DE19859828A1 - Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Meßgröße - Google Patents

Abstract

Es wird eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Meßgröße vorgeschlagen, die zumindest ein Sensorelement und dieses beeinflussende Mittel umfaßt sowie eine Schaltungsanordnung mit einem Ausgang, über den der gemessene Wert als digital oder analog codiertes Signal ausgegeben wird. Bei einer solchen Sensoreinrichtung soll das technische Problem gelöst werden, Informationen zur Beurteilung der aktuellen Toleranzsituation jederzeit von außen zugänglich zu machen. DOLLAR A Dies gelingt dadurch, daß neben dem den gemessenen Wert repräsentierenden, primären Ausgangssignal eine in der Sensoreinrichtung auftretende, zur Ermittlung der gewünschten Meßgröße herangezogene und ihrem Wert nach Rückschlüsse auf die Toleranzsituation des Systems ermöglichende, andere physikalische Größe als sekundäres Signal für nachfolgende Steuer- oder Prüfgeräte verfügbar gemacht wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Meßgröße mit einem Ausgang, über den der gemessene Wert als digital oder analog codiertes Signal ausgegeben wird.

Bei der Realisierung solcher Sensoreinrichtungen, die eingesetzt werden, um Größen wie z. B. Weg, Winkel, Position, Geschwindigkeit, Drehzahl usw. zu erfassen, kommen insbesondere magnetfeld- oder strahlungsempfindliche Sensorelemente zum Einsatz. Diese werden dabei durch Ansteuerung mit entsprechenden feld- bzw. strahlungsverursachenden Mitteln zur Erzeugung feld- bzw. strahlungsabhängiger, elektrischer Ausgangssignale veranlaßt. Entsprechend der konstruktiven Gestaltung der Sensoreinrichtung wird aus diesen Ausgangssignalen dann die gewünschte physikalische Meßgröße abgeleitet, die z. B. die Position des felderzeugenden Mittels bezüglich einer Referenzposition oder die Geschwindigkeit eines durch seine Bewegung relativ zur Sensoreinrichtung eine Modulation der empfangenen elektromagnetischen Strahlung verursachenden Maßstabes betreffen kann. Diese Meßgröße wird dann als digitales Signal mit einem festgelegten Pegel über eine Ausgangsleitung einer Steuerelektronik zugeleitet.

Ein Beispiel für eine Sensoreinrichtung der vorausgesetzten Art ist die die den Gegenstand der DE 41 33 837 C2 bildende Einrichtung zur Messung der Drehzahl eines Zahnrades.

Bei dieser wird ein Hallgenerator eingesetzt, der bei Beaufschlagung mit einem magnetischen Feld über einen gewissen Bereich der Feldstärke eine zu dieser proportionale Ausgangsspannung erzeugt. In der vorliegenden Konfiguration wird der Hallgenerator durch das Feld eines ihm zugeordneten Permanentmagneten mit einer konstanten Feldstärke beaufschlagt. Durch ein ferromagnetisches Zahnrad, das sich vor dem Sensor dreht, wird die Feldstärke am Ort des Hallgenerators und damit auch dessen Ausgangsspannung im Takt des Wechsels von Zähnen und Lücken moduliert. Die absolute Höhe der Ausgangsspannung sowie die Modulationsamplitude werden von vielen verschiedenen Faktoren, wie Stärke des Magnetfeldes, Abstände zwischen Magnet, Hallgenerator und Zahnrad, Temperatur etc. beeinflußt. Das von der Auswerteschaltung u. a. mittels eines Komparators mit variabler Schaltschwelle erzeugte digitale Ausgangssignal repräsentiert die Modulationsfrequenz der Hall-Spannung und damit die Drehzahl des Zahnrades.

Diese Sensoreinrichtung liefert über einen weiten Toleranzbereich der genannten Einflußfaktoren hinweg eine zuverlässige Information über die Drehzahl des Zahnrades. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß das Ausgangssignal keinen Rückschluß darauf zuläßt, an welchem Punkt des Toleranzbereichs sich das System in einer konkreten Situation befindet, d. h. welche Toleranzreserven noch ausschöpfbar sind, bevor die Sensoreinrichtung versagt.

Ein weiteres Beispiel einer dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche entsprechenden Sensoreinrichtung stellt eine auf einem magnetostriktiven Sensorprinzip basierende Längenmeßeinrichtung dar. Eine solche Meßeinrichtung, wie sie z. B. in der US 5,334,933 beschrieben wird, besteht im wesentlichen aus einer langgestreckten, aus einem ferromagnetischen, einen magnetostriktiven Effekt aufweisenden Material bestehenden, akustischen Verzögerungsleitung, einem diese Leitung an einem Ende abschließenden Sensorkopf, der die Meß- und Auswertelektronik enthält, und einem entlang der Leitung verschieblich angeordneten Permanentmagneten.

