich beispielhaft um induktive Sensoren 2, 3 handeln. 1 shows an embodiment of a device according to the invention 1 for determining a ratio of the two inductances L 1 , L 2 of two inductive components 2 . 3 proportional measurement value U s . For the two inductive components 2 . 3 it may be an example of inductive sensors 2 . 3 act.

Es sei darauf hingewiesen, dass analog auch die Bestimmung eines zu einem Verhältnis von Kapazitäten zweier kapazitiver Bauteile proportionalen Messwerts möglich ist.It should be pointed out that the determination of a measured value proportional to a ratio of capacitances of two capacitive components is also possible analogously.

Zu der in 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 1 gehören ein erster Messzweig 4 und ein zweiter Messzweig 5.To the in 1 shown embodiment of the device 1 belong to a first measuring branch 4 and a second measuring branch 5 ,

Der erste Messzweig 4 und der zweite Messzweig 5 sind mittels eines ersten Schalters 6 an eine Spannungsquelle 7 mit der Spannung U0 anschließbar. Darüber hinaus sind die beiden Messzweige 5, 6 mittels eines zweiten Schalters 8 an eine Ableitung anschließbar.The first measuring branch 4 and the second measuring branch 5 are by means of a first switch 6 to a voltage source 7 connectable to the voltage U 0 . In addition, the two measurement branches 5 . 6 by means of a second switch 8th connectable to a derivative.

Der erste Schalter 6 und der zweite Schalter 8 sind über Steuerleitungen an einen Controller 9 angeschlossen und durch diesen schalt- bzw. steuerbar. Mittels des Controllers 9 sind somit die beiden Messzweige 4, 5 entsprechend vorgebbaren Abläufen an die Spannungsquelle 7 anschließbar und damit mit der Spannung U0 beaufschlagbar.The first switch 6 and the second switch 8th are via control lines to a controller 9 connected and controlled by this or controllable. By means of the controller 9 are thus the two measuring branches 4 . 5 according to specifiable processes to the voltage source 7 connectable and thus acted upon by the voltage U 0 .

Der erste Messzweig 4 umfasst neben dem vorstehend erwähnten ersten induktiven Bauteil 2, das eine Induktivität L1 aufweist, einen ersten Messwiderstand 10 mit dem Ohm'schen Widerstand R1. Zwischen dem ersten induktiven Bauteil 2 mit der Induktivität L1 und dem ersten Messwiderstand 10 mit dem Ohm'schen Widerstand R1 ist im ersten Messzweig 4 ein Abgriff 11 vorgesehen, der zu einem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 12 führt. Am positiven Eingang des Differenzverstärkers 12 liegt somit die in dem Abgriff 11 herrschende Spannung Up an.The first measuring branch 4 comprises in addition to the above-mentioned first inductive component 2 having an inductance L 1 , a first sense resistor 10 with the ohmic resistor R 1 . Between the first inductive component 2 with the inductance L 1 and the first measuring resistor 10 with the ohmic resistance R 1 is in the first measurement branch 4 a tap 11 provided to a positive input of a differential amplifier 12 leads. At the positive input of the differential amplifier 12 is thus in the tap 11 prevailing voltage U p .

Im zweiten Messzweig 5 ist neben dem vorstehend bereits erwähnten zweiten induktiven Bauteil 3 mit der Induktivität L2 ein zweiter Messwiderstand 13 angeordnet. Zwischen dem zweiten induktiven Bauteil 3 mit der Induktivität L2 und dem zweiten Messwiderstand 13, der einen Ohm'schen Widerstand R2 aufweist, ist im zweiten Messzweig 5 ebenfalls ein Abgriff 14 vorgesehen, der an einen negativen Eingang des Differenzverstärkers 12 angeschlossen ist. Am negativen Eingang des Differenzverstärkers 12 liegt somit die am Abgriff 14 vorliegende Spannung Un an.In the second measuring branch 5 is in addition to the already mentioned above second inductive component 3 with the inductance L 2, a second measuring resistor 13 arranged. Between the second inductive component 3 with the inductance L 2 and the second measuring resistor 13 which has an ohmic resistance R 2 is in the second measuring branch 5 also a tap 14 provided to a negative input of the differential amplifier 12 connected. At the negative input of the differential amplifier 12 is thus the tap 14 present voltage U n .

