DE102012008699B4 - Method for increasing the measuring range of a device for non-contact measurement of a distance - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein induktives Wegmeßsystem zur proportionalen und berührungslosen Erfassung von linearen und rotatorischen Bewegungsvorgängen als auch deren Überlagerungsformen. Die Überlagerungstypen machen ein im Abstands-Volumenmodell der Meßstrecke integrierendes System notwendig, welches ohne mechanische Ankopplung an die Meßaufgabe ausgeführt ist. Als Meßelement dient ein halbseitig offener, ferritischer Schalenkern mit Spule, mit dem der Abstand zu beliebigen, metallischen Targets detektiert werden kann. Zunächst werden Ausführungsformen beschrieben, mit denen die in einem elektrischen Schwingsystem (30) befindliche Schalenkernspule L mit ideal hoher Güte und in Konsequenz daraus maximaler Reichweite betrieben wird. Darüber hinaus wird die Einführung einer geregelten Energierückführung (50) in den Schwingkreis vorgeschlagen, die eine weitere und einstellbare Erhöhung der Schwingkreisgüte gestattet. Damit kann die Meßreichweite eines solchen, nach dem induktiven Prinzip arbeitenden Sensors nochmals erheblich gesteigert werden.The invention relates to an inductive position measuring system for the proportional and contactless detection of linear and rotary motion processes as well as their forms of superposition. The types of superimposition require a system that is integrated in the volume model of the distance to be measured and that is implemented without mechanical coupling to the measurement task. A ferritic pot core with a coil, open on one side, serves as the measuring element, with which the distance to any metallic target can be detected. First of all, embodiments are described with which the pot core coil L located in an electrical oscillating system (30) is operated with an ideally high quality and, as a consequence, maximum range. In addition, the introduction of a regulated energy return (50) into the resonant circuit is proposed, which allows a further and adjustable increase in the resonant circuit quality. The measuring range of such a sensor, which works on the inductive principle, can thus be increased again considerably.
Description
Die Erfindung betrifft ein induktives Wegmeßsystem zur proportionalen und berührungslosen Erfassung von linearen und rotatorischen Bewegungsvorgängen als auch deren Überlagerungsformen. Insbesondere finden solcherlei Sensoren in der Kraftfahrzeug- als auch in der industriellen Automatisierungstechnik Anwendung. Hier besteht die Notwendigkeit zur sowohl quasi-statischen als auch dynamischen Messung von Abständen, Wegen und Winkeln. Häufig treten aufgrund der mechanischen Auslegung in der Applikation Überlagerungstypen dieser Bewegungsformen auf, so dass ein im Abstands-Volumenmodell der Meßstrecke integrierendes System notwendig wird, welches in Konsequenz und darüber hinaus in bevorzugter Weise ohne mechanische Ankopplung an die Meßaufgabe ausgeführt werden sollte.The invention relates to an inductive measuring system for the proportional and non-contact detection of linear and rotary motion processes as well as their overlay forms. In particular, such sensors are used in motor vehicle technology as well as in industrial automation technology. Here, there is a need for both quasi-static and dynamic measurement of distances, paths and angles. Frequently occur due to the mechanical design in the application overlay types of these forms of motion, so that in the distance-volume model of the measuring section integrating system is necessary, which should be carried out in consequence and beyond in a preferred manner without mechanical coupling to the measurement task.
In den genannten Anwendungsgebieten, insbesondere aber in der Kraftfahrzeugtechnik, werden ausgesprochen flexible Sensorkonzepte benötigt, die sich möglichst einfach an verschiedene Gehäusebauformen und Applikationssituationen anpassen lassen und darüber hinaus klein und leicht bauen. Des weiteren wird eine abgestimmte Entwicklung von Aufnehmern für die unterschiedlichsten Bewegungsformen zur dezidierten Erfassung diesbezüglicher Messgrößen gefordert. Technische Notwendigkeiten entstehen aus den Bereichen Getriebe, Kupplungen, Fahrwerke, Bremssysteme sowie den Brems-, Kupplungs- und Gaspedalen. Die sensorische Erfassung der einhergehenden Positionswerte ist oder wird erforderlich, da die Systeme zunehmend elektrisch gesteuert und geregelt oder sogar komplett elektrifiziert werden sollen.In the mentioned fields of application, but especially in automotive engineering, very flexible sensor concepts are needed that can be adapted as easily as possible to different housing designs and application situations and, moreover, are small and lightweight. Furthermore, a coordinated development of transducers for the most varied forms of motion for the dedicated detection of relevant measured variables is required. Technical requirements arise from the areas of transmissions, clutches, chassis, brake systems and the brake, clutch and accelerator pedals. The sensory acquisition of the associated position values is or becomes necessary as the systems are to be increasingly electrically controlled and regulated or even electrified completely.
In der Automatisierungstechnik dominieren Näherungsschalter, die auf unterschiedlichen, physikalisch-technischen Prinzipien basierend aufgebaut sind. Die Geräte üben durchgehend Schaltfunktionen mit fest definierten Schaltabständen und -hysteresen aus. Mit der zunehmenden Elektronifizierung in der Steuerungstechnik und damit einhergehend immer anspruchsvoller werdenden Regelvorgängen zur exakten Ablaufsteuerung der Anlagen- und Automatisierungskomponenten werden allerdings zunehmend Sensorsignale mit proportionalem Positionserfassungscharakter gefordert.In automation technology, proximity switches, which are based on different physical-technical principles, dominate. The devices consistently operate switching functions with fixed switching distances and hystereses. However, with the increasing electronification in the control technology and the associated increasingly demanding control processes for the exact sequence control of the plant and automation components, increasingly sensor signals with a proportional position detection character are required.
Es wird also ein Weg- und Winkelmeßsystem vorgeschlagen, welches meßtechnische Eigenschaften aufweist, welche um etwa Faktor zwei bis drei über denen vergleichbarer Systeme liegen und darüber hinaus Anwendungsbereiche erschließt, die sich mit heutigen Systemen noch gar nicht abdecken lassen.Thus, a displacement and angle measuring system is proposed which has metrological properties which are about two to three times higher than comparable systems and, moreover, opens up application areas which can not yet be covered by today's systems.
