DE2353039C2 - Meßanordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes, entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2, wie sie aus der deutschen Auslegeschrift 15 48 834 bekannt ist

Bei dieser Meßanordnung für die Winkelstellung eines drehbaren Magnetfeldes kann beispielsweise die Winkelstellung eines durch die Primärwicklung eines Drehmeldegebers erzeugten magnetischen Wechselfeldes gemessen werden. Dabei werden aus den Wechselspannungen der dreiphasigen Sekundärwicklung mittels eines Transformators in Scott-Schaltung Wechselspannungen erzeugt, deren Amplituden sich mit dem Sinus bzw. Kosinus des Stellungswinkels ändern. Mit Hilfe von zwei nachgeschalteten ßC-Brückenschaltungen werden daraus zwei gegensinnig phasenverschobene Wechselspannungen mit im wesentlichen konstanter Amplitude abgeleitet, wobei die Phasenverschiebung ein Maß für die Winkelstellung darstellt Da über einen gesamten Drehwinkel der Primärwicklung von 360° jede der Brücken die Phase um 360° dreht, ergibt sich eine maximale Phasenverschiebung von 720°, d.h. die Anordnung ist doppeldeutig. In der nachgeschalteten Auswerteschaltung wird durch Frequenzhalbierung der phasenverschobenen Wechselspannungen mittels bistabilen Kippstufen sowie einer KoppeJschaltung, mittels welcher die genannten Kippstufen in eine definierte Lage zueinander gezwungen werden, die Doppeldeutigkeit beseitigt Durch von außen eingestreute Störsignale oder beispielsweise durch Temperaturänderungen der den genannten Brücken nachgeschalteten Rechteckformern können jedoch erhebliche Meßfehler auftreten.

Zur Messung des Erdmagne-feldes sind weiterhin sogenannte Erdfeldsonden bekannt welche auf einem Ringkern eine von einer Wechselspannung gespeiste Primärwicklung enthalten. Der Ringkern trägt außerdem vier über den Umfang gleichmäßig verteilte Sekundärwicklungen, wobei die jeweils diametral gegenüberliegenden, hintereinander geschaltet sind. In dem horizontal angeordneten Ringkern, welcher bevorzugt aus einem Material mit in einem Bereich weitgehend linear verlaufender Magnetisierungskennlinie sowie starker Sättigungscharakteristik besteht, überlagern sich somit der Fluß des Erdmagnetfeldes und der Wechselfluß der Primärwicklung. Die Ausgangssignale der beiden Sekundärwicklungsgruppen enthalten außer der Grundschwingung, welche die gleiche Frequenz wie die Speisespannung aufweist erhebliche Anteile von harmonischen Schwingungen höherer Ordnung, wobei die Amplituden der zweiten harmonischen Schwingung mit dem Sinus bzw. Kosinus des Stellungswinkels sich ändern. Eine direkte Weiterverarbeitung der Ausgangssignale der Erdfeldsonde mittels der o. a. ÄC-Brückenschaltungen sowie der Auswerteschaltung ist jedoch nicht möglich, da den zweiten harmonischen Schwingungen, deren Amplitudenverhältnis ein Maß für den SteUungswinkel darstellt die übrigen Schwingungen der Ausgangssignale sozusagen als Störsignale überlagert sind.

Aus der DE-OS 21 50 565 ist ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung des Erdmagnetfeldes bekannt. Diese

Vorrichtung weist ztvei Flußmesser mit senkrecht zueinander stehenden Meßrichtungen auf, deren Ausgangssignale addiert und das Summensignal einem Filter zugeführt wird, Pas Filter dient zum Dämpfen von Oberwellen, insbesondere der zweiten und dritten Oberwelle, Ein äußeres Magnetfeld bewirkt in den Flußmessern eine Amplitudenmodulation, die dem sin bzw. cos des Richtungs^ÜÄels des Magnetfeldes entspricht Da die amplitudenmodulierten Signale in einem Summierglied zusammengefaßt werden, entsteht eine Phasenverschiebung, die mit einem Referenzsignal verglichen wird. Bekannterweise verursacht ein Filter eine Phasenverdrehung, ferner verursachen Temperaturänderungen unterschiedliche Filtereigenschaften. Diese unerwünschten Eigenschaften wirken sich derart aus, daß bei dem Vergleich mit dem ungefilterten Referenzsignal erhebliche Fehler auftreten, die eine genaue Auswertung der Richtung eines äußeren Magnetfeldes nicht zulassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Meßanordnung für die Winkelstellung eines Magnetfeldes zu schaffen, die gegiin eingestreute Störsignale unempfindlich ist und eine genauere Auswertung zuläßt

