DE2924092C2 - Induktiver Differentialweggeber mit analoger Auswerteschaltung - Google Patents

Induktiver Differentialweggeber mit analoger Auswerteschaltung

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen induktiven Differentialweggeber mit zwei jeweils U-förmigen Eisenteilen, von denen jeder auf einem seiner beiden Schenkel eine Spule trägt und einen Kurzschlußring aufweist, der zum Verändern der Induktivität der zugehörigen Spule entlang dem Schenkel verstellbar ist. Derartige Differentialweggeber sind beispielsweise aus der DE-AS 23 52 851 bekannt und können vorteilhaft beim Betrieb von Brennkraftmaschinen verwendet werden. Erwünscht ist vielfach, wie beispielsweise bei der elektronischen Zündverstellung, eine frequenzanaloge Auswertung der sich wegabhängig ändernden Induktivität, mit welcher mit steigendem Unterdruck im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine im genannten Anwendungsfalle eine wachsende Frequenz erzeugt werden kann, was eine erhöhte Eigensicherheit mit sich bringt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Differentialweggeber mit zugehöriger Auswerteschaltung zu schaffen, durch welche eine hochgenaue Umwandlung einer Wegstrecke oder eines Drehwinkels in die gewünschten elektrischen Größen möglich ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen.
  • Vorteilhaft ist es, daß sich äußere Umstände, beispielsweise eine Betriebsspannungsänderung, eine Temperaturänderung, Alterungseinflüsse, Änderung der Materialparameter für beide Induktivitäten L 1 und L 2 gleichermaßen auswirken und deshalb den sowohl in der Frequenz f wie auch der Periodendauer P sich ausdrückenden Quotienten der beiden Induktivitäten nicht beeinflussen können.
  • Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den nachstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • In Fig. 1 ist ein Differentialweggeber schematisch dargestellt, dessen Eisenkern aus zwei U-förmigen Teilkernen 1 und 2 besteht und aus entsprechend gestanzten Blechlamellen geschichtet ist. Die beiden Teilkerne sind zueinander symmetrisch ausgebildet und haben jeweils ein Jochstück 3 bzw. 4, die durch eine schmale Aussparung 5 voneinander auf einem Großteil ihrer Länge magnetisch getrennt, jedoch an den Enden der Aussparung 5 durch Stege 6 und 7 magnetisch miteinander verbunden sind. Von dem Jochstück 3 des rechten Kernteils 1 stehen zwei zueinander parallele, prismatische Schenkel 8 und 9 ab, von denen der Schenkel 9 eine nahe dem Jochstück 3 angeordnete Spule 10 trägt. Die Induktivität L 1 dieser Spule kann mit Hilfe eines die beiden Schenkel 8 und 9 umfassenden Kurzschlußringes 11 in Abhängigkeit von dem Meßweg s 1, beispielsweise einer an das Ansaugrohr einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeschlossen, den dort herrschenden Unterdruck messenden Barometerdose verändert werden.
  • Zum linken Kernteil 2 gehören zwei ebenfalls prismatische, von dem gemeinsamen Jochstück 4 abstehende Schenkel 12 und 13, in welche eine als Kurzschlußring 14 dienende Kupferplatte 14 so aufgesteckt ist, daß diese Schenkel durch die bei 15 und 16 hindurchragenden Schenkel 12 und 13 ohne Kontakt mit der Platte 14 hindurchragen. Auf den beiden Schenkeln 12 und 13 sitzt je eine von zwei gleich großen Teilwicklungen 17 und 18, welche mit gegensinniger Polung hintereinandergeschaltet sind und dadurch die von dem unvermeidlichen Gleichstrom I g erzeugte Magnetisierung unwirksam machen. Die beiden Teilwicklungen ergeben zusammen die eingangs genannte zweite Spule, deren Gesamtinduktivität mit L&sub2; bezeichnet ist und als Vergleichswert bei der Auswertung der wegabhängigen Induktivität L&sub1; der Spule 10 mittels der Kupferplatte 14 abgeglichen werden kann.
  • Der Wirkwiderstand der beiden Teilwicklungen 17 und 18 muß ausreichend groß sein, damit durch den überlagerten Gleichstrom I g keine thermische Überlastung dieser Wicklungen auftreten kann.
  • In der in Fig. 2 schematisch wiedergegebenen Auswerteschaltung, die zum Betrieb an einer einzigen Batterie mit der Versorgungsspannung U B bestimmt ist, wird diese an das Wicklungsende 21 der Teilwicklung 17 angelegt, während das Wicklungsende 23 der Teilwicklung 18 über eine gemeinsame Masseverbindung an dem negativen Pol einer nicht näher dargestellten, zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs dienenden Batterie angeschlossen ist. Vom Verbindungspunkt 22 führt die Wicklung 10, deren veränderbare Induktivität in Fig. 2 bei L&sub1; angedeutet ist, zu dem Ausgang 25 eines Operationsverstärkers O 1, dessen nichtinvertierender (Plus-) Eingang 26 mit dem Verbindungspunkt 22 der beiden Teilwicklungen 17 und 18 verbunden ist. Vom Ausgang 25 des Operationsverstärkers O 1 zur Masse führt die Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einem Integrier-Kondensator C, wobei der Widerstand R und dieser Kondensator mit dem invertierenden (Minus-) Eingang 27 des Operationsverstärkers verbunden ist.