Stand der TechnikState of the art
In der Weg- und Winkelsensorik haben sich für Anwendungen in der Kraftfahrzeug- und der industriellen Automatisierungstechnik in der Hauptsache folgende, technisch-physikalische Wirkprinzipien durchgesetzt: Induktiv spulenbasiert, wobei hier das Wirbelstromprinzip und das PLCD-Prinzip (Permanentmagnetic Linear Contactless Displacement-Sensor) zu nennen sind, kapazitiv, optisch, Ultraschall und HALL-Effekt. Die Automatisierungstechnik verwendet diese Prinzipien hauptsächlich, um berührungslose Positions- und Endlagenschalter aufzubauen. Im Kraftfahrzeug fand der HALL-Effekt als berührungsloser Schalter weite Verbreitung, heute auch als linearer Sensor in weg- und winkelproportionalen Meßaufgaben im Einsatz. Induktive und PLCD-Sensoren finden im Fahrzeug breite Anwendung, kapazitiv und optisch werden hier so gut wie nicht eingesetzt. Ultraschall findet als Fernfeldmeßsystem für die PDC (Park Distance Control) Anwendung.In motion and angle sensors, the following technical-physical principles of action have prevailed for applications in motor vehicle and industrial automation technology: inductively coil-based, in which case the eddy-current principle and the PLCD principle (permanent-magnetic linear contactless displacement sensor) apply are called, capacitive, optical, ultrasound and HALL effect. Automation technology mainly uses these principles to build non-contact position and limit switches. In the motor vehicle, the HALL effect as a non-contact switch was widely used, today also as a linear sensor in weg- and angle-proportional measurement tasks in use. Inductive and PLCD sensors are widely used in vehicles, capacitive and optical are hardly used here. Ultrasound is used as a remote field measuring system for the PDC (Park Distance Control) application.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass widerstandspotentiometrische Prinzipien als Weg- aber insbesondere Winkelsensoren zahlreiche Anwendungssegmente bedienten, sie befinden sich aber nicht mehr im Fokus von Forschung und Entwicklung und stellen nicht mehr den aktuellen Stand der Technik dar.For the sake of completeness, it should be mentioned that resistance-potentiometric principles as path-but in particular angle sensors served numerous application segments, but they are no longer in the focus of research and development and no longer represent the current state of the art.
Die weitverbreiteten Prinzipien HALL-Effekt und PLCD benötigen für ihre Ansteuerung vom Grundsatz her einen entlang der Meßstrecke beweglichen Magneten und sollen von daher für eine weitere Beurteilung entfallen.The widely used principles of HALL effect and PLCD basically require a magnet which is movable along the measuring path for their control and should therefore be dispensed with for further evaluation.
Im folgenden wird der Fokus nun auf das induktive Prinzip gelegt, da die Erfindung hierauf basiert.In the following, the focus is now placed on the inductive principle, since the invention is based thereon.
Ein induktiv arbeitender Linearsensor ist in
Ebenfalls induktiv und einen linearen Weg detektierend findet sich in
Das Konzept von gedruckten oder geätzten Leiterbahnspulen auf Leiterplatten zur Umsetzung des induktiven Prinzips als Drehwinkelgeber greift
Ebensolche leiterplattenbasierten Spulen können auch zum Aufbau von induktiven Linearsensoren eingesetzt werden, was in
Mit den besagten leiterplattenbasierten Spulen lassen sich ebenso induktive Näherungsschalter realisieren, was
Eine andere Klasse von Realisierungskonzepten beinhaltet ferritische Halbschalenkerne als induktives Sensorelement, allerdings sind diese durchweg als induktive Näherungsschalter und nicht als Linearweggeber aufgebaut. Sie seien dennoch der Vollständigkeit halber erwähnt, da sich die vorliegende Erfindung den Einsatz einer Ferritspule als Sensorelement zunutze macht.Another class of realization concepts includes ferrite half-shell cores as an inductive sensor element, but these are consistently constructed as inductive proximity switches and not as Linearweggeber. However, they are mentioned for the sake of completeness, since the present invention utilizes the use of a ferrite coil as a sensor element.
So beschreibt
Weitere induktive Näherungsschalter:
Aus der Analyse des Standes der Technik wird folgende, technische Segmentierung bei den induktiven Sensoren deutlich:
Ferritkerne kommen in der Bauform ,halboffener Schalenkern' als Sensorelemente ausschließlich in induktiven Näherungsschaltern zum Einsatz. Diese Geräte werden als berührungslos arbeitende Schalter ausgeführt und entsprechend so eingesetzt. Ausführungsformen mit einer analogen Wegkennlinie als Übertragungscharakteristik existieren nur in einigen wenigen, unterrepräsentierten Produktsegmenten, womit sie als durchweg uninteressant für die weitere Betrachtung gewichtet werden können. Darüber hinaus sind diese keinesfalls für die angedachten Anwendungen in der Automobilindustrie geeignet.From the analysis of the prior art, the following technical segmentation in inductive sensors becomes clear:
Ferrite cores are used in the design of semi-open pot core as sensor elements only in inductive proximity switches. These devices are designed as non-contact switches and used accordingly. Embodiments with an analog path characteristic as a transmission characteristic exist only in a few, under-represented product segments, so that they can be weighted as uninteresting for further consideration. In addition, these are by no means suitable for the intended applications in the automotive industry.
