DE2515256C2

DE2515256C2 - Inductive displacement transducer

Info

Publication number: DE2515256C2
Application number: DE19752515256
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Ing. Dr. 7500 Karlsruhe Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1975-04-08
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1986-06-12
Also published as: DE2515256A1

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Weggeber zur Umformung einer mechanischen Bewegung in ein Signal nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an inductive displacement sensor for converting a mechanical movement into a signal according to the preamble of claim 1.

Ein solcher induktiver Weggeber ist aus der DE-OS 06 996 bekannt. Dort wird auf den Schenkeln des Kerns ein Kurzschlußring aus magnetisch nicht leitfähigem, aber aus elektrisch leitfähigem Material verschoben. Die Längsarme und auch die Querarme verlaufen jeweils zueinander parallel und weisen somit stets gleichbleibenden Abstand auf. Zwar wird auch hier abhängig von der Stellung des Kurzschlußringes die Induktivität einer Spule geändert, aber es ist kein genauer linearer Zusammenhang zwischen der Bewegung des Meßobjektes und des Signalwertes möglich.Such an inductive displacement encoder is known from DE-OS 06 996. There is on the thighs of the The core is a short-circuit ring made of magnetically non-conductive, but moved from electrically conductive material. The longitudinal arms and also the transverse arms each run parallel to one another and thus always point constant distance. Here, too, the inductance is dependent on the position of the short-circuit ring of a coil changed, but there is no exact linear relationship between the movement of the DUT and the signal value possible.

Ferner ist in der Druckschrift C. Rohrbach »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen« (1967), Seite 170/171 im Bild D 4.41 ein Geber mit parallelen Schenkeln dargestellt Die im Abschnitt D 4.4 beschriebene Änderung bezieht sich auf den Abstana zwischen Anker und Kern. Der Luftspalt zwischen den Schenkeln bleibt aber unverändert Ferner beruht dasFurthermore, in the publication C. Rohrbach »Handbuch for electrical measurement of mechanical quantities «(1967), page 170/171 in Figure D 4.41 an encoder with parallel Legs shown The change described in Section D 4.4 relates to the distance between Anchor and core. The air gap between the legs remains unchanged

ίο Meßprinzip in dieser Druckschrift auf der Änderung des Luftspalts zwischen Anker und Kern und unterscheidet sich somit vom vorliegenden Meßprinzip. Der Anker ist aus magnetischem Werkstoff und dient dazu, den Fluß der magnetischen Feldlinien zu schließen. Auch hier ist kein ausreichender linearer Zusammenhang zwischen Weg und Meßsignal erreichbar.ίο measuring principle in this publication based on the change in Air gap between armature and core and thus differs from the present measuring principle. The anchor is Made of magnetic material and serves to close the flow of the magnetic field lines. Here too is no adequate linear relationship between distance and measurement signal can be achieved.