Diese Aufgabe wird durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst

Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung eines Filters sowie einer Schaltvorrichtung wird erreicht, daß keine Störsignale zu der Auswerteschaltung gelangen. Es hat sich hinsichtlich des Aufwandes und der Meßgenauigkeit als sehr vorteilhaft erwiesen, daß an die Ausgestaltung des Filters keine hohen Ansprüche gestellt werden müssen, da dessen mögliche Phasenoder Amplitudenfehler bei beiden Signalgruppen in gleicher Weise in Erscheinung treten und somit auf das Meßergebnis keinen Einfluß haben. Das gleiche gilt für den nachgeschalteten Rechteckformer, so daß bei der Herstellung kein aufwendiger Abgleich nötig ist Der elektronische Aufwand der digital arbeitenden Auswerteschaltung ist gering. Eine sehr vorteilhafte Ausbildung des Zeitgliedes wird mittels einer zweiten Zähleinrichtung geschaffen, welche der ersten Zähleinrichtung (Winkelzähler) nachgeschaltet ist.

Die Erfindung soll anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Figur zeigt ein Prinzipschaltbild mit einer den ÄC-Brücken nachgeschalteten Schaltvorrichtung sowie einem Filter.

In der Figur ist ein Meßgeber 1 dargestellt, an dessen Ausgänge 2, 3 Signale anstehen, die zumindest Anteile aufweisen, deren Amplituden sich mit dem Kosinus bzw. Sinus der Winkelstellung θ eines Magnetfeldes in Richtung des Pfeiles //ändern.

Ist der Meßgeber als Erdfeldsonde ausgebildet, so sei durch die Richtung des Pfeiles H das Erdmagnetfeld angedeutet und mit 4 bzw. 5 die jeweils hintereinander geschalteten, diametral auf einem Ringkern gegenüberliegenden Sekundärwicklungen. Die Spannungen an den Ausgängen 2,3 der Erdfeldsonde setzen sich zusammen aus der durch Unsymmetrien bedingten Grundwelle, welche die gleiche Frequenz f\ aufweist wie die Eingangswechselspannung an der ringförmigen Primärwicklung sowie ihrer zweiten harmonischen Schwingung und aus Oberwellen höherer Ordnung. Die Amplituden der zweiten harmonischen Schwingung ändern sich mit dem Kosinus bzw. Sinus der Winkelstellung zur Erdfeldrichtung. Die Ausgänge 2,3 sind mit zwei gegensinnig drehenden tfC-Brückensehaltungen 6, 7 verbunden, wobei für die ohmschen bzw, kapazitiven Widerstände die Bedingung R = i/₄ r η > f\ · C gilt Bei dieser Dimensionierung wird die zweite harmonische Schwingung derart gedreht, daß zwischen dem Phasenwinkel«, der an den Brückenschaltungsausgängen 8,9 anstehenden phasenbeweglichen Signalen U\ und Lknna der Winkelstellung

ίο θ die Beziehung besteht: θ = 2 « + 90°. Die genannten Ausgänge 8,9 werden wahlweise mittels der Schaltvorrichtung 10 über eine Entkopplungsstufe 11 auf ein Filter 12 gegeben, welches beispielsweise als aktives Filter ausgebildet ist Dieses Filter 12 läßt Iedigiich die zweite harmonische Schwingung durch, so daß sämtliche Störsignale (z. B. Grundwelle, Oberschwingungen, Streuspannung) nicht zur Auswerteschaltung gelangen und daß Meßergebnis nicht verfälschen können. Dem Filter 12 ist ein Rechteckformer 13 nachgeschaltet, beispielsweise ein Schmitt-Trigger, zur Erzeugung einer Rechteckspannung, die phasengleich zu dem jeweils eingeschalteten Brückenausgangssigp ■-. ist

Abgesehen von einer guten Selektrvwi-kung für die zweite Harmonische werden an das Filter 12 keine besonderen Anforderungen gestellt Der Rechteckformer 13 ist über ein Gatter 16 mit einer bistabilen Kippstufe. 18 verbunden. An dem genannten Gatter 16 liegt außerdem der Ausgang einer bistabilen Kippstufe 15, welche durch die Kippstufe 18 bzw. durch ein

.'ο Auslösesignal an der Klemme 14 ansteuerbar ist

Die Kippstufe 18 ist zum einen mit dei Schaltvorrichtung 10 und zum anderen über ein Gatter 20 mit einer Zähleinrichtung 23 (Winkelzähler) verbunden. Über das Gatter 20 werden je nach Stellung der Kippstufe 18 die

r> Impulse des Taktgenerators 21 zur Zähleinrichtung durchgelassen bzw. gesperrt Die Kapazität der Zähleinrichtung 23 ist derart gewählt, daß sie durch den Taktgenerator für einen Stellungswinkel θ = 360° gerade einmal durchgezählt wird. Es ist eine weitere Zähleinrichtung 25 (Periodenzähler) nachgescHaltet welche, wie weiter unten noch beschrieben wird, als Zeitglied arbeitet und sicherstellen soli, daß Einschwingvorginge, die bei Umschalten der Schaltvorrichtung 10 im Filter J2 auftreten, das Meßergebnis nicht verfäl-

-> > sehen.

