DE2515256A1

DE2515256A1 - Inductive transducer conversion of mechanical movement - signal produced according to given linear function depending on measuring movement

Info

Publication number: DE2515256A1
Application number: DE19752515256
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Dr Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1975-04-08
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1976-10-21
Also published as: DE2515256C2

Abstract

The inductive transducer has a magnet coil mounted on a core made of ferromagnetic material. The inductance of the magnet coil can be altered by means of a shading ring displaced on the core in dependence on the movement of the measuring object. The core (3) comprises at least two legs (7, 8) connected by a yoke (2). The legs (7, 8) form an air gap (9) of variable width (1). The width (1) of the air gap (9) changes between two areas (ALPHA1, ALPHA3) of constant width from one area (ALPHA1) to the other area (ALPHA3) in a linear function. The core (3) comprises areas of different thicknesses (h).

Description

Anlage zur Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung Induktiver Weggeber Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Weggeber zur Umformung einer mechanischen Bewegung in ein Signal, welches nach einer willkürlich vorgebbaren, insbesondere linearen Funktion von der Bewegung des Meßobjektes abhängt, mit einer auf einem Kern aus ferromagnetischem Material aufgebrachten Magnetspule, deren Induktivität durch einen auf dem Kern in Abhängigkeit von der Bewegung des Meßobjektes verschiebbaren Kurzschlußring änderbar ist.Annex to the patent and utility model auxiliary application for inductive displacement transducers The invention relates to an inductive displacement transducer for reshaping a mechanical one Movement in a signal, which after an arbitrarily predeterminable, in particular linear function depends on the movement of the measuring object, with one on one Core made of ferromagnetic material applied magnetic coil, its inductance by a displaceable on the core depending on the movement of the measurement object Short-circuit ring is changeable.

Ein bekannter induktiver Weggeber ist der Tauchankergeber.A well-known inductive displacement transducer is the plunger armature transducer.

Dabei wird in eine Spule ein freibeweglicher, ferromagnetischer Kern eingeschoben, wodurch die Induktivität L veränderbar ist.A freely movable, ferromagnetic core is inserted into a coil inserted, whereby the inductance L can be changed.

Da der Zusammenhang zwischen dem Weg und der Induktivität hierbei nicht linear ist, muß die Linearisierung durch einen ziemlich großen Aufwand an Elektronik erfolgen. Die Empfindlichkeit ist gering. Außerdem weist der Tauchankergeber eine große mechanische Baulänge im Verhältnis zum ausnutzbaren Linearitätsbereich auf. Ein weiterer Nachteil ist die relativ große Masse des ferromagnetischen Kerns.Because the relationship between the path and the inductance here is not linear, the linearization has to involve a fairly large amount of effort Electronics. The sensitivity is low. In addition, the diving anchor sensor a large mechanical length in relation to the usable linearity range on. Another disadvantage is the relatively large mass of the ferromagnetic core.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Weggeber zu entwickeln, der die obigen Nachteile nicht aufweist und bei dem insbesondere eine sehr gute Linearität zwischen der Bewegung des Meßobjektes und der Induktivität gewährleistet ist-. Außerdem soll der induktive Weggeber auch geeignet sein, die Kennlinie des Meßobjektes zu entzerren und bewegliche Teile mit möglichst geringer Masse für dynamische Messungen aufweisen. Weiterhin soll der induktive Weggeber sowohl in seinem mechanischen, wie auch in seinem elektronischen Teil möglichst einfach und billig aufgebaut und somit für eine Massenproduktion geeignet sein. Insbesondere soll dieser Weggeber auch zur Messung größerer Wege verwendet werden können.The invention is based on the object of an inductive displacement encoder to develop which does not have the above disadvantages and in which in particular a very good linearity between the movement of the measuring object and the inductance is guaranteed-. In addition, the inductive displacement encoder should also be suitable that To equalize the characteristic curve of the measuring object and moving parts with as little as possible Have mass for dynamic measurements. Furthermore, the inductive displacement encoder both in its mechanical as well as in its electronic part if possible be constructed simply and cheaply and thus suitable for mass production. In particular, this encoder should also be used to measure larger distances can.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern mindestens zwei durch ein Joch verbundene Schenkel aufweist, die zueinander einen Luftspal.unterschiedlicher Breite bilden.This object is achieved according to the invention in that the core at least has two legs connected by a yoke, which form an air gap Form width.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, -daß die Breite des Luftspaltes sich insbesondere zwischen zwei Bereichen konstanter Breite von einem Bereich zum anderen Bereich linear ändert. Hierdurch konnte bei einem linearen Winkelgeber eine Linearität von ca. + 0,5 % über 1350 Arbeitsbereich erreicht werden. Bei Verwendung eines Kernes, dessen Schenkel einen Luftspalt konstanter Breite aufweisen, läßt sich etwa eine Linearität von ca. + 1,5 % über 1000 Arbeitsbereich erzielen.An advantageous embodiment of the invention consists in -that the width of the air gap is more constant, in particular between two areas Width changes linearly from one area to another. This enabled a linear angle encoder a linearity of approx. + 0.5% over 1350 working range can be achieved. When using a core whose Thigh one Have an air gap of constant width, a linearity of approximately + can be achieved Achieve 1.5% over 1000 working area.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kern Bereiche unterschiedlicher Dicke auf. Durch eine derartige Ausbildung des Kernes ist es möglich, beispielsweise die Winkel-Durchfluß-Kennlinie eines zur Messung der Ansaugluftmenge einer Brennkraftmaschine verwendeten im Saugrohr angeordneten Luftmengenmessers zu entzerren, die einen logarithmischen Verlauf aufweist.According to a further advantageous embodiment of the invention, has the core has areas of different thickness. Such a training of the At the core it is possible, for example, to measure the angle-flow characteristic of a the amount of intake air used in an internal combustion engine arranged in the intake manifold To equalize air flow meter, which has a logarithmic curve.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere auch darin, da. das bewegte Teil, der Kurzschlußring, eine sohr geringe Masse aufweist, wodurch der Weggeber auch für dynamische Messungen sehr gut geeignet ist. Bei hohen Frequenzen, ab ungefähr 100 kHz, genügt als Kurzschlußring eine bzw. mehrere dünne Metallfolien (vorzugsweise Kupfer, Silber). Solche dynamischen Messungen des Wegs sind Zt ß . bei der Lufrmengelimessung im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschize erforderi-n. Dort kann eine Stauscheibe mit dem Kurzschluring gekuppelt sein, oder der Kurzschlußring kann selbst die Stauscheibe darstellen. Die Auslenkung der Stauscheibe durch den luftstrom gegen eine Kraft ist dann ein Maß für den Luftmengendurchsatz. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen induktiven Weggebers ist dabi, daß das Ausgangssignal wahlweise als digitales oder analoges Signal der Auswertung zugeführt werden kann.The advantages achieved with the invention also exist in particular in, there. the moving part, the short-circuit ring, has such a low mass, which means that the encoder is also very suitable for dynamic measurements. At high Frequencies, from about 100 kHz, one or more thin short-circuit rings are sufficient Metal foils (preferably copper, silver). Such dynamic measurements of the way are Zt ß. required when measuring the air volume in the intake duct of an internal combustion engine. There a baffle plate can be coupled to the short-circuit ring, or the short-circuit ring can even represent the baffle plate. The deflection of the baffle plate by the air flow against a force is then a measure of the air volume throughput. Another The advantage of the inductive displacement transducer according to the invention is that the output signal can optionally be fed to the evaluation as a digital or analog signal.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sowohl der mechanische, wie auch der elektronische Aufbau sehr einfach und billig ist. Der Kern kann aus zusammensteckbaren Einzelteilen bestehen, so daß die Magnetspule in fertigem Zustand aufgebracht werden kann. Der mögliche geringe Luftspalt an der Zusammensetzstelle ist vernachlässigbar im Vergleich zum Luftspalt zwischen den beiden Schenkeln des Kerns. Die elektronische Schaltung ist aus Operationsverstärkern aufgebaut, so daß die ganze Schaltung durch einen integrierten Schaltkreis realisierbar ist.Another advantage is that both the mechanical, as the electronic structure is also very simple and cheap. The core can be made from interlocking Individual parts exist, so that the solenoid coil can be applied in the finished state can. The possible small air gap at the assembly point is negligible compared to the air gap between the two legs of the core. The electronic Circuit is made up of operational amplifiers, so that the whole Circuit can be realized by an integrated circuit.