Moderne Positionsgeber für die Weg- oder Winkelerfassung arbeiten durchweg berührungslos und sind in Konsequenz entweder nach dem induktiven Prinzip, oder als Unterkategorie hiervon induktiv-leiterplattenspulenbasiert, aufgebaut. Reine induktive Geber besitzen Langspulen mit einer, zwei oder drei Drahtwicklungen, in der sich ein metallischer oder ferromagnetischer Kern bzw. Tauchanker bewegt. Arbeitet man hier mit einer einzigen Wicklung, so wird das Dämpfungsprinzip ausgenutzt, im Falle zweier Wicklungen handelt es sich um die Wirkungsweise des sogenannten Differentialtransformators und drei Wicklungen sind zum Aufbau eines LVDT (Linear Variable Differential Transducer) notwendig. Als Konstruktionsmerkmal ist all diesen Sensoren gemeinsam, dass sie aufgrund des bevorzugt geraden Aufbaus der Spule nur als Linearweggeber eingesetzt werden können.Modern position encoders for path or angle detection work consistently without contact and are consequently constructed either on the inductive principle or as a subcategory of these inductively-based on a coil plate. Pure inductive sensors have long coils with one, two or three wire windings, in which a metallic or ferromagnetic core or plunger armature moves. If one works here with a single winding, the damping principle is exploited, in the case of two windings it is the mode of operation of the so-called differential transformer and three windings are necessary for the construction of an LVDT (Linear Variable Differential Transducer). As a design feature is common to all these sensors that they can be used only as Linearweggeber due to the preferred straight construction of the coil.
Des weiteren ist ihre Funktionsweise nur bedingt als berührungslos zu bezeichnen, da der Kern immer in die Spule eintauchen muß, infolge dessen eine gewisse örtliche Nähe zwischen Spule und Kern erforderlich ist und folglich keine echte Wirkung über Distanz erzielt wird. Anwendungen finden solcherlei aufgebaute Produkte ausschließlich in speziellen Meßaufgaben der Automatisierungstechnik, sie sind durchweg auch relativ groß, schwer und teuer.Furthermore, their operation is limited to call contactless, since the core must always immerse in the coil, as a result of which a certain local proximity between coil and core is required and consequently no real effect is achieved over distance. Applications find such structured products exclusively in special measuring tasks of automation technology, they are consistently also relatively large, heavy and expensive.
Induktive Sensoren mit Leiterplattenspulen stellen den letzten Stand der Technik dar und können sowohl als Linearweg- oder Drehwinkelgeber realisiert werden. Hier werden die Spulen in Form von Leiterbahnen auf Leiterplatten ausgeführt, womit dann keine Spulen- oder Drahtwickelkörper mehr erforderlich sind. Die Leiterplattenspulen senden und empfangen hochfrequente Wechselfelder. Gegenüber der Leiterplatte befindet sich ein als Target oder Resonator bezeichnetes Gegenstück, dessen Position der Meßposition entspricht. Dieses kann wiederum auch als einfaches Leiterplättchen mit einigen Kurzschlußleiterbahnen ausgeführt sein. Bewegt man nun das Target parallel zur Leiterplatte, so kann man bei entsprechender Auslegung der Leiterplattenspulengeometrie die Position des Targets relativ zur Leiterplatte bestimmen.Inductive sensors with printed circuit board coils represent the latest state of the art and can be realized both as Linearweg- or rotary encoder. Here, the coils are designed in the form of printed conductors on printed circuit boards, which then no more coil or wire wound body are required. The PCB coils send and receive high frequency alternating fields. Opposite the circuit board is a designated as a target or resonator counterpart whose position corresponds to the measuring position. This in turn can be designed as a simple circuit board with some short circuit conductors. If you now move the target parallel to the circuit board, so you can determine the position of the target relative to the circuit board with appropriate design of the PCB coil geometry.
Entsprechende Leiterbahngeometrien und Targetkonstruktionen in kreisrunder Form ermöglichen den Aufbau von Drehgebern, in Längsform entsprechend den Aufbau von Lineargebern.Corresponding conductor track geometries and target constructions in circular form allow the construction of encoders, in longitudinal form corresponding to the structure of linear encoders.
Hier ist als Einschränkung allerdings wie oben zu nennen, dass diese Anordnungen nicht ohne Nahfeldkopplung zwischen den Spulen und den Targets auskommen. Somit kann zwar der Nahbereich zwischen Spule und Target ohne mechanische Berührung konstruiert werden, die eigentliche Meßstrecke kann jedoch nicht in berührungsloser Form bzw. ohne mechanische Hilfsteile oder Aktoren überwunden werden.Here, however, as a restriction, as mentioned above, these arrangements can not manage without near-field coupling between the coils and the targets. Thus, although the close range between the coil and the target can be constructed without mechanical contact, the actual measuring path can not be overcome in non-contact form or without mechanical auxiliary parts or actuators.
Aufgabenstellungtask
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die Vorteile der Magnetfelderzeugung mit einer Ferritspule zur induktiven Wegmessung für die Umsetzung in einen vollkommen berührungslos arbeitenden Weg- und Winkelsensor zu nutzen und durch geeignete, schaltungs-, spulen- und aufbautechnische Maßnahmen so auszuführen, dass nicht nur die Grundfunktion einer berührungslosen Wegmessung über Abstand optimal ist, sondern auch die technischen Eigenschaften im zum jeweils entsprechenden Parameter anderer Wirkprinzipien weit über den vergleichbaren Parametern dieser jeweils bekannten Wirkprinzipien liegen.The invention makes it its mission to use the advantages of magnetic field generation with a ferrite coil for inductive displacement measurement for the implementation in a completely non-contact displacement and angle sensor and perform by appropriate, circuit, coil and construction measures so that not only the basic function of a non-contact distance measurement over distance is optimal, but also the technical properties in each case corresponding parameters of other principles of action are far above the comparable parameters of these respective known principles of action.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässig arbeitende Vorrichtung zu schaffen, welche den Abstand zu einem bevorzugt axial zur Ferritspulenoberfläche bewegten Meßobjekt detektiert. Durch eine geeignete Anordnung zwischen Spule und Meßobjekt lassen sich mit dem System aufgrund des durch die Magnetfeldeigenschaften hervorgerufenen Integrationsverhaltens im Abstands-Volumenmodell der Meßstrecke jedoch mit gleicher Genauigkeit auch Drehbewegungen erfassen. Das Meßobjekt wird im folgenden als Target bezeichnet.In addition, the invention has for its object to provide a reliable working device which detects the distance to a preferably axially moved to the ferrite coil surface object to be measured. However, due to a suitable arrangement between the coil and the object to be measured, rotational movements can be detected with the same accuracy due to the integration behavior caused by the magnetic field properties in the distance-volume model of the measuring section. The measured object will be referred to as a target hereinafter.