Von der Ausgangsseite des Differenzverstärkers 12 wird die im Differenzverstärker 12 ermittelte und verstärkte Differenzspannung Udiff einer Sample-and-Hold-Schaltung 15 zugeführt.From the output side of the differential amplifier 12 will be the difference amplifier 12 determined and amplified differential voltage U diff a sample-and-hold circuit 15 fed.

Ausgangsseitig der Sample-and-Hold-Schaltung 15 steht somit der zu dem Verhältnis der beiden Induktivitäten L1 bzw. L2 der beiden induktiven Bauteile 2 bzw. 3 proportionale Messwert Us zur Verfügung. On the output side of the sample-and-hold circuit 15 thus stands to the ratio of the two inductors L 1 and L 2 of the two inductive components 2 respectively. 3 proportional measured value U s available.

Mittels des vorstehend erwähnten Controllers 9, der u. a. auch als zeitliches Steuerglied fungieren kann, ist der erste Schalter 6 gemäß beliebigen zeitlichen Vorgaben schaltbar, so dass die beiden Messzweige 4, 5 zeitgleich an die Spannungsquelle 7 anschließ- bzw. mit einem Spannungssprung beaufschlagbar sind. Des Weiteren wird bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 1 innerhalb des Controller 9 für die Zeit ab dem Anschluss der beiden Messzweige 4, 5 an die Spannungsquelle 7 bzw. ab dem Spannungssprung ein Zeitintervall td vorgegeben.By means of the aforementioned controller 9 , which can also act as a temporal control element, is the first switch 6 switchable according to arbitrary timing, so that the two measuring branches 4 . 5 at the same time to the voltage source 7 can be acted upon or with a voltage jump. Furthermore, at the in 1 shown embodiment of the device 1 inside the controller 9 for the time from the connection of the two measuring branches 4 . 5 to the voltage source 7 or from the voltage jump, a time interval t d predetermined.

Der Controller 9 ist darüber hinaus an die Sample-and-Hold-Schaltung 15 angeschlossen. Entsprechend ist die Sample-and-Hold-Schaltung 15 nach Ablauf des vorstehend angegebenen Zeitintervalls td durch den Controller 9 triggerbar. In der Sample-and-Hold-Schaltung kann somit die Differenzspannung Udiff zum Zeitpunkt des Ablaufs des Zeitintervalls td abgetastet werden. Ausgangsseitig der Sample-and-Hold-Schaltung 15 kann dann der Messwert Us zur Verfügung gestellt werden.The controller 9 is also due to the sample-and-hold circuit 15 connected. Accordingly, the sample-and-hold circuit 15 after expiration of the above-indicated time interval t d by the controller 9 triggered. Thus, in the sample-and-hold circuit, the differential voltage U diff can be sampled at the time of expiration of the time interval t d . On the output side of the sample-and-hold circuit 15 then the measured value U s can be made available.

Beim Einsatz der Vorrichtung 1 zur Bestimmung des zu dem Verhältnis der beiden Induktivitäten L1, L2 der beiden induktiven Bauteile 2, 3 proportionalen Messwerts Us wird in einem ersten Verfahrensschritt der erste Schalter 6 geöffnet und der zweite Schalter 8 geschlossen. Dieser während des ersten Verfahrensschritts herrschende Zustand wird solange aufrecht erhalten, bis sämtliche in den beiden induktiven Bauteilen 2, 3 gespeicherte Energie abgebaut ist, so dass ein definierter Ausgangszustand für den darauf folgenden Messvorgang erreicht wird.When using the device 1 for determining the ratio of the two inductances L 1 , L 2 of the two inductive components 2 . 3 proportional measurement value U s is the first switch in a first method step 6 opened and the second switch 8th closed. This prevailing during the first process step state is maintained until all in the two inductive components 2 . 3 stored energy is dissipated, so that a defined initial state for the subsequent measurement process is achieved.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird der zweite Schalter 8 geöffnet und der erste Schalter 6 geschlossen.In a second method step, the second switch 8th opened and the first switch 6 closed.

Entsprechend einer durch die Induktivität L1 des ersten induktiven Bauteils 2 und des Ohm'schen Widerstands R1 des ersten Messwiderstands 10 vorgegebenen Zeitkonstante L1/R1 steigt der Strom durch den im ersten Messzweig 4 angeordneten ersten Messwiderstand 10 nach der Formel

Figure DE102012004913B4_0002
an.According to one through the inductance L 1 of the first inductive component 2 and the ohmic resistance R 1 of the first sense resistor 10 predetermined time constant L 1 / R 1 , the current rises through the in the first measurement branch 4 arranged first measuring resistor 10 according to the formula
Figure DE102012004913B4_0002
at.