Der Ausgang des Rechteckformers 13 ist auf den gemeinsamen auslösenden Eingang einer weiteren bistabilen Kippstufe 27 geführt, welche somit als Frequenzteiler für die anliegenden Signale wirksam ist.

■«) Die Set- bzw. Reset-Eingänge der genannten Kippstufe 27 sind mit einer Koppelschaltung 29 verbunden. Diese Koppelschaltung verknüpft mittels hier nicht näher beschriebenen Gattern die Eingangsspannung (bei Erdfeldsonde eine Spannung mit doppelter Frequenz, j da dip zweite harmonische Schwingung ausgewertet wird) mit den Ausgängen der vorletzten bzw. letzten bistabilen Kippstuff der Zähleinrichtung 23, Anstelle der letztgenannten bistabilen Kippstufe könnte auch eine als Frequenzteiler geschaltete Kippstufe zwischen Rechteckformer 13 und Gatter 16 vorgesehen sein, um die Kippstufe 27 in eine definierte Lage zu bringen.

Zur Erläuterung der Funktionsweise sei ausgegangen von der Erdfeldsonde als Meßgeber und von bistabilen Kippstufen, die durch die Rückflanke einet Eingangssignales gekippt werden und dann am entsprechenden Ausgang ein logisches 1-Signal einnehmen. Die Gatter seien, wie dargestellt, als NAND-Gatter ausgebildet. Je nach Stellung der Schaltvorrichtung 10 stehen am

Ausgang des Rechteckformers 13 in der Phase verschobene Rechteckspannungen an, wobei die Phasenverschiebung ein MaB für den Stellungswinkel θ darstellt. Zu Eleginn der Messung sei die Schaltvorrichtung in der dargestellten Ruhestellung und das Gatter 16 gesperrt. Mit einem Signal an der Klemme 14, welches beispielsweise durch einen Weggeber eines Fahrzeugs erzeugt wird, wird die Messung eingeleitet. Mit diesem Signal werden die Zähleinrichtungen 23,23 resetiert und über die Kippstufe 15 das Gatter 16, welches vorher gesperrt war (O-Signal am Eingang), vorbereitet. Die Rückflanke des nächstfolgenden Rechtecksignals vom Rechteckformer 13 schaltet dann über das Gatter 16 die Kippstufe 18. Mit dem am oberen Ausgang der Kippstufe 18 anstehenden Startsignal (logisch I) wird das Gatter 20 geöffnet und die Taktimpulse des Taktgenerators 21 gelangen in die Zähleinrichtung 23. Da gleichzeitig der untere Ausgang der Kippstufe 18 gpkinnt winrl ilngisrh OV wird über die Kipnslufr 15 das Gatter 16 gesperrt. Aufgrund der gewählten Dimensionierung der Zähleinrichtung 23, die in bekannter Weise aus Kippstufen aufgebaut sei, erscheinen am Ausgang deren vorletzter Kippstufe Signale von der gleichen Frequenz sowie im wesentlichen gleicher Phasenlage bezüglich den aus den Signalen U\ und U₂ abgeleiteten Rechtecksignalen und am Ausgang der letzten Kippstufe entsprechende Signale mit halber Frequenz. Die beiden letztgenannten Signale könnten im Prinzip auch direkt durch eine Frequenzteilerschaltung hinter dem Rechteckformer 13 gewonnen werden.