Weiterhin soll sich der Sensor durch ausgesprochen geringe Baugröße und ein geringes Gewicht auszeichnen. Ein relativ einfacher Aufbau und die Möglichkeiten einer – gegebenenfalls mehrstufigen – Integration der Sensorelektronik ermöglichen a priori geringe Kosten. Das System soll hermetisch komplett gekapselt herstellbar sein, so dass einer ganzen Reihe von Umweltanforderungen wie mechanischer Robustheit und Dichtigkeit gegen Verschmutzungen und Fremdstoffeinträgen jeglicher Art, beispielsweise Festkörpern, Stäuben, Flüssigkeiten oder Ölen, Rechnung getragen werden kann. Auch soll das Problem der Vereisung, speziell im Fall von Außenanwendungen wie beispielsweise im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, hier nachhaltig gelöst werden können.Furthermore, the sensor should be characterized by extremely small size and low weight. A relatively simple construction and the possibilities of integration of the sensor electronics, which may be multi-stage, allow a priori low costs. The system should be hermetically sealed complete, so that a whole range of environmental requirements such as mechanical robustness and impermeability to contamination and foreign substance inputs of any kind, such as solids, dusts, liquids or oils, can be accommodated. Also, the problem of icing, especially in the case of outdoor applications such as in the chassis of a motor vehicle, can be solved here sustainable.
Weiterhin sollen der elektronische und elektro-mechanische Aufbau so gehalten werden, dass eine hohe Immunität gegenüber elektrischen – leitungsgebundenen als auch eingestrahlten – Störungen erreicht werden kann. Umgekehrt sind die elektrischen Spannungen und Ströme im System so gering und niederfrequent wie möglich auszulegen, so dass die Anordnung keine oder nur sehr geringe elektrische Störungen an die Umwelt abgibt.Furthermore, the electronic and electro-mechanical structure should be kept so that a high immunity to electrical - conducted as well as irradiated - interference can be achieved. Conversely, the electrical voltages and currents in the system must be interpreted as low and as low frequency as possible, so that the arrangement emits no or very little electrical interference to the environment.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit den in den Patentansprüchen 1 bis 8 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.The solution of these objects is achieved according to the invention with the features specified in the
Vorzugsweise wird für die Sensorspule ein ferritischer, einseitig halboffener Schalenkern verwendet, da diese Bauform von ihrer geometrischen Auslegung her bereits auf eine besonders günstige, örtliche Verteilung des zwischen Sensoroberfläche und Meßobjekt (= Target) abgestrahlten Magnetfelds ausgelegt ist. Diese Bauformen sind auch sehr einfach herstellbar. Der Schalenkern benötigt zum Betrieb eine gewickelte Spule, deren Wickel- und Materialparameter im Hinblick auf eine optimale Funktion des Sensors optimiert werden müssen. Die Induktivität der Schalenkernspule soll im folgenden mit L bezeichnet werden. Da es sich um ein Wechselstrom-Schwingsystem handelt, ist noch ein geeignet zu dimensionierender Kondensator erforderlich. Dieser soll im folgenden mit C bezeichnet werden.Preferably, a ferritic, one-sided semi-open shell core is used for the sensor coil, since this design is designed from its geometrical design forth already on a particularly favorable, local distribution of the radiated between the sensor surface and object to be measured (= target) magnetic field. These designs are also very easy to produce. The shell core requires a wound coil for its operation, the winding and material parameters of which have to be optimized with regard to the optimal functioning of the sensor. The inductance of the shell core coil will be referred to below as L. Since it is an AC oscillating system, a suitable sized capacitor is still required. This will be referred to below with C.
Hierbei ist der grundsätzliche, elektrische Aufbau des Schwingkreises – seriell, parallel oder als geteiltes System – zunächst von untergeordneter Bedeutung. Wichtig ist, und dies ist für die Auslegung solcher Systeme bekannt, dass die elektrische Güte der Verschaltung so hoch wie möglich zu treiben ist, da sich dies günstig auf die erzielbare Reichweite des Sensors auswirkt. Im Gegenzug müssen hier wiederum andere, und zwar gegenläufige Parameter wie elektronische Stabilitätskriterien und die Systembandbreite, Berücksichtigung finden.Here, the basic electrical structure of the resonant circuit - serial, parallel or as a split system - initially of secondary importance. It is important, and this is known for the design of such systems, that the electrical quality of the interconnection as high as possible to drive, since this has a favorable effect on the achievable range of the sensor. In turn, other parameters, such as electronic stability criteria and system bandwidth, must be taken into account.
Vorzugsweise besteht das Target aus einer ebenen Metallfläche, wobei die genaue Form für die Funktion keine Rolle spielt. Das induktive Prinzip ist in der Lage, jede Form von metallischen Gegenständen zu erkennen. Hier gibt es nur Unterschiede in der Meßempfindlichkeit bezüglich der Art von Metall. So kann beispielsweise Eisen besser detektiert werden als Edelstahl, dieses wiederum besser als Messing, dieses wiederum besser Aluminium und dieses wiederum besser als Kupfer. Nicht ferromagnetische Materialien, wie zum Beispiel Kunststoffe, organische Materialien oder die meisten Flüssigkeiten, beeinflussen das System nicht, werden bei ihrer Anwesenheit also nicht mitgemessen und sind somit nicht störend.Preferably, the target consists of a flat metal surface, the exact shape of which does not matter for the function. The inductive principle is able to detect any form of metallic objects. Here, there are only differences in the measurement sensitivity with respect to the type of metal. For example, iron can be detected better than stainless steel, which in turn is better than brass, which in turn is better aluminum and this better than copper. Non-ferromagnetic materials, such as plastics, organic materials or most fluids, do not affect the system, so are not measured in their presence and are therefore not disturbing.