Ein weiterem vorbeil besteht darin, daß in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform am Ausgang des induktiven Weggebers direkt szene wegproportionale Frequenz abgenommen werden kann. Bei einer weiteren, noch einfacheren Ausführungsform kann an dem .ß:7Sg?.ng direkt eine wegproportionale Periodendauer einer Frequenz abgegriffen werden.Another bypass is that in an inventive Embodiment at the output of the inductive displacement sensor directly scene proportional Frequency can be picked up. In a further, even simpler embodiment can use the .ß: 7Sg? .ng directly a path-proportional period of a frequency be tapped.

Weiterhin können durch schaltungstechnische Eingriffe beliebige nichtlineare Weg-Frequenzkennlinien erzeugt werden oder aber die Linearität zusätzlich verbessert werden.Furthermore, any non-linear Path-frequency characteristics are generated or the linearity is additionally improved will.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen, aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und vereinfacht dargestellt aus der Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer veränderlichen Induktivität mit Kurzschlußring als Drehwinkelgeber, Fig. 2 ein Diagramm, das die Breite 1 des Luftspaltes und die Dicke h über dem Meßbereichot darstellt, Fig. 3 ein Blockschaltbild des elektrischen Teils eines induktiven Weggebers, Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des in Fig. 3 dargestellten Blockschaltbildes, Fig. 5 ein induktives Stellglied des Ausführungsbeispiels, Fig. 6 die Kombination eines anderen induktiven Stellglieds mit einem Integrator, Fig. 7 einen Komparator mit einer Linearisierungseinrichtung, Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Oszillators mit einem Funktionsgenerator zur Realisierung einer beliebigen Weg-Frequenz-Kennlinie und Fig. 9 eine sehr einfache Ausführungsform des in Fig. 3 dargestellten Qszillator-Blockschaltbilds.Further advantageous refinements and expedient developments of the invention emerge in connection with the subclaims from the following Description of exemplary embodiments and shown in simplified form from the drawing. 1 shows an exemplary embodiment of a variable inductance Short-circuit ring as a rotary encoder, Fig. 2 is a diagram showing the width 1 of the air gap and the thickness h over the measuring range ot, Fig. 3 is a block diagram of the electrical part of an inductive displacement transducer, Fig. 4 is a diagram for explanation of the block diagram shown in Fig. 3, Fig. 5 shows an inductive actuator of the embodiment, Fig. 6 the combination of another inductive actuator with an integrator, FIG. 7 a comparator with a linearization device, Fig. 8 shows a further exemplary embodiment of an oscillator with a function generator for realizing any path-frequency characteristic and FIG. 9 a very simple one Embodiment of the oscillator block diagram shown in FIG.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Erzielung einer veränderlichen Induktivität eine Magnetspule 1 auf dem Joch 2 eines kreisförmig gekrümmten Kerns 3 aus ferromagnetischem Material aufgebracht. Ein Kurzschlußring 4 weist zwei öffnungen 5,6 auf, die der Form des Kernquerschnitts angepaßt sind. Die beiden Schenkel 7,8 des Kerns 3 treten durch die beiden Öffnungen 5,6 durcn und der Kurzschlußring 4 ist somit parallel zu den Kernschenkeln 7,8 frei beweglich.In the embodiment shown in Fig. 1 is to achieve a variable inductance a solenoid 1 on the yoke 2 of a circular applied curved core 3 made of ferromagnetic material. A short-circuit ring 4 has two openings 5, 6 which are adapted to the shape of the core cross-section. The two legs 7, 8 of the core 3 pass through the two openings 5, 6 and the short-circuit ring 4 is thus freely movable parallel to the core legs 7, 8.