Die Längenmessung erfolgt dabei durch die Bestimmung der Position des Permanentmagneten bezüglich des Sensorkopfes entlang der Verzögerungsleitung.

Dazu wird diese Verzögerungsleitung mit einem elektrischen Stromimpuls beaufschlagt und gleichzeitig eine Zeitmessung gestartet. Das von diesem Stromimpuls verursachte Magnetfeld wechselwirkt am Ort des Permanentmagneten mit dessen Magnetfeld in der Weise, daß dort ein Spannungszustand in der Verzögerungsleitung erzeugt wird, der sich in Form eines akustischen Torsionsimpulses entlang der Verzögerungsleitung fortpflanzt, was mit der für das Material typischen Schallgeschwindigkeit erfolgt. Der akustische Torsionsimpuls wird im Sensorkopf in ein äquivalentes elektrisches Signal umgesetzt, das einem Komparator zugeführt wird, der bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Ausgangssignal erzeugt, das die Zeitmessung beendet.

Die ermittelte Zeit ist proportional zu der zu messenden Länge, so daß das gesuchte Meßergebnis durch die Elektronik im Sensorkopf in digital oder analog codierter Form ausgegeben werden kann.

Da die Amplitude des Torsionsimpulses und damit auch das durch diesen im Sensorkopf erzeugte elektrische Signal mit zunehmender Meßlänge geringer wird, ist es erforderlich, den Schwellwert für den Komparator nachzuführen, z. B. so, wie es in der zitierten Patentschrift beschrieben ist.

Eine Kontrolle über die absolute Höhe des elektrischen Signals, wie sie zur Einschätzung der Toleranzlage des Gesamtsystems - insbesondere hinsichtlich eines ausreichenden Signal-Rauschabstandes - erforderlich wäre, ist bei den z. Zt. gebräuchlichen Sensoreinrichtungen dieser Art nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Sensoreinrichtungen der genannten Art derart weiterzubilden, daß Informationen zur Beurteilung der aktuellen Toleranzsituation jederzeit zugänglich sind.

Dies gelingt dadurch, daß neben dem den gemessenen Wert repräsentierenden, primären Ausgangssignal eine in der Sensoreinrichtung auftretende, zur Ermittlung der gewünschten Meßgröße herangezogene und ihrem Wert nach Rückschlüsse auf die Toleranzsituation des Systems ermöglichende, andere physikalische Größe als sekundäres Signal für nachfolgende Steuer- oder Prüfgeräte verfügbar gemacht wird.

Eine solche Größe ist in der Regel durch das direkte Ausgangssignal des jeweils verwendeten Sensorelements gegeben.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und gehen auch aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele hervor.

Dabei zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäß weitergebildete Hall-Effekt- Drehzahlsensoreinrichtung in einer Ausführung gemäß Anspruch 1,

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäß weitergebildete Hall-Effekt- Drehzahlsensoreinrichtung in einer Ausführung gemäß Anspruch 2,

Fig. 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß weitergebildeten magnetostriktiven Längenmeßeinrichtung in einer Ausführung gemäß Anspruch 1,

Fig. 4: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß weitergebildeten magnetostriktiven Längenmeßeinrichtung in einer Ausführung gemäß Anspruch 6.

Wie in Fig. 1 zu sehen, umfaßt eine gemäß Anspruch 1 ausgeführte Schaltungsanordnung 1 einer Hall-Effekt-Drehzahlsensoreinrichtung einen Anschluß 2 zur Einspeisung einer Versorgungsspannung U_B und einen Anschluß 3 zur Verbindung mit einem Referenz-(Masse-)Potential. Über einen eine Schutzbeschaltung und eine Spannungsregelung beinhaltenden Schaltungsblock 4 wird das Hall-Element 5 mit einer seinen Erfordernissen angepassten Spannung versorgt. Das Hall-Element befindet sich - hier nicht dargestellt - in einer physikalischen Wirkverbindung mit einem Permanentmagneten sowie einem ferromagnetischen Zahnrad zur Realisierung der Drehzahlsensorfunktion.

Das Ausgangssignal des Hall-Elements wird in einer Verstärkungsstufe 6 verstärkt, und das so verstärkte Signal zum einen direkt einem Ausgang 12', zum anderen einer Komparatorstufe 7 zugeführt, die dieses mit einem Referenzwert vergleicht und ein entsprechendes digitales Ausgangssignal erzeugt, das über eine Ausgangsstufe 8 dem Digitalausgang 12 zugeführt wird. Das am Ausgang 12' anstehende Analogsignal ist proportional zu der vom Hall- Element 5 gelieferten, analogen Hall-Spannung und kann somit bei Kenntnis der für eine zuverlässige Funktion maßgeblichen Grenzwerte zur Bestimmung der verfügbaren Toleranzreserven herangezogen werden.