Um aufwändige Simulationsprozesse, die die komplexe Magnetfeldverteilung vor der Spule sowie die Wirbelstromeffekte im metallischen Target beinhalten müssten, für die Auslegung des Schwingkreises inklusive des abgestrahlten Magnetfelds zur Optimierung der Schwingkreisgüte zu vermeiden, soll vorzugsweise folgende Methodik eingesetzt werden: Die Spule habe die Induktivität L, der Wickelwiderstand sei RI. Die elektrischen Verluste um den Schwingkreis setzen sich aus zwei Komponenten zusammen: 1) Die Abstrahlung des Magnetfelds benötigt Energie. Diese kann als Feldverlustwiderstand dargestellt und auf die Klemmenseite der Spule transformiert werden. 2) Da die Spule notwendigerweise in einer realen Schaltungsumgebung betrieben wird, hat man hier nur eine endlich ideale Quelle zur Einspeisung der elektrischen Energie als auch nur einen endlich hochohmigen Signalabgriff zur Signalgewinnung vorliegen. Beide Verlusteffekte 1) und 2) können im Ersatzschaltbild als Parallelwiderstand zur Spule dargestellt werden. Dieser sei mit Rv bezeichnet. Der eingesetzte Kondensator habe die Kapazität C.In order to avoid complex simulation processes, which would have to include the complex magnetic field distribution in front of the coil and the eddy current effects in the metallic target, for the design of the resonant circuit including the radiated magnetic field to optimize the resonant circuit quality, the following methodology should preferably be used: The coil has the inductance L, the winding resistance is RI. The electrical losses around the resonant circuit are composed of two components: 1) The radiation of the magnetic field requires energy. This can be represented as field loss resistance and transformed to the terminal side of the coil. 2) Since the coil is necessarily operated in a real circuit environment, one has here only a finite ideal source for feeding the electrical energy as well as only a finely high-impedance signal tap for signal recovery. Both loss effects 1) and 2) can be represented in the equivalent circuit as a parallel resistor to the coil. This is called Rv. The capacitor used has the capacity C.
Zunächst sind alle Parameter als Variable anzusehen. Allerdings verhält es sich nun so, dass die beiden Größen L und RI miteinander verknüpft sind und sich somit nicht beliebig getrennt einstellen lassen. Man muß diese also wiederum unter anderen Optimierungskriterien bestimmen. In die Auslegung gehen ein: Die gewünschte Induktivität und die gewünschte Stromaufnahme. Beide Größen hängen wiederum mit Parametern wie Schwingfrequenz, Ferritkernmaterialeigenschaften und Wicklungsauslegung zusammen. Ebenso ist Rv magnetfeldseitig durch die Schalenkerngeometrie und elektrischerseits durch die Schaltungsauslegung beeinflusst, man erhält hier nach Auswahl gewisser Konfigurationen für die Spule feste Werte. Auf der Seite der elektronischen Schaltung lassen sich diese, wie weiter unten noch beschrieben wird, jedoch optimieren. Ziel ist, all diese Parameter so hochohmig wie möglich zu legen, um eine möglichst geringe Bedämpfung des Schwingkreises zu erhalten. Der transformierte Feldverlustwiderstand kann beispielsweise für eine gegebene Konfiguration durch einige, relativ einfache Messungen ermittelt werden.First of all, all parameters are to be regarded as variables. However, it is the case that the two variables L and RI are linked with each other and thus can not be set arbitrarily separately. One must therefore determine these under other optimization criteria. In the interpretation go: The desired inductance and the desired current consumption. Both quantities in turn are related to parameters such as vibration frequency, ferrite core material properties and winding design. Likewise, Rv on the magnetic field side is influenced by the shell core geometry and, on the electrical side, by the circuit design; here, after selecting certain configurations for the coil, fixed values are obtained. On the side of the electronic circuit, however, these can be optimized as will be described below. The aim is to set all these parameters as high-impedance as possible in order to obtain the lowest possible damping of the resonant circuit. For example, the transformed field loss resistance may be determined for a given configuration by a few relatively simple measurements.
Nun bleibt als Variable nur noch die Schwingkreiskapazität C übrig. Man errechnet im folgenden den Dämpfungsfaktor d der aus L, RI, C und Rv gebildeten Konfiguration, differenziert diesen nach C (lokales Minimum) und erhält dann eine Berechnungsgleichung für C. Für einen einfachen Parallelschwingkreis lautet diese beispielsweise: C = L/(RI × Rv). Damit hat man zunächst die Auslegung der Schwingkreiskomponenten güteoptimiert. Andere Methoden sind selbstverständlich denkbar. Ziel ist allerdings immer, eine möglichst hohe Inertialgüte des Schwingsystems zu erhalten. Now only the resonant circuit capacitance C remains as a variable. In the following, one calculates the damping factor d of the configuration formed by L, RI, C and Rv, differentiates it to C (local minimum) and then obtains a calculation equation for C. For a simple parallel resonant circuit, this is for example: C = L / (RI × Rv). This has initially quality-optimized the design of the resonant circuit components. Other methods are of course conceivable. However, the goal is always to obtain the highest possible inertial quality of the vibration system.