Der dargestellte induktive Weggeber ist als Winkelgeber ausgebildet, wobei der Kurzschlußring 4 beispielsweise mit der Stauklappe eines Luftmengenmessers einer Brennkraftmaschine verbunden sein kann. Erfindungsgemäß hat zur Erzielung einer hohen Linearität zwischen der Bewegung des Meßobjektes und der Induktivität der Luftspalt 9 zwischen den beiden Schenkeln 7 und 8 eine Breite 1, die über einen Meßbereich ot 1 konstant bleibt und sich über einen Meßbereich oLt bis zu einem 2 Meßbereich dy) linear verringert. Uber den Meßbereich g 3 3 ist die Breite 1 des Luftspaltes 9 wieder konstant. In Fig. 2 ist im ersten Diagramm in der Abwicklung der Verlauf der Breite 1 des Luftspaltes 9 über die einzelnen Arbeitsbereiche dargestellt und im zweiten Diagramm der Verlauf der Dicke h des Kernes 3 über den Arbeitsbereich.The inductive displacement encoder shown is designed as an angle encoder, the short-circuit ring 4, for example, with the flap of an air flow meter an internal combustion engine can be connected. According to the invention has to achieve a high linearity between the movement of the measurement object and the inductance the air gap 9 between the two legs 7 and 8 has a width 1 that has a Measuring range ot 1 remains constant and extends over a measuring range oLt up to one 2 measuring range dy) reduced linearly. Over the measuring range g 3 3, the width is 1 des Air gap 9 constant again. In Fig. 2 is the first diagram in the development the course of the width 1 of the air gap 9 is shown over the individual work areas and in the second diagram the course of the thickness h of the core 3 over the working area.

Die Wirkungsweise des induktiven Winkelgebers nach Fig. 1 und Fig. 2 besteht darin, daß die Magnetspule 1 zwischen den beiden Schenkeln 7,8 des Kerns 3 ein homogenes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der Kurzschlußring 4 stellt für jeden Schenkel 7,8 eine Kurzschlußwindung dar, so daß kein magnetisches Wechselfeld durch den Kurzschlußring 4 hindurchtreten kann. Der magnetische Gesamtfluß wird somit in guter Näherung winkelproportional begrenzt. Nach dem Inuktionsgesetz wird dadurch die Induktivität der Magnetspule 1 ebenfalls wegproportional verändert. Zur Erzielung höchster Linearität wird die Breite 1 des Luft spaltes 9 zwischen den Schenkeln 7,8 als Funktion des Wegs verändert.The mode of operation of the inductive angle encoder according to Fig. 1 and Fig. 2 consists in that the solenoid 1 between the two legs 7,8 of the core 3 generates a homogeneous alternating magnetic field. The short-circuit ring 4 represents each leg 7,8 represents a short-circuit turn, so that no alternating magnetic field can pass through the short-circuit ring 4. The total magnetic flux becomes thus in good approximation limited proportionally to the angle. According to the induction law the inductance of the solenoid 1 is also changed proportionally to the path. To achieve maximum linearity, the width 1 of the air gap 9 between the legs 7,8 changed as a function of the path.

Die Breite 1 kann, wie in den Fig. 1 und 2 beispielsweise dargestellt ist, über einen Bereich & 1 konstant, über einen zweiten Bereich 2 linear abnehmend und über einen dritten Bereich k5 wieder konstant sein. Zum Entzerren 3 der Kennlinie des Meßobjektes kann die Dicke h des Kerns 3 ebenfalls über den Arbeitsbereich variiert werden.The width 1 can, as shown in FIGS. 1 and 2, for example is constant over a range & 1, decreasing linearly over a second range 2 and be constant again over a third range k5. To equalize 3 the characteristic of the measurement object, the thickness h of the core 3 can also be varied over the working range will.

Um Gie Temperaturabhängigkeit der Anordnung durch die temperaturabhängige Leitfähigkeit des Kurzschlußrings 4 möglichst gering zu halten, kann einmal die Betriebsfrequenz des Wechselfeldes hoch gewählt werden (z.B. 100 kHz) und zum anderen die durch den Skineffekt auftretende Erhöhung des ohmschen Widerstands des Kurzschlußrings z.B.durch folgende Mittel vermieden werden: Herstellen des Kurzschlußrings aus mehreren geschichteten, dünnen Einzelblechen bzw. Metallfolien oder Herstellen des Kurzschlußrings aus mehreren dünnen Drahtwindungen.To Gie temperature dependence of the arrangement through the temperature-dependent To keep the conductivity of the short-circuit ring 4 as low as possible, once the The operating frequency of the alternating field can be selected to be high (e.g. 100 kHz) and on the other hand the increase in the ohmic resistance of the short-circuit ring caused by the skin effect This can be avoided, for example, by the following means: Making the short-circuit ring from several layered, thin individual sheets or metal foils or production of the short-circuit ring from several thin turns of wire.