Die in Fig. 2 dargestellte, gemäß Anspruch 2 ausgeführte Schaltungsanordnung 1 einer Hall-Effekt-Drehzahlsensoreinrichtung arbeitet im wesentlichen genauso, wie die zuvor behandelte Ausführung, so daß sich die Beschreibung hier auf die Unterschiede zu dieser beschränken kann. Der wichtigste Unterschied ist, daß bei dieser Ausführung auf einen zusätzlichen Ausgang für das Analogsignal verzichtet wird, da dieses ebenfalls über den Ausgang 12 für das Digitalsignal ausgegeben werden kann. Die Auswahl, welches Signal am Ausgang 12 anstehen soll, erfolgt hierbei über einen Schalter 9, der Teil der Schaltungsanordnung 1 ist, und mit dem der Ausgang 12 entweder mit der Ausgangsstufe 8 für das digitale Signal oder mit dem Ausgang der Verstärkerstufe 6, an dem das verstärkte, analoge Ausgangssignal des Sensorelements 5 anliegt, verbunden ist.

Die Ausführung und Ansteuerung des Schalters 9 kann dabei in vielfältiger Weise erfolgen, wobei in der hier dargestellten Ausführungsform ein elektronischer Schalter zum Einsatz kommt, der über eine Signalleitung 10 aus dem Spannungsversorgungsblock 4 angesteuert wird.

Alternativ dazu kann selbstverständlich auch ein handbetätigter, elektromechanischer Schalter oder ein durch fernwirkende Mittel von außerhalb der Schaltungsanordnung zu beeinflussender, elektronischer Schalter eingesetzt werden.

In der hier dargestellten Ausführungsform kann die Auswahl z. B. dadurch erfolgen, daß bei "richtig gepolter" Spannungsversorgung, d. h. +U_B an Anschluß 2 und Masse an Anschluß 3 die normale Sensorfunktion mit digitalem Ausgangssignal erfolgt, während bei "verpolter" Spannungsversorgung innerhalb des Spannungsversorgungsblocks 4 eine Vertauschung der Potentiale erfolgt, so daß die korrekte Betriebsspannung für die nachfolgenden Komponenten zur Verfügung steht, gleichzeitig aber über die Signalleitung 10 der Schalter 9 so beeinflußt wird, daß am Ausgang 12 das verstärkte, analoge Ausgangssignal des Hall-Elements 5 ansteht.

So kann z. B. für Prüfungszwecke durch bewußte Umpolung der Versorgungsspannung ein Betriebsmodus eingestellt werden, in dem am Ausgang 12 das analoge Hall-Signal verfügbar ist.

Die in Fig. 3 dargestellte, magnetostriktive Längenmeßeinrichtung wird gesteuert von einem Logik-Baustein 13, der Teil der Schaltungseinrichtung 1 ist und verschiedene Steuer- und Meßfunktionen durchführt. So veranlaßt der Logik-Baustein 13 zu Beginn einer Messung den Puls-Generator 14, die ferromagnetische Verzögerungsleitung 5 mit einem Stromimpuls zu beaufschlagen. Wenn der dadurch am Ort des Permanentmagneten 15 gestartete, mechanische Torsionsimpuls am sensorseitigen Ende der Verzögerungsleitung ankommt, wird dieser durch den Modenwandler 16 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses elektrische Signal wird in einem Komparator 17 mit einem von einer Referenzwertschaltung 18 gelieferten, durch den Logik-Baustein 13 beeinflußbaren Referenzspannung verglichen. Bei Überschreitung der Referenzspannung durch das elektrische Ausgangssignal des Modenwandlers 16 gibt der Komparator 17 ein Impulssignal an den Logik- Baustein 13 ab, das die dort bei Erzeugung des Stromimpulses gestartete Zeitmessung beendet. Die gemessene Zeit bzw. der daraus bereits ermittelte Längenwert wird am Ausgang 12 als digital codiertes Signal ausgegeben.

Zusätzlich wird das Ausgangssignal des Modenwandlers 16 aber auch einem Analogausgang 12' zugeführt, an dem es z. B. für Prüfzwecke oder zur Beurteilung der Toleranzsituation zur Verfügung steht.

Als Alternative dazu ist in Fig. 4 eine dem Patentanspruch 6 entsprechende Ausführungsform der beschriebenen magnetostriktiven Längenmeßeinrichtung dargestellt.

Bei dieser wird das sekundäre Ausgangssignal nicht über einen separaten Ausgang geführt, sondern dem Logik-Baustein 13 zugeleitet, der in dieser Ausführung zugleich auch die Funktion einer Signalmischstufe umfaßt und am Ausgang 12 ein sowohl das primäre als auch das sekundäre Signal repräsentierendes Ausgangssignal zur Verfügung stellt.