Die durch die elektronische Beschaltung beeinflusste Komponente des Verlustwiderstands Rv hängt davon ab, wie der Schwingkreis elektrisch angesteuert und das Schwingkreissignal, welches die Weginformation des Sensors enthält, elektrisch abgegriffen wird. Im folgenden soll nur auf die Verwendung eines Parallelschwingkreises aus L und C eingegangen werden, da die verwendete Schaltungstechnik hierauf abgestimmt und optimiert wurde. Für einen solchen Schwingkreis wäre die Ansteuerung über eine ideale Wechselstromquelle optimal, da diese unendlich hochohmig einkoppelt. Für die Signalauskopplung wiederum wäre ein unendlich hochohmiger Verstärkereingangswiderstand der Bestfall. Beides lässt sich in der Realität nicht erreichen. Setzt man jedoch als Bedingung an, dass alle angeschlossenen, elektrischen Impedanzen um etwa sechs Größenordnungen (also Faktor 106) über der Schwingkreisimpedanz im Resonanzfall liegen, so kommt man den Idealbedingungen eines freilaufenden Resonanzkreises schon sehr nahe.The component of the loss resistance Rv influenced by the electronic circuit depends on how the resonant circuit is electrically driven and the resonant circuit signal containing the path information of the sensor is electrically tapped. In the following, only the use of a parallel resonant circuit of L and C will be discussed, since the circuit technology used has been tuned and optimized to this end. For such a resonant circuit, the control would be optimal over an ideal AC power source, since this couples infinite high impedance. For the signal extraction in turn, an infinite high-impedance amplifier input resistance would be the best case. Both can not be achieved in reality. However, assuming as a condition that all connected, electrical impedances are about six orders of magnitude (ie factor 10 6 ) above the resonant circuit impedance in the case of resonance, one comes very close to the ideal conditions of a free-running resonant circuit.
Des weiteren besteht die Forderung, den Schwingkreis unabhängig von der durch das Target erzeugten Bedämpfungssituation immer in Resonanz zu betreiben, da hier die Gütewerte natürlicherweise am höchsten sind.Furthermore, there is a requirement to always operate the resonant circuit independently of the damping situation generated by the target, since the quality values are naturally highest here.
All diese Forderungen lassen sich vorzugsweise dadurch erreichen, dass man den Schwingkreis in einem freilaufenden Oszillator dergestalt verschaltet, dass der erste Anschluß <A1> in einem entsprechend im Oszillator realisierten Regelreis zwar nur endlich hochohmig angesteuert wird, der zweite Anschluß <A2> jedoch durch den Regelkreis invertiert so mit Energie versorgt wird, dass die durch die nichtideale Ansteuerung bedingten Verluste exakt wieder kompensiert werden können. Die Ansteuerung des zweiten Anschlusses <A2> kann durch eine Wechselspannungsquelle, also niederohmig erfolgen. Damit bleibt nur noch die Ungenauigkeit der Regelstrecke als Verlustmerkmal übrig, die entsprechend der obigen Forderung sehr klein gehalten werden kann.All these requirements can be achieved preferably by connecting the resonant circuit in a free-running oscillator such that the first terminal <A1> in a correspondingly implemented in the oscillator control loop, although only finely high-impedance is driven, the second terminal <A2> but by the Inverted control circuit is supplied with energy so that the losses caused by the non-ideal control can be exactly compensated again. The control of the second terminal <A2> can be done by an AC voltage source, ie low impedance. This leaves only the inaccuracy of the controlled system as a loss feature left, which can be kept very small according to the above requirement.
Für den Signalabgriff und gleichzeitig als Eingangsverstärker des Regelkreises mit dem Oszillator lässt sich vorzugsweise ein Operationsverstärker einsetzen, dessen Eingangsimpedanz die geforderten sechs Größenordnungen über der Resonanzimpedanz des Schwingkreises liegt. Der Schwingkreis sollte so dimensioniert sein, dass seine eigene Maximalimpedanz – die Impedanz ohne Bedämpfungswirkung durch ein Target – in der Größenordnung von 1 MOhm liegt. Damit benötigt man einen Verstärkereingangswiderstand von etwa 1 TOhm, was mit handelsüblichen Operationsverstärkern ohne großen Aufwand und Kosten erreichbar ist.For the signal tap and at the same time as an input amplifier of the control loop with the oscillator, preferably an operational amplifier can be used whose input impedance is the required six orders of magnitude above the resonance impedance of the resonant circuit. The resonant circuit should be dimensioned so that its own maximum impedance - the impedance without a damping effect by a target - in the order of 1 Mohm. This requires an amplifier input resistance of about 1 TOhm, which can be achieved with commercial operational amplifiers without much effort and expense.
Die Schaltung, bestehend aus dem Oszillator mit dem Regelkreis zum Schwingkreisbetrieb, soll unter allen Bedingungen frei- und selbstanschwingend sein und darüber hinaus immer auf der Resonanzfrequenz des Schwingkreises laufen. Die Selbstschwingbedingung ist bekannter weise bei hohen Schwingkreisbedämpfungen, also geringen Meßabständen schwierig, da hier alle Nutzsignalamplituden im System sehr klein werden. Hier muß darauf geachtet werden, dass es nicht zu einem sogenannten ,Abreißen' der Schwingung kommt, da infolgedessen die Sensorkennlinie nicht mehr durchgehend geschlossen und stetig – also sprungfrei – wäre. Durch die Rückkanal-Regelstrecke im Regelkreis werden die genannten Bedingungen erfüllt. Diese greift die Oszillatorausgangsspannung Uo ab und führt sie als Synchronsignal zum Ansteuern des L-C-Schwingkreises wieder in den Oszillator bzw. den Schwingkreis zurück. Unter anderem wird in dieser Rückkanalstrecke eine Signalkonditionierung von Uo durchgeführt, z. B. eine Sinus-Rechteck-Wandlung.The circuit, consisting of the oscillator with the control circuit for resonant circuit operation, should be free and self-starting under all conditions and also always run on the resonant frequency of the resonant circuit. The self-oscillation condition is known to be difficult at high resonant circuit attenuations, ie small measuring distances, since all useful signal amplitudes in the system become very small. Here it must be ensured that it does not come to a so-called 'tearing' the vibration, as a result, the sensor characteristic is no longer closed continuously and steadily - so jump-free. The back-channel controlled system in the control loop fulfills the stated conditions. This picks up the oscillator output voltage Uo and returns it as a synchronizing signal for driving the L-C resonant circuit back into the oscillator or the resonant circuit. Among other things, a signal conditioning of Uo is carried out in this return path, z. B. a sine-square conversion.