Ein bekannter induktiver Weggeber ist außerdem der Tauchankergeber. Dabei wird in eine Spule ein frei beweglicher, ferromagnetischer Kern eingeschoben, wo· durch die Induktivität L veränderbar ist Da der Zusammenhang zwischen dem Weg und der Induktivität hierbei nicht linear ist, ist zur Linearisierung ein ziemlich großer Aufwand an Elektronik notwendig. Die Empfindlichkeit ist aber gering. Außerdem weist der Tankankergeber eine große mechanische Baulänge im Verhältnis zum ausnutzbaren Linearitätsbereich auf. Ein weiterer Nachteil ist die relativ große Masse des ferromagnetischen Kerns.A well-known inductive displacement transducer is also the plunger armature transducer. A freely movable, ferromagnetic core is inserted into a coil, whereby the inductance L can be changed. Since the relationship between the path and the inductance is not linear here, a fairly large amount of electronics is required for linearization. However, the sensitivity is low. In addition, the tank anchor sensor has a large mechanical length in relation to the usable linearity range. Another disadvantage is the relatively large mass of the ferromagnetic core.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Weggeber zu schaffen, der eine sehr gute Linearität zwischen der Bewegung des Meßobjektes und der Induktivität gewährleistet. 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 creating an inductive displacement encoder which has very good linearity guaranteed between the movement of the test object and the inductance. In addition, the inductive Displacement transducers can also be used to rectify the characteristic curve of the measured object and use moving parts have the lowest possible mass for dynamic measurements. Furthermore, the inductive displacement encoder should both In its mechanical as well as its electronic part, it is constructed as simply and cheaply as possible and thus be suitable for mass production. In particular, this encoder should also be used to measure larger ones Paths can be used.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
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 135° Arbeitsbereich erreicht werden. Bei Verwendung eines Kerns, dessen Schenkel in herkömmlicher Weise einen Luftspalt konstanter Breite aufweisen, läßt sich etwa eine Linearität von ca. ± 1,5% über 100° im Arbeitsbereich erzielen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kern Bereiche unterschiedlicher Dicke auf. Durch eine derartige Ausbildung des Kerns 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.This object is achieved by the features characterized in claim 1.
An advantageous embodiment of the invention consists in that the width of the air gap changes linearly from one area to the other, in particular between two areas of constant width. This enabled a linearity of approx. ± 0.5% over a 135 ° working range to be achieved with a linear angle encoder. When using a core, the legs of which have an air gap of constant width in a conventional manner, a linearity of approximately ± 1.5% over 100 ° in the working area can be achieved.
According to a further advantageous embodiment of the invention, the core has areas of different thicknesses. Such a design of the core makes it possible, for example, to equalize the angle-flow characteristic of an air flow meter, which is used to measure the intake air quantity of an internal combustion engine and is arranged in the intake manifold, which has a logarithmic curve.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einem sehr einfachen und billigen mechanischen und elektronischen Aufbau ein sehr guter linearer Zusammenhang zwischen der Bewegung des Meßobjektes und des Meßsignals entsteht. Dadurch wird ferner auch erreicht, daß eine einfache und billige Auswerteschaltung verwendet werden kann. Bei einerThe advantages achieved by the invention are in particular that with a very simple and cheap mechanical and electronic structure a very good linear relationship between the movement of the measurement object and the measurement signal arises. This also ensures that a simple and cheap Evaluation circuit can be used. At a

geringen Masse des bewegten Teils sind dynamische Messungen des Wegs bzw. bei der Luftmengenmessung im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine möglich. Bei hohen Frequenzen, ab ungefähr 100 kHz genügt als bewegtes Teil eine bzw. mehrere dünne Metallfolien.low mass of the moving part are dynamic measurements of the path or when measuring the air volume possible in the intake duct of an internal combustion engine. At high frequencies, from around 100 kHz, moving is sufficient Part one or more thin metal foils.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den Zeichnungen.Further advantageous refinements and expedient developments of the invention emerge in FIG Connection with the subclaims from the following description of the exemplary embodiments and from the drawings.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigtThe invention is explained below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. It shows

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer veränderlichen Induktivität mit Kurzschlußring als Drehwinkelgeber,F i g. 1 an embodiment of a variable inductance with short-circuit ring as a rotary encoder,

Fi g. 2 ein Diagramm, das die Breite /des Luftspaltes und die Dicke h über dem Meßbereich λ darstellt,Fi g. 2 is a diagram showing the width / the air gap and the thickness h over the measuring range λ,

F i g. 3 ein Blockschaltbild des elektrischen Teils eines induktiven Weggebers,F i g. 3 is a block diagram of the electrical part of an inductive displacement transducer,

F i g. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des in F i g. 3 dargestellten Blockschaltbildes,F i g. 4 is a diagram for explaining the in FIG. 3 shown block diagram,

Fig.5 ein induktives Stellglied des Ausführungsbeispiels, 5 shows an inductive actuator of the embodiment,

Fig.6 die Kombination eines anderen induktiven Stellglieds mit einem Integrator,Fig. 6 the combination of another inductive actuator with an integrator,

F i g. 7 einen Komparator mit einer Linearisierungseinrichtung, F i g. 7 a comparator with a linearization device,

Fig.8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Oszillators mit einem Funktionsgenerator zur Realisierung einer beliebigen Weg-Frequenz-Kennlinie, und8 shows a further embodiment of an oscillator with a function generator to implement any path-frequency characteristic curve, and

Fig.9 eine sehr einfache Ausführungsform des in F i g. 3 dargestellten Oszillator-Blockschaltbilds.9 shows a very simple embodiment of the in FIG. 3 shown oscillator block diagram.

In dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Erzielung einer veränderlichen Induktivität einer 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 durch und der Kurzschlußring 4 ist somit parallel zu den Kernschenkeln 7,8 frei beweglich.In the one shown in FIG. 1 illustrated embodiment is to achieve a variable inductance of a magnetic coil 1 on the yoke 2 of a circularly curved Core 3 made of ferromagnetic material applied. A short-circuit ring 4 has two openings 5, 6, which are adapted to the shape of the core cross-section are. 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 /, die über einen Meßbereich oc\ konstant bleibt und sich über einen Meßbereich «2 bis zu einem Meßbereich «3 linear verringert. Über den Meßbereich «3 ist die Breite /des Luftspaltes 6 wieder konstant. In Fig.2 ist im ersten Diagramm in d?r Abwicklung der Verlauf der Breite /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 sensor shown is designed as an angle sensor, the short-circuit ring 4 being able to be connected, for example, to the damper of an air flow meter of an internal combustion engine. According to the invention, in order 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 / which remains constant over a measuring range oc \ and extends over a measuring range «2 to a measuring range« 3 linearly decreased. The width / of the air gap 6 is constant again over the measuring range «3. In FIG. 2, the development of the width / air gap 9 over the individual working areas is shown in the first diagram, and the course of the thickness h of the core 3 over the working area is shown in the second diagram.

Die Wirkungsweise des induktiven Winkelgebers nach F i g. 1 und 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 L/egrenzt. Nach dem Induktionsgesetz wird dadurch die Induktivität der Magnetspule 1 ebenfalls wegproportional verändert. Zur Erzielung höchster Linearität wird die Breite /des Luftspaltes 9 zwischen den Schenkeln 7, 8 als Funktion des Wegs verändert. Die Breite /kann, wie in den F i g. 1 und 2 beispielsweise dargestellt ist, über einen Bereich «i konstant, über einen zweiten Bereich Λ2 linear abnehmend und über einen dritten Bereich «3 wieder konstant sein. Zum Entzerren der Kennlinie de·. Meßobjektes kann die Dicke h des Kerns 3 ebenfalls über den Arbeitsbereich variiert werden.The mode of operation of the inductive angle encoder according to FIG. 1 and 2 consists in the fact that the magnetic coil 1 generates a homogeneous alternating magnetic field between the two legs 7, 8 of the core 3. The short-circuit ring 4 represents a short-circuit turn for each leg 7, 8, so that no alternating magnetic field can pass through the short-circuit ring 4. The total magnetic flux is thus limited to a good approximation in proportion to the angle L / e. According to the law of induction, the inductance of the magnet coil 1 is also changed in proportion to the displacement. To achieve maximum linearity, the width / of the air gap 9 between the legs 7, 8 is changed as a function of the path. The width / can, as shown in FIGS. 1 and 2, for example, be constant over a range i, decreasing linearly over a second range Λ2 and constant again over a third range 3. To equalize the characteristic de ·. Measurement object, the thickness h of the core 3 can also be varied over the working range.

Um die Temperaturabhängigkeit der Anordnung durch die temperaturabhängige Leitfähigkeit des Kurzschlußrings 4 möglichst gering zu haken, 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. Metallteilen oder Herstellen des Kurzschlußrings aus mehreren dünnen Drahtwindungen.In order to hook the temperature dependency of the arrangement through the temperature-dependent conductivity of the short-circuit ring 4 as low as possible, 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. B. can be avoided by the following means: making the short-circuit ring from several layered, thin individual sheets or metal parts or making the short-circuit ring from several thin wire windings.