In dem in Fig. 3 dargestellten Blockschaltbild eines in seiner Frequenz von der jeweiligen Größe der Induktivität abhängigen Oszillators ist ein Komparator 30 mit Hysterese vorgesehen. Er besitzt eine obere Schaltschwelle UO und eine untere Schaltschwelle -UO. Sein Ausgang ist sowohl mit der Ausgangsklemme 31.des Oszillators, wie auch mit dem Eingang eines induktiven Stellglieds 32 verbunden.In the block diagram shown in FIG. 3, one in its frequency The oscillator, which is dependent on the respective size of the inductance, is a comparator 30 provided with hysteresis. It has an upper switching threshold UO and a lower one Switching threshold -UO. Its output is connected to output terminal 31 of the oscillator, as well as connected to the input of an inductive actuator 32.

Dieses induktive Stellglied 32 enthält als veränderliche Induktivität die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Anordnung. Es ist jedoch für diese Schaltung auch eine andere veränderliche Induktivität denkbar. Der Ausgang des ver-Xnderlichen induktiven Stellgliedes 32 ist sowohl mit einem Eingang einer Gleichrichterstufe 33 wie auch mit einem Eingang einer Integrierstufe 34 verbunden. Der Ausgang der Integrierstufe 34 ist an den Eingang des Komparators 30 angeschlossen.This inductive actuator 32 contains a variable inductance the arrangement shown in FIGS. 1 and 2. However, it is for this circuit another variable inductance is also conceivable. The outcome of the change inductive actuator 32 has both an input a rectifier stage 33 as well as connected to an input of an integrating stage 34. The outcome of the Integrating stage 34 is connected to the input of the comparator 30.

Der Ausgang der Gleichrichterstufe 33 ist mit einer analogen Ausgangsklemme 35 des Oszillators verbunden.The output of the rectifier stage 33 is connected to an analog output terminal 35 of the oscillator connected.

Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird im folgenden anhand des Diagramms nach Fig. 4 beschrieben. Es sei angenommen, daß zunächst am Ausgang des Komparators 30 eine positive Spannung liegt. Diese Spannung wird vom induktiven Stellglied 32 in Abhängigkeit der Stellung der veränderlichen Induktivität angehoben bzw. abgesenkt. Diese Anhebung bzw. Absenkung erfolgt unter Verwendung der in Fig. i dargestellten veränderlichen InduktiviQät in Abhängigkeit des zu messenden Wegs, d.h. in Abhängigkeit der Stellung des Kurzschlußrings 4. Die positive Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 wird durch den Integrator 34 integriert.The mode of operation of the arrangement shown in FIG. 3 is described below described with reference to the diagram of FIG. It is assumed that initially on Output of the comparator 30 is a positive voltage. This tension is from the inductive actuator 32 depending on the position of the variable inductance raised or lowered. This increase or decrease is done using the variable inductivity shown in Fig. i as a function of the to be measured Distance, i.e. depending on the position of the short-circuit ring 4. The positive voltage at the output of the inductive actuator 32 is integrated by the integrator 34.

Je höher die Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 ist, desto schneller erfolgt die Integration, d.h. desto schneller ist der Spannungsanstieg am Ausgang des Integrators 34. Wird der obere Schwellwert + les Komparators 30 erreicht, so springt die Spannung am Apsgang des Komparators 30 auf einen negativen Wert zurück. Entsprechend verändert sich der Ausgang des induktiven Stellglieds 32> Am Ausgang des Integrators 34 wird eine absinkende Spannung erzeugt, die solange absinkt, bis der untere Schwellwert -UO des Komparators 30 erreicht ist. Der Ausgang des Komparators 30 springt dann wieder auf einen positiven Spannungswert.The higher the voltage at the output of the inductive actuator 32, the faster the integration takes place, i.e. the faster the voltage rise at the output of the integrator 34. If the upper threshold value + les comparator 30 is reached, so the voltage at the output of the comparator 30 jumps back to a negative value. The output of the inductive actuator 32 changes accordingly at the output of the integrator 34 a decreasing voltage is generated, which decreases until the lower threshold value -UO of the comparator 30 is reached. The output of the comparator 30 then jumps back to a positive voltage value.

Die Höhe der Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 ist demnach ein Maß für die Anstiegszeit bzw. Abfallzeit der Integratorspannung und demnach ein Maß für die Frequenz dieses Oszillators. Durch die Gleichrichterstufe 33 wird die Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 gleichgerichtet und am analogen Ausgang 35 entsteht ein Gleichspannungssignal, das proportional zu der verändert lichen Induktivität ist und demnach proportional zu dem zu messenden Weg. Der zu messende Weg kann somit durch ein digitales oder ein analoges Ausgangs signal angezeigt werden.The level of the voltage at the output of the inductive actuator 32 is accordingly a measure for the rise time or fall time of the integrator voltage and therefore a measure of the frequency of this oscillator. Through the rectifier stage 33, the voltage at the output of the inductive actuator 32 is rectified and at the analog output 35 is a DC voltage signal that is proportional to the changed union inductance and is therefore proportional to the path to be measured. The path to be measured can thus be through a digital or an analog Output signal are displayed.