Unter Berücksichtigung der oben aufgeführten Kriterien, also Optimierung der L-RI-C-Konfiguration der Ferritspule und optimale Schwingkreisbeschaltung, hat man nun zunächst ein System geschaffen, welches die Idealkonfiguration für den güteoptimierten Betrieb der Sensorspule darstellt. Damit erzielt man optimale Reichweiteergebnisse bezüglich des Meßwegs des Systems, die jetzt schwerpunktmäßig nur noch durch die durch den Schwingkreis verursachten, internen Verluste begrenzt werden.Taking into account the criteria listed above, ie optimization of the L-RI-C configuration of the ferrite coil and optimal resonant circuit, it has now been created a system that represents the ideal configuration for the quality-optimized operation of the sensor coil. This achieves optimal range results with respect to the measuring path of the system, which are now mainly limited by the caused by the resonant circuit, internal losses.
Um diese zu überwinden, muß man weitergehende Überlegungen anstellen. Für den Aufbau des Magnetfelds, welches zwischen Sensorspule und Target zur Wegmessung benötigt wird, wird natürlicherweise immer Energie verbraucht. Die hierdurch erzeugte Schwingkreisbedämpfung liegt um einige Größenordnungen über die durch interne Verluste im Ferritmaterial und in der Spulenwicklung erzeugten Bedämpfungseffekte. Die immanenten Magnetfeldverluste kann man nun vorzugsweise auf der elektrischen Seite kompensieren, da das System voll-reversibel ist, das heißt Effekte im Magnetfeld bilden sich auf der elektrischen Seite ab und umgekehrt. Aufgrund der Tatsache, daß die oben beschriebenen Schaltungseigenschaften ja bereits ideal mit der Schwingkreisankopplung umgehen, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, mit denen die im Magnetfeld verbrauchte Energie kompensiert werden kann. Hierzu wird vorzugsweise – aktiv und schaltungstechnisch gesteuert – zusätzliche Hilfsenergie in den Schwingkreis zurückgeführt.To overcome these, one must make further considerations. For the construction of the magnetic field, which is needed between the sensor coil and the target for path measurement, naturally energy is always consumed. The resonant circuit damping produced as a result is several orders of magnitude greater than the damping effects produced by internal losses in the ferrite material and in the coil winding. The immanent magnetic field losses can now be compensated preferably on the electrical side, since the system is fully reversible, that is to say effects in the magnetic field are formed on the electrical side and vice versa. Due to the fact that the circuit properties described above are already ideal with the Avoiding resonant circuit coupling, additional measures must be taken, with which the energy consumed in the magnetic field can be compensated. For this purpose is preferably - active and circuitry controlled - additional auxiliary energy fed back into the resonant circuit.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man das Signal am zweiten Anschluss des Schwingkreises <A2> oder das Signal Uo abgreift. Das ist leicht und ohne Aufwand möglich, da hier jeweils Wechselspannungsquellen liegen und man hier niederohmig ist. Nun wird durch eine entsprechende Schaltungstechnik ein geringer Zusatzstrom erzeugt, der als phasenrichtiges Überlagerungssignal in den Schwingkreis (Anschluß <A1>) eingesteuert wird. Da hier wiederum In-Phase-Bedingung vorliegt, sind die Anforderungen an die Hochohmigkeit nur bedingt gegeben. Man wird einen Impedanzwert für die Stromquelle wählen, der in etwa bei der Resonanzimpedanz des Schwingkreises liegt (sogenannte Leistungsanpassung). Die zusätzliche Energie dieser Energierückführung kompensiert die internen Feldverluste, erhöht elektrisch gesehen somit die Güte des Systems und trägt damit zu einer Vergrößerung der Meßreichweite des Sensors bei.This can be done, for example, by picking up the signal at the second terminal of the resonant circuit <A2> or the signal Uo. This is easily and effortlessly possible, since here each AC sources are and you are here low impedance. Now, a small additional current is generated by an appropriate circuit technology, which is controlled as a phase-correct superposition signal in the resonant circuit (terminal <A1>). Since this is again in-phase condition, the requirements for the high resistance are given only conditionally. One will choose an impedance value for the current source which is approximately at the resonance impedance of the resonant circuit (so-called power adjustment). The additional energy of this energy return compensates for the internal field losses, thus increasing the quality of the system, thus contributing to an increase in the measuring range of the sensor.
Die Oszillatorausgangsspannung Uo steht als Wechselspannungssignal an, welches in der Eigenfrequenz des Schwingkreises oszilliert und in seiner Amplitude die Abstandsinformation des Sensors enthält. Dieses Signal wird für fast alle Anwendungen noch nicht brauchbar sein, muß also dementsprechend elektronisch nachbearbeitet werden. Man wird vorzugsweise, unabhängig vom technischen Einsatzgebiet, einen Mikrocontroller (uC) einsetzen, um verschiedene Signalverarbeitungsaufgaben zu erledigen. Hierbei kann Uo beispielsweise in einem Synchrongleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt und einem ADC-Eingang des uC zugeführt werden (ADC = Analog-Digital-Converter). Eine andere Möglichkeit ist eine phasenfeste, aber nicht in jeder Periode erfolgende Abtastung von Uo und Messung im ADC, die eine Synchrongleichrichtung einspart und nur entsprechend dem Abtasttheorem zur Sicherstellung der Systembandbreite ausgelegt sein muß. Einen Synchrontakt erhält man zum Beispiel aus dem Ausgangssignal der Rückkanal-Regelstrecke.The oscillator output voltage Uo is available as an alternating voltage signal which oscillates in the natural frequency of the resonant circuit and contains in its amplitude the distance information of the sensor. This signal will not be usable for almost all applications, so it must be reworked accordingly. It is preferable to use a microcontroller (uC), irrespective of the technical field of application, to perform various signal processing tasks. Here, Uo can be converted into a DC voltage in a synchronous rectifier, for example, and fed to an ADC input of the μC (ADC = Analog-to-Digital Converter). Another possibility is a phase-locked, but not every period sampling of Uo and measurement in the ADC, which saves a synchronous rectification and must be designed only according to the sampling theorem to ensure the system bandwidth. A synchronous clock is obtained, for example, from the output signal of the return path controlled system.