In dem in F i g. 3 dargestellten Blockschaltbild eines in seiner Frequenz von der jeweiligen Größe der Induktivität abhängigen Oszillators ist ein Komparator 30 mit Hysterese vorgesehen. £r besitzt eine obere Schaltschwelle + Uo und eine untre Schaltschwelle — Uo. Sein Ausgang ist sowohl mit der Ausgangsklemme 31 des Oszillators, wie auch mit dem Eingang eines induktiven Stellglieds 32 verbunden. Dieses induktive Stellglied 32 enthält als veränderliche Induktivität die in F i g. 1 und 2 dargestellte Anordnung. Es ist jedoch für diese Schaltung auch eine andere veränderliche Induktivität denkbar. Der Ausgang des veränderlichen 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. Der Ausgang der Gleichrichterstufe 33 ist mit einer analogen Ausgangsklemme 35 des Oszillators verbunden. In the one shown in FIG. 3 of an oscillator whose frequency is dependent on the respective size of the inductance, a comparator 30 with hysteresis is provided. £ r has an upper switching threshold + Uo and a lower switching threshold - Uo. Its output is connected both to the output terminal 31 of the oscillator and to the input of an inductive actuator 32. This inductive actuator 32 contains the variable inductance shown in FIG. 1 and 2 shown arrangement. However, another variable inductance is also conceivable for this circuit. The output of the variable inductive actuator 32 is connected both to an input of a rectifier stage 33 and to an input of an integrating stage 34. The output of the integrating stage 34 is connected to the input of the comparator 30. The output of the rectifier stage 33 is connected to an analog output terminal 35 of the oscillator.

Die Wirkungsweise der in F i g. 3 dargestellten Anordnung wird im folgenden anhand des Diagramms nach Fig.4 beschrieben. Es sei angenommen, daß zunächst am Ausgang des Komparators 30 eine positivs 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 F i g. 1 dargestellten veränderlichen Induktivität 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. 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 -I- Uo des Komparators 30 erreicht, so springt die Spannung am Ausgang des Komparators 30 auf einen negativen Wert zurück.The mode of operation of the in F i g. The arrangement shown in FIG. 3 is described below with reference to the diagram according to FIG. It is assumed that initially there is a positive voltage at the output of the comparator 30. This voltage is raised or lowered by the inductive actuator 32 as a function of the position of the variable inductance. This increase or decrease is carried out using the methods shown in FIG. The variable inductance shown in FIG. 1 as a function of the path to be measured, ie as a function of 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. The higher the voltage at the output of the inductive actuator 32, the faster the integration takes place, ie the faster the voltage rise at the output of the integrator 34. If the upper threshold value -I- Uo of the comparator 30 is reached, the voltage at the output of the will jump Comparator 30 back to a negative value.

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 — LO des Komparators 30 erreicht ist. Der Ausgang des Komparators 30 springt dann wieder auf einen positiven Spannungswert. Die Höhe der Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 ist demnach ein Maß für die Anstiegszeit bzw. Abfallzeit der Inteeratorsnannnncr nnH Hpmnnrh pinThe output of the inductive actuator 32 changes accordingly. At the output of the integrator 34 is a falling voltage is generated, which falls until the lower threshold value - LO of the comparator 30 is reached. The output of the comparator 30 then jumps back to a positive voltage value. the The level of the voltage at the output of the inductive actuator 32 is therefore a measure of the rise time or Fall time of the Inteeratorsnannnncr nnH Hpmnnrh pin

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 veränderlichen Induktiv!- tat ist und demnach proportional zu dem zu messenden Weg. Der zu messende Weg kann somit durch ein digitales oder ein analoges Ausgangssignal angezeigt werden. Measure of the frequency of this oscillator. The voltage at the output is increased by the rectifier stage 33 of the inductive actuator 32 is rectified and a DC voltage signal is produced at the analog output 35, which is proportional to the variable inductive act and therefore proportional to that to be measured Path. The path to be measured can thus be indicated by a digital or an analog output signal.