Entsprechend steigt die am Abgriff 1 des ersten Messzweigs 4 vorhandene und entsprechend an den positiven Eingang des Differenzverstärkers 12 weitergeleitete Spannung Up nach der Formel

Figure DE102012004913B4_0003
an.Accordingly, the tap increases 1 of the first measuring branch 4 existing and corresponding to the positive input of the differential amplifier 12 forwarded voltage U p according to the formula
Figure DE102012004913B4_0003
at.

Entsprechend einer durch die Induktivität L2 des zweiten induktiven Bauteils 3 und den Ohm'schen Widerstand R2 des zweiten Messwiderstands 3 vorgegebenen Zeitkonstante L2/R2 steigt der Strom durch den im zweiten Messzweig 5 angeordneten zweiten Messwiderstand 13 nach der Formel

Figure DE102012004913B4_0004
an.According to one through the inductance L 2 of the second inductive component 3 and the ohmic resistance R 2 of the second measuring resistor 3 predetermined time constant L 2 / R 2 , the current increases through the second measuring branch 5 arranged second measuring resistor 13 according to the formula
Figure DE102012004913B4_0004
at.

Entsprechend steigt die Spannung Un am Abgriff 14 des zweiten Messzweigs 5 bzw. am negativen Eingang des Differenzverstärkers 12 nach der Formel

Figure DE102012004913B4_0005
an.Accordingly, the voltage U n at the tap increases 14 of the second measuring branch 5 or at the negative input of the differential amplifier 12 according to the formula
Figure DE102012004913B4_0005
at.

Für die vorstehend geschilderte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird eine Verstärkung des Differenzverstärkers 12 von V = 1 angenommen. Die Spannung Udiff am Ausgang des Differenzverstärkers 12 entspricht somit der Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen Up und Un. In dem Strompfad bzw. Messzweig 4 bzw. 5 mit der größeren Induktivität L1 bzw. L2 steigt der Strom und damit die Spannung über den Messwiderstand 10 bzw. 12 langsamer an.For the above-described embodiment of the device according to the invention 1 becomes a gain of the differential amplifier 12 assumed by V = 1. The voltage U diff at the output of the differential amplifier 12 thus corresponds to the difference between the two input voltages U p and U n . In the current path or measuring branch 4 respectively. 5 with the larger inductance L 1 or L 2 , the current and thus the voltage across the measuring resistor increases 10 respectively. 12 slower.

Entsprechend ergibt sich die Differenzspannung Udiff zu: udiff(t) = up(t) – un(t) Accordingly, the difference voltage U diff results in: u diff (t) = u p (t) - u n (t)

Wenn darüber hinaus noch die Formeln L1 = Q·L2 bzw. L2 = L1/Q genutzt werden, ergibt sich

Figure DE102012004913B4_0006
If, in addition, the formulas L 1 = Q · L 2 or L 2 = L 1 / Q are used, the result is
Figure DE102012004913B4_0006

Nach Ablauf des genau definierten Zeitintervalls td nach dem Schließen des ersten Schalters 6 wird die Sample-and-Hold-Schaltung 15 vom Controller 9 getriggert. Entsprechend wird in diesem Moment die Spannung Udiff in der Sample-and-Hold-Schaltung 15 gespeichert und steht dann am Ausgang der Sample-and-Hold-Schaltung 15 als zu dem Verhältnis zwischen den beiden Induktivitäten L1, L2 proportionaler Messwert Us zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Falls die Induktivität L1 des ersten induktiven Bauteils 2 größer als die Induktivität L2 des zweiten induktiven Bauteils 3 ist, wird der Messwert Us negativ. Falls die Induktivität L1 des ersten induktiven Bauteils 2 kleiner ist als die Induktivität L2 des zweiten induktiven Bauteils 3, so ist der Messwert Us positiv. Sofern die Induktivität L1 des ersten induktiven Bauteils 2 gleich der Induktivität L2 des zweiten induktiven Bauteils 3 ist, so wird der Messwert Us Null.After the expiry of the well-defined time interval t d after closing the first switch 6 becomes the sample-and-hold circuit 15 from the controller 9 triggered. Accordingly, at this moment, the voltage U diff in the sample-and-hold circuit 15 stored and then stands at the output of the sample-and-hold circuit 15 as to the ratio between the two inductors L 1 , L 2 proportional measurement value U s for further processing available. If the inductance L 1 of the first inductive component 2 greater than the inductance L 2 of the second inductive component 3 is, the measured value U s is negative. If the inductance L 1 of the first inductive component 2 is smaller than the inductance L 2 of the second inductive component 3 , the measured value U s is positive. If the inductance L 1 of the first inductive component 2 equal to the inductance L 2 of the second inductive component 3 is, the measured value U s is zero.