Des weiteren kann ein NTC-Thermistor eingesetzt werden, um die Sensor- und die Umgebungstemperatur zu messen. Dessen Werte werden vorzugsweise ebenfalls in den uC eingelesen. Der uC besitzt Algorithmen zur Temperaturkompensation des Systems und gegebenenfalls zur Linearisierung von Kennlinien, sofern dies – je nach Charakteristik der Übertragungsfunktion des Sensors in der Applikation – erforderlich sein sollte.Furthermore, an NTC thermistor can be used to measure the sensor and ambient temperatures. Its values are preferably also read into the μC. The uC has algorithms for temperature compensation of the system and, if necessary, for the linearization of characteristics, if this is necessary, depending on the characteristics of the transfer function of the sensor in the application.
Das Ausgangssignal des Sensors kann ebenfalls über die Software im uC entsprechend aufbereitet und am Ausgang zur Verfügung gestellt werden. Gängig sind: Analoge Spannungs- oder Strompegel, PWM (Pulse Width Modulation) und diverse Bus-Systeme, wie LIN (Local Interconnection Network), LAN (Local Area Network), SENT (Single Edge Nibble Transmission) oder PSI (Peripheral Component Interconnect).The output signal of the sensor can also be processed in the uC via the software and made available at the output. Common: Analog voltage or current levels, PWM (Pulse Width Modulation) and various bus systems, such as LIN (Local Interconnection Network), Local Area Network (LAN), SEN (Single Edge Nibble Transmission) or PSI (Peripheral Component Interconnect) ,
Ausführungsbeispielembodiment
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
In
Der Bereich für kleine x ist allerdings in der Realisierung wesentlich anspruchsvoller: Für ein Wegsensorsystem kann nur eine Kennlinie akzeptabel sein, die durchgehend geschlossen und stetig ist, also einen sprungfreien Verlauf zeigt. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Oszillator unter allen Betriebsbedingungen nicht-abreißende Schwingeigenschaften aufzuweisen hat. Für x = 0, dass heißt im worst-case auf dem Schalenkern aufliegendes Target, können die Schwingamplituden im Oszillator durch die hohen Dämpfungswerte sehr klein werden. Als Funktionsbedingung kann man hier 0,1 ... 1‰ vom Endwert ansetzen. Nimmt man an, dass in einem mit 5 V versorgten System die sinusförmige Oszillatorausgangsspannung Uo = 2 Vss beträgt, so müssen hier 0,2 ... 2 mVss einer Signalregenerierung unterzogen werden, um eine permanente Rückspeisung für ein selbstschwingendes System zu erhalten.The area for small x, however, is much more demanding in the realization: for one Position sensor system can be acceptable only a characteristic that is continuously closed and continuous, so shows a jump-free course. This in turn means that the oscillator has to exhibit non-disruptive rocker characteristics under all operating conditions. For x = 0, that is, in the worst case on the pot core resting target, the oscillation amplitudes in the oscillator can be very small due to the high attenuation values. The functional condition can be set here to 0.1 ... 1 ‰ of the final value. Assuming that in a system supplied with 5 V, the sinusoidal oscillator output voltage Uo = 2 Vss, then 0.2 ... 2 mVss of signal regeneration must be subjected here to obtain a permanent feedback for a self-oscillating system.
Als Parameter ist in den Kurven der
Die über den Meßweg x variable Güte des Systems ist einerseits der eigentliche, signalgebende Effekt, andererseits zeigt sich hier eine Besonderheit in den Systemeigenschaften: Die Frequenzbandbreite verhält sich aussteuerungsabhängig, also abhängig vom gerade gemessenen Weg x. Frequenzgangmäßig betrachtet verhält sich der Sensor damit wie ein variabler Tiefpass erster Ordnung, wobei dessen –3 dB-Grenzfrequenz beim jeweiligen Meßabstand x der –3 dB-Bandbreite der Gütekurve entspricht.On the one hand, the quality of the system, which is variable over the measuring path x, is the actual signaling effect; on the other hand, a special feature in the system properties is shown here: The frequency bandwidth behaves in a control-dependent manner, ie depending on the currently measured displacement x. In terms of frequency response, the sensor thus behaves like a first-order variable low-pass filter, with its -3 dB cut-off frequency at the respective measuring distance x corresponding to the -3 dB bandwidth of the quality curve.
Die in
In
Um den Schwingkreis nun möglichst schwach durch die Beschaltung zu bedämpfen, liegt die Eingangsimpedanz an Klemme
Klemme
Um das System nun zu einem permanent und konstant erregten Selbstschwinger auszubauen, ist eine Rückkanal-Regelstrecke
Die Rückkanalstrecke
Aufgrund der 180°-Phasenbedingung zwischen <A1> und <A2> müssen auch die Signal an
Durch die beschriebene Auslegung der entsprechenden Schaltungsparameter in Oszillator
Um dennoch eine weitere Erhöhung der Güte des Systems zu erzielen, wird durch die Energierückführung
Dazu greift die Energierückführung
Aufgrund der Möglichkeit zur individuellen Einstellung der rückgeführten Energiemenge ist die Meßreichweite des Sensors nun keine, ausschließlich von den genannten Optimierungsparametern für Spule und Schaltung quasi-statische Größe mehr, sondern lässt sich dynamisch und vor allem rein elektrisch in relativ weiten Grenzen einstellen. Die in
Die obere Konfiguration (
Die untere Konfiguration (
Die zu den Anordnungen der
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