Die in Fig.5 dargestellte Schaltung stellt ein Realisierungsbeispiel des induktiven Stellgliedes 32 dar. Die vom Komparator 30 herkommende Rechteckspannung 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. Dies 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, abgenommen werden kann. Diese Sekundärwicklung 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 Ausgangsfrequenz direkt proportional zu dem zu messenden Weg ist.The circuit shown in Figure 5 represents an implementation example of the inductive actuator 32. The square-wave voltage coming from the comparator 30 is integrated in the integrator 50, so that at the output of the integrator 50 a current of triangular temporal Gradient is generated. This triangular current is differentiated by the transformer 51, so that am Output of this inductive actuator 32 is again a square wave voltage. This is done by that the triangular current at the output of the integrator 50 at the inductive reactance of the Primary winding again generates a square-wave induction voltage according to the induction law, which on the unloaded secondary winding comprising the same magnetic flux, from the ohmic voltage component the primary winding separated, can be removed. This secondary winding can over the Magnet coil 1 must be applied to core 3. Through the transformer tapping of the induction voltage At the same time, an undesired galvanic separation is achieved at the variable inductance. The resulting lost direct current stability of the oscillator is changed by a direct current very lightly loaded parallel branch restored. This parallel branch bridges as a resistor 52 the inductive actuator 32. Due to the integration drift of the integrator 34, there would be no resistor 52 no sufficient stability of the oscillator achievable. The advantages of using this inductive actuator 32 in the oscillator circuit are in particular that the output frequency is directly proportional to is the path to be measured.

In Fig.6 ist eine Schaltung für eine Kombination eines induKiiven 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 invertierenden 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 F i g. 6 dargestellte Anordnung in einer Schaltung nach Fig. 3 verwendet wird, ergibt sich eine Vereinfachung gegenüber einer Anordnung nach F i g. 3, in welcher anstelle des induktiven Stellgliedes 32 und Integrators 34 eine Anordnung nach Fig.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 F i g. 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 an inductive actuator 32 with the integrator 34 is shown. This circuit of an inductive integrator consists of an operational amplifier 60, which is bridged by a resistor 61 before the inverting A variable inductance 62 is connected to the input of the operational amplifier 60, for which preferably the arrangement shown in Fig. 1 can be used. The circuit is practically a reversal of a conventional differentiator, in which the inverting input of the operational amplifier is a capacitor is upstream. If the in F i g. The arrangement shown in FIG. 6 is used in a circuit according to FIG becomes, there is 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 Figure 5 is used. However, it is then the output frequency is inversely proportional to the path to be measured, i.e. proportional to the period the output frequency. In order to obtain an analog 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 a differentiator not shown in detail in the drawing differentiated to get a square wave signal again. This square wave signal is then through the Rectifier stage 33 rectified, at the output of which the analog output signal appears again.