Die in Figb b dargestellte Schaltung stellt ein Realisierungsbeispiel des induktiven S<ellgliedes 32 dar. Die vom Komparator 30 herkommende Rechteckspartng wird in-dem Integrator 50 integriert, so daß am Ausgang des Integrators 50 ein Strom von dreieckförmigem zeitlichen Verlauf erzeugt wird. Dieser Dreieckstrom wird durch den Transformator 51 differenziert, so daß am Ausgang dieses induktiven Stellglieds 32 wieder eine Rechteckspannung entsteht. Dles geschieht dadurch, daß der dreieckförmig verlaufende Strom am Ausgang des Integrators 50 am induktiven Blindwiderstand der Primärwicklung gemäß dem Induktionsgesetz wieder eine rechteckförmige Induktionsspannung erzeugt, welche an der unbelasteten, denselben magnetischen Fluß umfassenden Sekundärwicklung, vom ohmschen Spannungsanteil der Primärwicklung getrennt, abgenpmmen werden kann. Diese SekundWrwicklung kann über der Magnetspule 1 auf dem Kern 3 aufgebracht sein. Durch den transformatorischen Abgriff der Induktionsspannung an der veränderlichen.Induktivität wird gleichzeitig eine unerwünschte galvanische Auftrennung erreicht. Die dadurch verlorengegangene Gleichstromstabilität des Oszillators wird durch einen gleichstrommäßig sehr schwach belasteten Parallelzweig wiederhergestellt. Dieser Parallelzweig überbrückt als Widerstand 52 das induktive Stellglied 32. Durch die Integrationsdrift des Integrators 34 wäre ohne den Widerstand 52 keine genügende Stabilität des Oszillators erreichbar. Die Vorteile bei Verwendung dieses induktiven Stellglieds 32 in der Oszillatorschaltung liegen insbesondere darin, daß die Ausgangs frequenz direkt proportional zu dem zu messenden Weg ist.The circuit shown in Figb b represents an implementation example of the inductive S <el member 32. The rectangular part coming from the comparator 30 is integrated in the integrator 50, so that at the output of the integrator 50 a current is generated by a triangular temporal course. This triangular current is through the transformer 51 differentiates so that at the output of this inductive actuator 32 again a square wave voltage arises. Dles happens by the fact that the triangular current running at the output of the integrator 50 at the inductive reactance of the Primary winding according to the law of induction again a square induction voltage generated on the unloaded secondary winding comprising the same magnetic flux, separated from the ohmic voltage component of the primary winding. This secondary winding can be applied to the core 3 above the magnetic coil 1. Through the transformer tapping of the induction voltage at the variable inductance an undesired galvanic separation is achieved at the same time. The thereby The lost DC stability of the oscillator is replaced by a direct current very lightly loaded parallel branch restored. This parallel branch bridged the inductive actuator 32 as resistor 52. Due to the integration drift of the integrator Sufficient stability of the oscillator could not be achieved without the resistor 52. The advantages of using this inductive actuator 32 in the oscillator circuit are in particular that the output frequency is directly proportional to the to be measured is.

In Fig. 6 ist eine Schaltung für eie Kombination eines induktiven Stellglieds 32 mit dem Integrator 34 dargestellt. Diese Schaltung eines induktiven Integrierers besteht aus einem Operationsverstärker 60, der von einem Widerstand 61 überbrückt ist. Vor den invertierellden Eingang des Operationsverstärkers 60 ist eine variable Induktivität 62 geschaltet, für die vorzugsweise die in Fig. 1 dargestellte Anordnung Verwendung finden kann. Die Schaltung stellt praktisch eine Umkehr eines üblichen Differentiators dar, bei dem dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein Kondensator vorgeschaltet ist. Wenn die in Fig. 6 dargestellte Anordnung in einer Schaltung nach Fig. 3 verwendet wird, ergibt sich eine Vereinfachung gegenüber einer Anordnung nach Fig. 3, in welcher anstelle des induktiven Steligliedes 32 und Integrators 34 eine Anordnung nach Fg. 5 verwendet wird. Allerdings ist dann die Ausgangsfrequenz umgekehrt proportional zum zu messenden Weg, also proportional zur Periodendauer der Ausgangsfrequenz. Um nun ein analoges Ausgangssignal zu erhalten, kann die Anordnung der Gleichrichterstufe 33 nach Fig. 3 nicht mehr gewählt werden. Die Frequenz der dreieckförmigen Ausgangsspannung des Integrators 34 muß jetzt durch einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Differentiator differenziert werden um wieder ein Rechtecksignal zu erhalten. Dieses Rechtecksignal wird dann durch die Gleichrichterstufe 33 gleichgerichtet, an deren Ausgang wieder das analoge Ausgangssignal erscheint.In Fig. 6 is a circuit for a combination of an inductive Actuator 32 with integrator 34 is shown. This circuit is an inductive Integrator consists of an operational amplifier 60, which is controlled by a resistor 61 is bridged. In front of the inverting entrance of the operational amplifier 60, a variable inductance 62 is connected, for which the preferably shown in Fig. 1 shown arrangement can be used. The circuit is practical is an inversion of a common differentiator with the inverting input A capacitor is connected upstream of the operational amplifier. If the in Fig. 6 The arrangement shown is used in a circuit according to FIG. 3, results a simplification compared to an arrangement according to FIG. 3, in which instead of the inductive actuator 32 and integrator 34 an arrangement according to FIG. 5 is used will. However, the output frequency is then inversely proportional to the one to be measured Distance, i.e. proportional to the period of the output frequency. To now an analog To obtain output signal, the arrangement of the rectifier stage 33 according to Fig. 3 can no longer be elected. The frequency of the triangular output voltage of the Integrator 34 must now be replaced by one not shown in detail in the drawing Differentiator can be differentiated in order to obtain a square wave signal again. This Square-wave signal is then rectified by the rectifier stage 33, at which Output again the analog output signal appears.

Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung stellt einen Komparator mit Hysterese dar, bei dem zur Verbesserung der Linearität des induktiven Gebers die Schwellspannungen +UO bzw. -UO beeinflußt werden. Hierfür macht man die Schwellspannungen UO bzw. -Uo frequenzabhängig, d.h. für hohe Frequenzen läßt man die Schwellspannungen geringer werden. Der Eingang des Komparators ist über einen Widerstand 70 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 71 verbunden, dessen Ausgang über zwei Widerstände 72,73 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 74 verbunden ist. Dieser zweite Operationsverstärker 74 ist durch die Parallelschaltung eines Widerstandes 75 und eines Kondensators 76 slberbrtickt und sein Ausgang ist über einen Widerstand 77 an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 71 zurückgeführt. Der Verknüpfungspunkt der beiden Widerstände 72,73 ist einerseits mit dem Ausgang des Komparators 30 verbunden und ist andererseits über eine Brückenschaltung aus vier Dioden 78 bis 81 mit Masse verbunden. Dabei stellen die gegensinnig gepolten Dioden 78,79 den einen BrUckenlängszweig und die gegensinnig gepolten Dioden 80,81 den anderen Längszweig der Brücke dar. Im Brückenquerzweig ist eine Zenerdiode 82 geschaltet. Ohne die Bauteile 75 bis 76 würde die Schaltung einen üblichen, an sich bekannten Komparator darstellen.The circuit shown in Fig. 7 represents a comparator with hysteresis represents, in which to improve the linearity of the inductive encoder, the threshold voltages + UO or -UO can be influenced. For this purpose, the threshold voltages UO or -Uo frequency-dependent, i.e. the threshold voltages are left lower for high frequencies will. The input of the comparator is via a resistor 70 to the inverting Input of an operational amplifier 71 connected, the output of which has two resistors 72, 73 connected to the inverting input of a second operational amplifier 74 is. This second operational amplifier 74 is one by being connected in parallel Resistor 75 and a capacitor 76 are overridden and its output is over a resistor 77 to the inverting input of the first Operational amplifier 71 returned. The point of connection of the two resistors 72, 73 is on the one hand connected to the output of the comparator 30 and is on the other hand via a bridge circuit from four diodes 78 to 81 connected to ground. The polarized in opposite directions represent Diodes 78,79 one bridge longitudinal branch and the oppositely polarized diodes 80,81 represents the other longitudinal branch of the bridge. A Zener diode 82 is located in the transverse branch of the bridge switched. Without the components 75 to 76, the circuit would be a conventional one represent known comparator.

Durch das Diodennetzwerk 78 bis 82 werden die beiden Niveaus der Rechteckausgangsspannung stabilisiert. Die am Ausgang anliegende Spannung wird über den Widerstand 77 an den Eingang zurückgeführt und stabilisiert den neuen Zustand.The diode network 78 to 82 provide the two levels of the square wave output voltage stabilized. The voltage present at the output is applied via resistor 77 the input is fed back and stabilizes the new state.

Durch die Bauteile 73 bis 76, die eine Verzögerungsstufe darstellen, wird diese Rückführung verzögert Die Ausgangsspannung springt genau dann auf ihren entgegengesetzten Wert, wenn die Eingangsspannung den Wert +UO bzw. -UO erreicht. Bei hoher Frequenz kann infolge der Zeitverzögerung, insbesondere durch den Kondensator 76, die Spannung am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 74 nicht mehr ihren Endwert erreichen. Der Schaltvorgang findet daher schon bei Eingangsspannungen statt, deren Betrag kleiner als so ist. Die beiden Schwellen rücken somit zusammen. Durch geeignete Dimensionierung der Bauteile 73 bis 76 kann dadurch eine zusätzliche Verbesserung der Linearität der veränderbaren Induktivität erreicht werden.Through the components 73 to 76, which represent a delay stage, If this feedback is delayed, the output voltage jumps to yours exactly then opposite value when the input voltage reaches the value + UO or -UO. At high frequency it can be due to the time delay, especially due to the capacitor 76, the voltage at the output of the second operational amplifier 74 no longer theirs Reach final value. The switching process therefore takes place at input voltages, whose amount is less than so. The two thresholds move together. By Suitable dimensioning of the components 73 to 76 can thereby be an additional improvement the linearity of the variable inductance can be achieved.

Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung stellt eine allgemeine Anordnung zur Realisierung beliebiger, nichtlinearer Weg-Frequenzkennlinien dar. Der Aufbau und die Wirkungsweise entsprechen im wesentlichen der Anordnung nach Fig. 3.The arrangement shown in Fig. 8 represents a general arrangement for the realization of any non-linear path-frequency characteristics. The structure and the mode of operation essentially corresponds to the arrangement according to FIG. 3.