In 2 ist die Kennlinie einer Schaltungsanordnung entsprechend der vorstehend geschilderten Vorrichtung 1 mit den folgenden Parametern abgebildet:
U0 = 5 V
R1 = R2 = 1 kOhm
L1 = 15 mH
L2 = Q·L1
td = 30 μsIn 2 is the characteristic of a circuit arrangement according to the above-described device 1 mapped with the following parameters:
U 0 = 5V
R 1 = R 2 = 1 kOhm
L 1 = 15 mH
L 2 = Q · L 1
t d = 30 μs

Es ist ersichtlich, dass die Spannung bzw. der Messwert Us proportional zu dem Verhältnis der beiden Induktivitäten L1 und L2 ist.It can be seen that the voltage or the measured value U s is proportional to the ratio of the two inductances L 1 and L 2 .

Sofern dieser Messwert Us zur Auswertung genutzt werden kann, ist es nach Erfassung dieses Messwerts Us lediglich noch erforderlich, in einem entsprechenden Lookup-Table den zugeordneten Positionswert s zu ermitteln und diesen dann auszugeben, wie es in 3 prinzipiell gezeigt ist.If this measured value U s can be used for the evaluation, after acquiring this measured value U s it is only necessary to determine the assigned position value s in a corresponding look-up table and to output this value as shown in FIG 3 is shown in principle.

Die Erfassung zweier Messsignale MW1 und MW2 und die Berechnung des Verhältnisses aus diesen beiden Messsignalen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt und zum Vergleich in 4 gezeigt ist, kann entfallen.The acquisition of two measurement signals MW1 and MW2 and the calculation of the ratio of these two measurement signals, as known from the prior art and for comparison in 4 shown can be omitted.

Claims (7)