Die dazu erforderliche Überlagerung der beiden Signale kann hierbei in vielfältiger Weise erfolgen. So kann z. B. das Primärsignal eine DC-Spannung sein, der das Sekundärsignal als AC-Spannung überlagert ist oder umgekehrt. Ebenso kann aber einer DC-Spannung auch ein digitales oder frequenzmoduliertes Signal überlagert sein.

Voraussetzung für den Einsatz dieser Ausführungsform ist allein, daß ein nachgeordnetes Steuergerät, das zum Empfang des Ausgangssignals vorgesehen ist, in der Lage sein muß, die beiden Signale wieder zu separieren.

Selbstverständlich sind sowohl bei der Drehzahlsensoreinrichtung als auch bei der magnetostriktiven Längenmeßeinrichtung Konfigurationen in der in den Beispielen nur an der jeweils anderen dargestellten Art und Weise möglich, ebenso, wie die geschilderten Maßnahmen für eine große Zahl weiterer hier nicht ausdrücklich benannter Meßeinrichtungen anwendbar sind.

Claims (15)

1. Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Meßgröße umfassend zumindest ein Sensorelement (5) sowie dieses beeinflussende Mittel (15) und eine Schaltungsanordnung (1) mit einem Ausgang (12), über den ein den gemessenen Wert repräsentierendes, digital oder analog codiertes, primäres Signal ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (1) neben dem Ausgang (12) für das primäre Signal einen weiteren Ausgang (12') aufweist, über den ein aus dem Ausgangssignal des Sensorelements (5) direkt generiertes, sekundäres Signal verfügbar ist, das zur Beurteilung des Betriebszustands der Sensoreinrichtung herangezogen ist.

2. Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Meßgröße umfassend zumindest ein Sensorelement (5) sowie dieses beeinflussende Mittel (15) und eine Schaltungsanordnung (1) mit einem Ausgang (12), über den ein den gemessenen Wert repräsentierendes, digital oder analog codiertes, primäres Signal ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (1) einen Schalter (9) aufweist, durch den beeinflußt über den Ausgang (12) für das primäre Signal wahlweise auch ein aus dem Ausgangssignal des Sensorelements (5) direkt generiertes, sekundäres Signal verfügbar ist, das zur Beurteilung des Betriebszustands der Sensoreinrichtung herangezogen ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (9) als handbetätigter, elektromechanischer Schalter ausgeführt ist.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (9) als elektronischer, durch fernwirkende, außerhalb der Schaltungsanordnung (1) liegende Mittel zu betätigender Schalter ausgeführt ist.

5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (9) als elektronischer, durch die Polarität der von außerhalb der Schaltungsanordnung (1) zugeführten Versorgungsspannung zu beeinflussender Schalter ausgeführt ist.

6. Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Meßgröße umfassend zumindest ein Sensorelement (5) sowie dieses beeinflussende Mittel (15) und eine Schaltungsanordnung (1) mit einem Ausgang (12), über den ein den gemessenen Wert repräsentierendes, digital oder analog codiertes, primäres Signal ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (1) eine Komponente (13) aufweist, die eine Signalmischstufe umfaßt und ein Ausgangssignal generiert, das über den Ausgang (12) verfügbar ist und durch das neben dem primären Signal auch ein aus dem Ausgangssignal des Sensorelements (5) direkt generiertes, sekundäres Signal, das zur Beurteilung des Betriebszustands der Sensoreinrichtung herangezogen ist, repräsentiert ist.

7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (5) magnetfeldempfindlich ist und die dieses beeinflussenden Mittel (15) ein Magnetfeld erzeugen und/oder modifizieren.

8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (5) ein nach dem Hall-Prinzip arbeitendes ist.

9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (5) ein einen magnetoresistiven Effekt aufweisendes ist.

10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (5) ein langgestreckter, einen magnetostriktiven Effekt aufweisender, ferromagnetischer Körper ist.

11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugenden und/oder -modi­ fizierenden Mittel (15) einen Permanentmagneten und/oder einen ferromagnetischen Körper umfassen.

12. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (5) strahlungsempfindlich ist und die dieses beeinflussenden Mittel (15) elektromagnetische Strahlung erzeugen und/oder modifizieren.

13. Sensoreinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (5) eine Photodiode oder ein Phototransistor ist.

14. Sensoreinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungserzeugenden und/oder -modifizierenden Mittel (15) eine Leuchtdiode und/oder einen Bereiche mit unterschiedlicher Strahlungsdurchlässigkeit und/oder -reflektivität aufweisenden Körper umfassen.

15. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erfassende, physikalische Meßgröße eine Länge, eine Position, einen Winkel und/oder eine Drehzahl betrifft.