Zwischen dem Komparator 30 unddem-induktiven Stellglied 32 ist ein steuerbarer Spannu,ngsumschalter 83 vorgesehen, an dessen beiden Spannungselngängen die Spannungen +U1 und -U1 anlegen. Der Komp2-eaE-or 30 steuert einen vorzugsweise elektronischen Umschalter im Spannungsumschalter 83, wodurch am induktiven Stellglied 32 abwechselnd +U1 und -U1 anliegt. Zwischen das induktive Stellglied 32 und den Integrator 34 ist ein Funktionsgenerator 84 geschaltet. Durch den Funktionsgenerator 84 ist die Spannung U32 beliebig beeir.l -bar, d.h. es können beliebige, nichtlineare Weg-Frequenzkennlinien erreicht werden. Das Ausgangssignal des induktiven Weggebers kann somit eine beliebige Funktion des Wegs darstellen. «s können z.B. auch beliebigen Parametern entsprechende Spannungen U1 dem Funktionsgenerator 84 über das induktive Stellglied 32 eingegeben werden, wodurch die Ausgangsspannung des induktiven Weggebers nicht nur proportional zu dem Weg sondern zusätzlich noch proportional zu diesen Parametern wird.Between the comparator 30 and the inductive actuator 32 is a controllable voltage switch 83 is provided, at its two voltage levels apply the voltages + U1 and -U1. The Komp2-eaE-or 30 preferably controls one electronic Changeover switch in the voltage changeover switch 83, which alternates between the inductive actuator 32 + U1 and -U1 are present. Between the inductive actuator 32 and the integrator 34 a function generator 84 is connected. The function generator 84 is the Voltage U32 can be controlled as required, i.e. any non-linear displacement-frequency characteristics can be used can be achieved. The output signal of the inductive displacement encoder can therefore be any Represent the function of the path. «S can, for example, also correspond to any parameters Voltages U1 are input to the function generator 84 via the inductive actuator 32 which means that the output voltage of the inductive displacement encoder is not only proportional to the path but also proportional to these parameters.

Eine Besonderheit des Komparatorr ergibt sich noch dadurch, daß die Möglichkeit besteht, die Schwellspannungen und die Ausgangsspannung des Komparators einander proportional oder identisch zu wählen. Da die Ausgangsfrequenz, bzw. die Periodendauer diester reque.îzß or/?-iortional zu der Komparatorausgangsspannung und umgekehrt proportional zu der Komparatorschwellspannung ist, ist die Ausgar.-gsfrequenz unbeeinflußbar von Schwankungen dieser Spannungen tjs können somit für die Anordnung unstabilisierte Spannungen verwendet weruen.Another special feature of the comparator is that the There is a possibility of the threshold voltages and the output voltage of the comparator to choose one another proportional or identical. Since the output frequency or the Period duration diester reque.îzß or /? - iortional to the comparator output voltage and is inversely proportional to the comparator threshold voltage, is the settling frequency unaffected by fluctuations in these voltages tjs can thus for the arrangement unstabilized voltages are used.

Die in Fig. 9 dargestellte, sehr einfache schaltungstechnische Ausführungsform eines induktiven Weggebers enthält als Kombination eines induktiven Stellglieds 32 mit dem Integrator 34 die variable Induktivität 62, die sowohl über einen Widerstand 90 mit Masse, wie auch direkt mit dem invertierenden Eingang eines als Komparator 30 eingesetzten Operationsverstärkers verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 30 ist mit dem Abgriff eines aus zwei Widerständen 91,92 bestehenden Spannungsteilers verbunden. Dabei ist der Widerstand 92 zwischen den Abgriff und Masse, der Widerstand 91 zwischen den Abgriff und der Klemme 31 geschaltet. Die Ausgangsklemme 31 ist sowohl mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 30, wie auch mit der variableh Induktivität 62 verbunden. Die Versorgungsspannungschlüsse des Operationsverstärkers 30 sind nicht näher dargestellt.The very simple circuitry embodiment shown in FIG. 9 an inductive position transducer contains as a combination of an inductive actuator 32 with the integrator 34 the variable inductance 62, which both via a resistor 90 with ground, as well as directly with the inverting input of a comparator 30 used operational amplifier is connected. The non-inverting input of the operational amplifier 30 is connected to the tap of one of two resistors 91,92 existing voltage divider connected. The resistor 92 is between the Tap and ground, resistor 91 connected between tap and terminal 31. The output terminal 31 is both with the output of the operational amplifier 30, as well as connected to the variable inductance 62. The supply voltage connections of the operational amplifier 30 are not shown in detail.

Die Wirkungsweise der in Fig. 9 dargtstellten Schaltung entspricht prinzipiell der vorangegan+-;nen Wirkungsbeschreibung. Liegt am Ausgang des Operat;-Everstärkers 30 eine bestimmte Spannung an, so steigt der Strom in der Induktivität und damit die Spannung am Widerstand 90 nahezu linear an. An dem damit verbundenen invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 steigt diese Spannung so lange an, bis der am Abgriff des Spannungsteilers 91,92 anliegende Spannungswert erreicht ist. In dem Moment verändert sich der Spannungswert am Ausgang des Operationsverstärkers plötzlich von positiver auf eine negative Spannung. Dadurch liegt am Abgriff des Spannungsteilers 91,92 ein negativer Spannungswert an. Die am Widerstand 90 und damit am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 anliegende Spannung nimmt nun nahezu linear solange ab, bis der jetzt am Abgriff des Spannungsteilers 91 bis 93 liegende Spannungswert erreicht ist. Zu dem Zeitpunkt erscheint am Ausgang des Operationsverstärkers 30 wieder eine positive Spannung und der ganze Vorgang wiederholt sich erneut.The mode of operation of the circuit shown in FIG. 9 corresponds basically the previous description of the effects. Located at the output of the Operat; amplifier 30 a certain voltage, the current increases in the inductance and thus the voltage across resistor 90 increases almost linearly. At the associated inverting Input of the operational amplifier 30, this voltage rises until the at the tap of the voltage divider 91.92 applied voltage value is reached. In the moment the voltage value at the output of the operational amplifier changes suddenly from positive to negative voltage. This is due to the tap of the Voltage divider 91.92 a negative voltage value. The ones at resistor 90 and thus present at the inverting input of the operational amplifier 30 voltage now decreases almost linearly until it is now at the tap of the voltage divider 91 to 93 lying voltage value is reached. At the time appears at the exit of the operational amplifier 30 again a positive voltage and the whole process repeats itself again.

Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 liegt demzufolge eine Dreickspannung an und am Ausgang des Operationsverstärkers 30 und damit an der Klemme 31 eine Rechteckspannung. Diese Ausgangsfrequenz ist umgekehrt proportional zum zu messenden Weg bzw. die Periodendauer der Rechteckspannung ist proportional zu dem zu messenden Weg.The inverting input of the operational amplifier 30 is accordingly a triangle voltage on and at the output of the operational amplifier 30 and thus on terminal 31 a square wave voltage. This output frequency is inversely proportional to the distance to be measured or the period of the square wave voltage is proportional to the path to be measured.

Diese sehr einfache Schaltung, die neben der veränderlichen Induktivität lediglich einen einzigen Operationsverstärker und einige Widerstände erfordert, weist dennoch eine hohe Linearität, eine sehr geringe Spannungsabhängigkeit und eine ausreichend geringe Temperaturabhängigkeit auf. Da die Anordnung einen nur sehr geringen Platzbedarf hat, kann die Schaltung vorzugsweise an der veränderlichen Induktivität angebracht werden, so daß direkt am Meßplatz eine Frequenz erzeugt und von dort über Verbindungsleitungen zu einer Auswertungsstelle gerührt werden kann.This very simple circuit, in addition to the variable inductance only requires a single operational amplifier and a few resistors, nevertheless has a high Linearity, a very low voltage dependence and a sufficiently low temperature dependence. Since the arrangement is a has only a very small footprint, the circuit can preferably be connected to the variable Inductance are attached so that a frequency is generated directly at the measuring station and from there via connecting lines to an evaluation point can.

Claims

Expectations

9 Inductive displacement transducer for converting a mechanical movement into a signal which is based on an arbitrarily predeterminable, in particular linear function depends on the movement of the measurement object, with one on a core made of ferromagnetic Material applied magnetic coil, its inductance by one on the core Depending on the movement of the test object, the displaceable short-circuit ring can be changed is, characterized in that the core (3) at least two by a yoke (2) connected legs (7, 8) which have an air gap (9) different from one another Form width (1).

2. Inductive displacement transducer according to claim 1, characterized in that the width (1) of the Luit gap (9) is in particular between two areas (α1, d3) constant width from one area (d 1) to the other area (ob 3) linearly changes.

3. Inductive displacement transducer according to claim 1, characterized in that the core (3) has areas of different thicknesses (h).

4. Inductive displacement transducer according to claim 1, characterized in that the inductance formed by the magnetic coil (1) and core (3) in an oscillator (3O32,34) arranged and this inductance can be influenced by the short-circuit ring (4) is.

5. Inductive displacement transducer according to claim 1 or 4, characterized in that that the short-circuit ring (4) consists of several individual sheets stacked on top of one another.

6. Inductive displacement transducer according to claim 1 or 4, characterized in that that at high frequencies of the oscillator (30,32, 34) as a short circuit "ing- (4) (4) at least one thin metal foil is provided.

7. Inductive displacement transducer according to claim 5, characterized in that the short-circuit ring (4) consists of thin wire windings.

8. Inductive displacement transducer, in particular according to claim 1 or 4, characterized characterized in that the series connection of a comparator (30) is used as the oscillator Hysteresis, one containing the inductance and one inductive actuator (32) Integrator (34) provided and the output of the integrator (34) with the input of the comparator (30) is connected.

9. Inductive displacement transducer according to claim 8, characterized in that as a combination of the inductive actuator (32) with the integrator (34) a per se known LR integrator (60 -62 or 62, 90) with variable inductance (62 respectively.

1-4) is provided.

10. Inductive displacement transducer according to claim 9, characterized in that the integrator from a variable inductance (62 or 1-4) and one between Ground and the inductance (62 or 1-4) switched resistor (90) and an operational amplifier is provided as a comparator (30).

11. Inductive displacement transducer according to claim 8, characterized in that as an inductive actuator (32) an integrator (50) with a downstream transformer (51) is used and the primary winding of the transformer (51) is preferably variable Inductance (1-4) is formed.

12. Inductive displacement transducer according to claim 11, characterized in that that parallel to the inductive actuator (50,51) to stabilize the oscillator a weak direct current branch (52) is connected, preferably a high-resistance one Resistance.

13. Inductive displacement transducer according to claim 8, characterized in that to compensate for a linearity error of the inductive displacement encoder at high frequencies a delay element (73-76) is provided in the comparator (30) through which the Switching thresholds of the comparator (30) can be shifted symmetrically as a function of the frequency.

14. Inductive displacement transducer according to claim 8, characterized in that a function generator for realizing non-linear displacement-frequency characteristics (84) for changing the input voltage of the integrator (34) is provided.

15. Inductive displacement transducer according to claim 8, characterized in that a voltage switch (83) controlled by the comparator (30) is provided the voltages (+ U1, -U1) dependent on any parameters to the inductive actuator (32) can be supplied.

16. Inductive displacement transducer according to claim 8, characterized in that to generate a motion-analog output signal, the output of the inductive Actuator (32) via a rectifier stage (33) with an analog output (35) connected is.

17. Inductive displacement transducer according to claim 9 or 10, characterized in that that to generate a motion-analog output signal, the output of the LR integrator (60-62 or 62, 90) via a differentiator with a downstream rectifier stage (33) is connected to an analog output (35).

18. Inductive displacement transducer according to claim 1, characterized in that the magnetic coil is arranged on the yoke of a U-shaped core and the short-circuit ring is movable on the two legs of the core.

19. Inductive displacement transducer according to claim 1, characterized in that the magnetic coil (1) is arranged on the yoke (2) of a circularly curved core (3) and the short-circuit ring (4) is movable on the two legs (7, 8) of the core (3) is.