Vorrichtung zur Bestimmung eines zu einem Verhältnis von Induktivitäten (L1, L2) bzw. Kapazitäten zweier induktiver bzw. kapazitiver Bauteile (2, 3) proportionalen Messwerts (Us), mit einem ersten Messzweig (4), in dem das erste induktive bzw. kapazitive Bauteil (2) und ein erster Messwiderstand (10) angeordnet sind, und einem zweiten Messzweig (5), in dem das zweite induktive bzw. kapazitive Bauteil (3) und ein zweiter Messwiderstand (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerglied (9) vorhanden ist, mittels dem die beiden Messzweige (4, 5) zeitgleich mit einem Spannungssprung beaufschlagbar sind und für die Zeit ab dem Spannungssprung ein Zeitintervall (td) vorgebbar ist, und eine Abtastschaltung (15), die vom Steuerglied (9) nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls (td) triggerbar und mittels der eine Differenzspannung (Udiff) zwischen den beiden Messwiderständen (10, 13) abtastbar und ausgangsseitig als das Verhältnis zwischen den beiden Induktivitäten (L1, L2) bzw. Kapazitäten der beiden induktiven bzw. kapazitiven Bauteile (2, 3) proportionaler Messwert (Us) zur Verfügung stellbar ist.Device for determining a ratio of inductances (L 1 , L 2 ) or capacitances of two inductive or capacitive components ( 2 . 3 ) proportional measurement value (U s ), with a first measuring branch ( 4 ), in which the first inductive or capacitive component ( 2 ) and a first measuring resistor ( 10 ) are arranged, and a second measuring branch ( 5 ), in which the second inductive or capacitive component ( 3 ) and a second measuring resistor ( 13 ) are arranged, characterized in that a control member ( 9 ) is present, by means of which the two measuring branches ( 4 . 5 ) can be acted upon at the same time with a voltage jump and for the time from the voltage jump, a time interval (t d ) can be predetermined, and a sampling circuit ( 15 ) generated by the control element ( 9 ) after the predetermined time interval (t d ) and by means of a differential voltage (U diff ) between the two measuring resistors ( 10 . 13 ) and the output side as the ratio between the two inductances (L 1 , L 2 ) and capacitances of the two inductive or capacitive components ( 2 . 3 ) proportional measurement value (U s ) is available. Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Steuerglied (9) als programmierbarer Schaltkreis (9) ausgebildet ist, mittels dem die zeitliche Steuerung der Vorrichtung (1) entsprechend dem vorgebbaren Zeitintervall (td) zwischen dem Spannungssprung und der Abtastung der Differenzspannung (Udiff) realisierbar ist.Device according to claim 1, whose control element ( 9 ) as a programmable circuit ( 9 ) is formed, by means of which the timing of the device ( 1 ) can be realized according to the predefinable time interval (t d ) between the voltage jump and the sampling of the differential voltage (U diff ). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, deren Abtastschaltung (15) als Sample-and-Hold-Schaltung (15) ausgebildet ist, mittels der die Abtastung der Differenzspannung (Udiff) realisierbar und der abgetastete Momentanwert der Differenzspannung speicher- und ausgangsseitig als Messwert (Us) zur Verfügung stellbar ist.Device according to Claim 1 or 2, the sampling circuit ( 15 ) as a sample-and-hold circuit ( 15 ) is formed, by means of which the sampling of the differential voltage (U diff ) can be realized and the sampled instantaneous value of the differential voltage storage and output side as a measured value (U s ) is adjustable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit n induktiven bzw. kapazitiven Bauteilen, z. B. Sensoren, bei der zu den Verhältnissen der Induktivitäten bzw. Kapazitäten der induktiven bzw. kapazitiven Bauteile proportionale Messwerte mittels n – 1 Messvorgängen bestimmbar sind.Device according to one of claims 1 to 3, with n inductive or capacitive components, for. B. Sensors in which proportional to the ratios of the inductances and capacitances of the inductive or capacitive components measured values by means of n - 1 measuring operations can be determined. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in deren Steuerglied (9) das Zeitintervall (td) zwischen dem Spannungssprung und der Abtastung der Differenzspannung (Udiff) programmgesteuert veränderbar ist.Device according to one of Claims 1 to 4, in whose control member ( 9 ) the time interval (t d ) between the voltage jump and the sampling of the differential voltage (U diff ) is program-controlled variable. Verfahren zur Bestimmung eines zu einem Verhältnis von Induktivitäten (L1, L2) bzw. Kapazitäten zweier induktiver bzw. kapazitiver Bauteile (2, 3) proportionalen Messwerts (Us), bei dem in einem ersten Messzweig (4) das erste induktive bzw. kapazitive Bauteil (2) und ein erster Messwiderstand (10) und in einem zweiten Messzweig (5) das zweite induktive bzw. kapazitive Bauteil (3) und ein zweiter Messwiderstand (13) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messzweige (4, 5) zeitgleich mit einem Spannungssprung beaufschlagt werden, dass für die Zeit ab dem Spannungssprung ein Zeitintervall (td) vorgegeben wird, dass nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls (td) eine Differenzspannung (Udiff) zwischen den beiden Messwiderständen (10, 13) abgetastet und gespeichert wird und dass die abgetastete Differenzspannung (Udiff) als dem Verhältnis zwischen den beiden Induktivitäten bzw. Kapazitäten der beiden induktiven bzw. kapazitiven Bauteile (2, 3) proportionaler Messwert (Us) zur Verfügung gestellt wird.Method for determining a ratio of inductances (L 1 , L 2 ) or capacitances of two inductive or capacitive components ( 2 . 3 ) proportional measurement value (U s ), in which in a first measurement branch ( 4 ) the first inductive or capacitive component ( 2 ) and a first measuring resistor ( 10 ) and in a second measuring branch ( 5 ) the second inductive or capacitive component ( 3 ) and a second measuring resistor ( 13 ), characterized in that the two measuring branches ( 4 . 5 ) at the same time be subjected to a voltage jump, that for the time from the voltage jump, a time interval (t d ) is specified, that after the predetermined time interval (t d ) a differential voltage (U diff ) between the two measuring resistors ( 10 . 13 ) and that the sampled differential voltage (U diff ) is determined as the ratio between the two inductances or capacitances of the two inductive or capacitive components ( 2 . 3 ) proportional measurement value (U s ) is provided. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Zeitintervall (td) zwischen dem Spannungssprung und der Abtastung der Differenzspannung (Udiff) programmgesteuert verändert wird.Method according to Claim 6, in which the time interval (t d ) between the voltage jump and the sampling of the differential voltage (U diff ) is changed in a program-controlled manner.
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