Die in F i g. 7 dargestellte Schaltung stellt einen Komparator mit Hysterese dar, bei dem zur Verbesserung der Linearität des induktiven Gebers die Schwellspannungen + Uo bzw. -Uq beeinflußt werden. Hierfür macht man die Schwellspannungen + Ua bzw. — Uq 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. Diesel¹ zweite Operationsverstärker 74 ist durch die Parallelschaltung eines Widerstandes 75 und eines Kondensators 76 überbrückt 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 Brückenlängszweig 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. 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. 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 + LO bzw. — Uq 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 Uq 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.The in F i g. 7 represents a comparator with hysteresis, in which the threshold voltages + Uo or -Uq are influenced to improve the linearity of the inductive transmitter. For this purpose, the threshold voltages + Ua or - Uq are made frequency-dependent, ie the threshold voltages are made lower for high frequencies. The input of the comparator is connected via a resistor 70 to the inverting input of an operational amplifier 71, the output of which is connected to the inverting input of a second operational amplifier 74 via two resistors 72, 73. Diesel ¹ second operational amplifier 74 is bridged by the parallel connection of a resistor 75 and a capacitor 76 and its output is fed back to the inverting input of the first operational amplifier 71 via a resistor 77. The connection point of the two resistors 72, 73 is connected on the one hand to the output of the comparator 30 and on the other hand is connected to ground via a bridge circuit made up of four diodes 78 to 81. The oppositely polarized diodes 78, 79 represent one longitudinal branch of the bridge and the oppositely polarized diodes 80, 81 represent the other series branch of the bridge. A Zener diode 82 is connected in the transverse branch of the bridge. Without the components 75 to 76, the circuit would represent a conventional comparator known per se. The two levels of the square-wave output voltage are stabilized by the diode network 78 to 82. The voltage present at the output is fed back to the input via resistor 77 and stabilizes the new state. This feedback is delayed by the components 73 to 76, which represent a delay stage. The output voltage jumps to its opposite value exactly when the input voltage reaches the value + LO or - Uq . At a high frequency, as a result of the time delay, in particular due to the capacitor 76, the voltage at the output of the second operational amplifier 74 can no longer reach its final value. The switching process therefore takes place at input voltages whose magnitude is less than Uq . The two thresholds move together. By suitably dimensioning the components 73 to 76, an additional improvement in the linearity of the variable inductance can be achieved.

Die in F i g. 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 F i g. 3. Zwischen dem Komparator 30 und dem induktiven Stellglied 32 ist ein steuerbarer Spannungsumschalter 83 vorgesehen, an dessen beiden Spannungseingängen die Spannungen + U\ und — U\ anliegen. Der Komparator 30 steuert einen vorzugsweise elektronischen Umschalter im Spannungsumschalter 83, wodurch am induktiven Stellglied 32 abwechselnd + U\ und — U\ anliegt. Zwischen das induktive Stellglied 32 und den Integrator 34 ist ein Funktionsgenerator 84 geschaltet. Durch den Funktionsgenerator 84 ist die Spannung L/32 beliebig beeinflußbar, d. h. es können beliebige, nichtlineare Weg-Frequenzkennlinien erreicht werden. Das Ausgangssignal des induktiven Weggebers kann somit eine beliebige Funktion des Wegs darstellen. Es können z. B. auch beliebigen Parametern entsprechende Spannungen U\ dem Funktionsgenerator 84The in F i g. The arrangement shown in FIG. 8 represents a general arrangement for realizing any non-linear path-frequency characteristics. The structure and the mode of operation essentially correspond to the arrangement according to FIG. 3. A controllable voltage switch 83 is provided between the comparator 30 and the inductive actuator 32, at the two voltage inputs of which the voltages + U \ and - U \ are applied. The comparator 30 controls a preferably electronic changeover switch in the voltage changeover switch 83, as a result of which + U \ and - U \ are alternately applied to the inductive actuator 32. A function generator 84 is connected between the inductive actuator 32 and the integrator 34. The voltage L / 32 can be influenced as desired by the function generator 84, ie any non-linear displacement-frequency characteristics can be achieved. The output signal of the inductive position sensor can thus represent any function of the distance. It can e.g. B. voltages U \ the function generator 84 corresponding to any parameters

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.be entered via the inductive actuator 32, whereby the output voltage of the inductive displacement transducer is not only proportional to the path but also proportional to these parameters.