Da die beiden /?C-Brücken bei einer Winkeldrehung θ von 360° eine relative Phasenverschiebung der Signale U\ und U₂ von 720° bewirken, wird mittels der Koppelschaltung 29 die Kippstufe 27 in eine zum Signal Ui definierte Lage gezwungen und somit die Doppeldeutigkeit beseitigt. Diese Koppelschaltung enthält vorzugsweise zwei NAND-Gatter (nicht dargestellt), die jeweils mit dem Ausgang der letzten und vorletzten Kippstufe der Zähleinrichtung verbunden sind. Auf die genannten NAND-Gatter gelangen weiterhin Impulse, abgeleitet aus der Vorder- bzw. Rückflanke eines aus der Speisespannung abgeleiteten Signales mit doppelter Frequenz (da die zweite harmonische Schwingung ausgewertet wird) sowie einer gewissen Phasenverschiebung (wegen der Phasendrehung der Erdfeldsonde). Mittels des u. a. Startsignales wird außerdem die Schaltvorrichtung 10 betätigt, so daß die gegenüber den Signalen U] der /iC-Brückenschaltunj' 7 phasenverschobenen Signale U₂ der flOBrückenschaltung 6 über die Schaltvorrichtung 10 zu dem Filter 12 gelangen, welches nur die zweite harmonische Schwingung hindurchläßi. Die Kapazität der weiteren Zähleinrichtung 25. welche lediglich als Zeitglied dient, ist derart bemessen, daß erst nach Abklingen der durch das Umschalten hervorgerufenen Einschwingvorgänge ein Stopsignal für die Zähleinrichtung auftreten kann. Ist der Periodenzähler nach mehrfachem Durchzählen der Zähleinrichtung 23 durchgezählt, so wird durch das Ausgangssignal (logische 1) des Periodenzählers das Gatter 28 vorbereitet. Die Rückflanke der durch die Koppelschaltung T) richtig gesetzten Kippstufen 27 kippt über das Gatter 28 die Kippstufe 18. an deren oberen Ausgang das Stopsignal (logische 0) auftritt. Damit wird das Gatter 20 gesperrt und der Zählerstand der Zähleinrichtung 23 entspricht dem zu messenden Stellungswinkel.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   1, Meßanordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes, enthaltend einen Meßgeber, welcher Ausgangswechselsignale abgibt, deren Amplituden sich mit dem Sinus bzw, Kosinus des Stellungswinkels θ ändern, zwei ÄC-Brückenschaltungen, die zur Bildung von gegensinnig phasenbeweglichen Signalen mit dem Meßgeber verbunden sind, und eine Auswerteschaltung, in welcher nach Frequenzteilung der Signale der Stellungswinkel θ dadurch bestimmt ist, daß aus dem ersten phasenbeweglichen Signal ein Startsignal und aus dem zweiten phasenbeweglichen Signal ein Stopsignal für eine Zähleinrichtung zur Auszählung des durch den is Phasenwinkel bedingten Zeitintervalls zwischen dem Start- und Stopsignal, das ein Maß für den Stellungswinkel θ darstellt, abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Meßgebers als Erdfeldsonde (1) die Ausgänge der beiden ftC-BrOckenschaltungen (6, 7) mit den Eingängen einer Schaltvorrich&ng (!0) zur abwechselnden Anschaltung der phasenbeweglichen Signale an deren Ausgang verbunden sind, daß zwischen dem Ausgang der Schaltvorrichtung (10) und dem Eingang der Auswerteschaliung (13—29) ein die Ausgangswechselsignale der Schaltvorrichtung mit der Frequenz 2 f durchlassendes Filter (12) eingeschaltet ist und daß ein Zeitglied vorgesehen ist, welches das Stopsignal um ein geradzahliges Vielfaches der Periodendauer der phasenbeweglichen Signc'e verzögert.
2. 2. Meßanordnung zur Messung der Richtung eines Magnetfeldes enthaltend einen Meßgeber, welcher Ausgangswechselsignale abgibt, deren Amplituden r, sich mit dem Sinus bzw. Kob.nus des Stellungswinkels θ ändern, eine ÄC-Brückenschaltung zur Bildung von gegensinnig phasenbeweglichen Signalen und eine Auswerteschaltung, in welcher nach Frequenzteilung der Signale der Stellungswinkel θ dadurch bestimmt ist, daß aus dem ersten phasenbeweglichen Signal ein Startsignal und aus dem zweiten phasenbeweglichen Signal ein Stopsijnal für eine Zähleinrichtung zur Auszählung des durch den Phasenwinkel bedingten Zeitintervalls zwischen dem Start' und Stopsignal, das ein Maß für den Stellungswinkel θ darstellt, abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Meßgebers als Erdfeldsonde (1) die Ausgänge des Meßgebers mit den Eingängen einer Schaltvorrichtung (10) zum abwechselnd umgepolten Anschalten der Ausgangswechselsignale an die KC-Brückenschaltung verbunden sind, daß zwischen dem Ausgang der RC-Brtikkenschaltung und der Auswerteschaltung (13—29) ein die Ausgangswechselsignale der ÄC-Brückenschaltung mit der Frequenz 2 /durchlassendes Filter (12) eingeschaltet ist und daß ein Zeitglied vorgesehen ist, welches das Stopsignal um ein geradzahliges Vielfaches der Periodendauer der phasenbeweglichen Signale verzögert. eo
3. 3. Meßanordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer in der Auswerteschaltung enthaltenen Kippstufe (18) Signale zum Betätigen der Schaltvorrichtung (10) erzeugt sind.
4. 4. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung (23) eine derartige Kapazität aufweist, daß sie für einen SteUungswinkel von 360° von einem Taktgenerator (21) gerade einmal durchgezählt wird und daß dieser Zähleinrichtung (23) eine weitere Zähleinrichtung (25) als Zeitglied nachgeschaltet ist.