Eine Besonderheit des !Comparators ergibt sich noch dadurch, daß die Möglichkeit besteht, die Schwellspannungen und die Ausgangsspannung des !Comparators einander proportional oder identisch zu wählen. Da die Ausgangsfrequenz, bzw. die Periodendauer dieser Frequenz, proportional zu der Komparatorausg&ngsspannung und umgekehrt proportional zu der Komparatorschwellspannung ist, ist die Ausgangsfrequenz unbeeinflußbar von Schwankungen dieser Spannungen. Es können somit für die Anordnung unstabilisierte Spannungen verwendet werden.A special feature of the! Comparator results from the fact that it is possible to use the threshold voltages and to choose the output voltage of the comparator proportional or identical to each other. Since the Output frequency, or the period of this frequency, proportional to the comparator output voltage and is inversely proportional to the comparator threshold voltage, the output frequency cannot be influenced of fluctuations in these voltages. There can thus be unstabilized voltages for the arrangement be 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 variablen Induktivität 62 verbunden. Die Versorgungsspannungs-Anschlüsse des Operationsverstärkers 30 sind nicht näher dargestellt. The very simple circuitry shown in FIG Embodiment of an inductive displacement transducer contains as a combination of an inductive actuator 32 with the integrator 34, the variable inductance 62, which both via a resistor 90 to ground, such as also directly to the inverting input of an operational amplifier used as a comparator 30 connected is. The non-inverting input of the operational amplifier 30 is off with the tap on two resistors 91, 92 existing voltage divider connected. The resistor 92 is between the tap and ground, the resistor 91 is connected between the tap and the terminal 31. The output terminal 31 is both with the output of the operational amplifier 30, as well as with the variable inductance 62 connected. The supply voltage connections of the operational amplifier 30 are not shown in detail.

Die Wirkungsweise der in F i g. 9 dargestellten Schaltung entspricht prinzipiell der vorangegangenen Wirkungsbeschreibung. Liegt am Ausgang des Operationsverstärkers 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 so lange 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 erneutThe mode of operation of the in F i g. 9 corresponds in principle to the previous description of the effect. If a certain voltage is present at the output of the operational amplifier 30, it increases the current in the inductance and thus the voltage across the resistor 90 are almost linear. At the related inverting input of the operational amplifier 30, this voltage rises until the am Tapping of the voltage divider 91, 92 applied voltage value is reached. In the moment it changes the voltage value at the output of the operational amplifier suddenly changes from positive to negative voltage. As a result, a negative voltage value is present at the tap of the voltage divider 91, 92. The one at the resistor 90 and thus the voltage present at the inverting input of the operational amplifier 30 now almost increases linearly until the voltage value now at the tap of the voltage divider 91 to 93 is reached is. At that point in time, a positive voltage and again appear at the output of the operational amplifier 30 the whole process repeats itself again

Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 liegt demzufolge eine Dreieckspannung 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.Accordingly, a triangular voltage is applied to the inverting input of the operational amplifier 30 and at the output of the operational amplifier 30 and thus at the terminal 31 a square-wave voltage. This output frequency is inversely proportional to the path to be measured or the period of the square-wave voltage is proportional to the distance 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 geführt werden kann.This very simple circuit, which in addition to the variable inductance only has a single operational amplifier and requires some resistors, yet has a high linearity, a very low voltage dependence and a sufficiently low temperature dependence. Since the arrangement is just one requires very little space, the circuit can preferably be attached to the variable inductance so that a frequency is generated directly at the measuring station and from there via connecting lines can be led to an evaluation point.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Inductive displacement transducer for converting a mechanical movement into a signal, which after an arbitrarily specifiable, in particular linear function depends on the movement of the measurement object, with a magnetic coil attached to a core made of ferromagnetic material, which has a has closed or open magnetic circuit, the size of which is determined by a on the core in Depending on the movement of the object to be measured, the movable short-circuit ring can be changed, whereby the inductance of the single magnetic coil (1) is changed, characterized in that that there is an air gap between the legs (7, 8) of the core connected by a yoke (2) of different widths (1)

2. Inductive displacement transducer according to claim 1, characterized in that the width (!) Of the air gap (9) extends in particular between two areas {x \, χ $) of constant width from one area (λι) to the other area (λ ₃ ) changes linearly.

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 through solenoid (1) and Core (3) formed inductance arranged in an oscillator (30,32,34) and this inductance through the short-circuit ring (4) can be influenced

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

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

8.1 inductive displacement transducer according to claim 1, characterized 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.

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