  • Am Ausgang 25 des Operationsverstärkers O 1 entsteht eine Rechteckspannung U A , deren Periodendauer T in Fig. 2 bei der Ausgangsspannung U A angedeutet ist. Die als Kehrwert der Periodendauer geltende Frequenz °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;stellt somit die frequenzanaloge Auswertung der jeweils im Differentialweggeber eingestellten Induktivitäten L 1 der Spule 10 und der Gesamtinduktivität L 2 der zweiten aus den Teilwicklungen 17 und 18 gebildeten zweiten Spule 19 dar.
  • Die frequenzanalog arbeitende Auswerteschaltung für zwei Batteriespannungen nach Fig. 3 unterscheidet sich trotz der abweichenden Darstellung des Komparators 30 im wesentlichen nur dadurch, daß dort die veränderbare, wegabhängige Induktivität L 1 des bei 31 mit unterbrochenen Linien angedeuteten Differential-Kurzschlußringgebers 31 in Reihe geschaltet ist mit der fest eingestellten, den Vergleichswert bildenden Induktivität L 2 der zweiten Wicklung 19 und daß der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Spulen 10 und 19, der mit 33 bezeichnet ist, unmittelbar zum Pluseingang 36 des Komparators 30 geführt ist, während der Ausgang 35 des Komparators mit dem Widerstand R eines Integriergliedes 32 verbunden ist, dessen zugehöriger Kondensator C mit Masse verbunden und ebenso wie der Widerstand R über eine die Integratorspannung U 3 nach Fig. 4 führende Leitung 34 an den Minuseingang 37 des Komparators angeschlossen ist.
  • Die Frequenz f der rechteckförmigen Ausgangsspannung U A am Ausgang 35 des Komparators 30 hat dann ebenfalls den Wert °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wie in Fig. 4 angedeutet. Die Schaltung nach Fig. 4 hat den Vorteil, daß der Spulenstrom keinen Gleichanteil enthält, der die Spule thermisch belastet.
  • Der in Fig. 5 wiedergegebene Halbdifferential-Kurzschlußringgeber 40 ist für eine elektronische Dieselpumpenregelung vorgesehen und dient als Reihenpumpen-Vollastanschlag. Er hat einen aus gestanzten Blechlamellen geschichteten Eisenkern, welcher zwei durch hohe magnetische Widerstände voneinander getrennte Teilkerne 41 und 42 enthält. Jeder dieser Teilkerne ist E-förmig ausgebildet. Der Teilkern 41 hat zwei Außenschenkel 44, 45 und einen Mittelschenkel 46 sowie ein als drei Schenkel verbindendes Jochstück 47. Auf den Mittelschenkel 46 ist nahe beim Jochstück 47 eine Spule 48 angeordnet, deren in Fig. 5 bei L 2 angedeutete Induktivität durch einen auf dem Mittelschenkel gegen die Spule verschiebbaren Kurzschlußring 49 auf einen Wert justiert werden kann, der etwa in der Mitte des Verstellbereiches der Induktivität L 1 der zum rechten Teilkern 42 gehörenden Spule 50 liegt. Der rechte Teilkern 42 hat zwei Außenschenkel 51 und 52 sowie einen die Spule 50 tragenden Mittelschenkel 52, der prismatisch ausgebildet ist und mit den beiden Außenschenkeln 51 und 52 durch ein Jochstück 54 verbunden ist. Den Mittelschenkel 53 umgreift mit radialem Spiel ein Kurzschlußring 55, der an der Stirnseite eines aus Isolierstoff hergestellten Hohlzylinders 56 sitzt. Dieser ist mit der Stellstange einer nicht dargestellten Diesel-Einspritzpumpe gekuppelt und überträgt deren Verstellweg s auf den Kurzschlußring 55. Unter dem Einfluß dieses Meßkurzschlußringes 55 wird die Induktivität L 1 der Spule 50 in Abhängigkeit vom Verstellweg s verändert. Um einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen der veränderbaren Induktivität L 1 und dem Verstellweg s zu erzielen, sind die Außenschenkel 51 und 52 im Bereich ihrer freien Endzonen soweit verbreitert, daß dort der radiale Abstand zu dem Mittelschenkel 53 mit zunehmender Entfernung von der Spule 50 verkleinert wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Außenschenkel 51 und 52 durch wenigstens annähernd zylindrisch verlaufende Innenflächen 57 begrenzt.
  • Um eine verringerte magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen 48 und 50 zu erzielen, ist zwischen dem Jochstück 47 des linken Kernteils 41 und dem Außenschenkel 51 des rechten Teilkerns 42 eine schmale, den Kern 40 auf seiner ganzen Stärke durchsetzende Aussparung 58 vorgesehen. Die Länge dieser Aussparung ist durch schmale Stege 49 begrenzt, über welche die beiden Kernteile 41 und 42 miteinander mechanisch und magnetisch verbunden sind.
  • Zur analogen Auswertung der Induktivitätswerte kann neben der in Fig. 2 dargestellten auch die in Fig. 6 dargestellte elektronische Schaltung verwendet werden. Diese enthält einen Operationsverstärker O 2 und einen zweiten Operationsverstärker O 3. Beim ersten dieser beiden Operationsverstärker ist der nichtinvertierenden (Plus-) Eingang 61 über einen Widerstand R 1 mit dem Ausgang 60 verbunden. Der Ausgang 60 dieses Operationsverstärkers ist über die eine der beiden, in Fig. 6 mit Lx angedeutete Induktivität mit dem Minuseingang 62 des zweiten Operationsverstärkers O 3 verbunden und liegt in Reihe mit der zweiten Induktivität Ly, die vom Minuseingang 62 des zweiten Operationsverstärkers O 3 zu dessen Ausgang 63 führt. Dieser ist über einen Widerstand R und einen Kondensator C mit dem Pluspol einer nicht dargestellten Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs verbunden, welche die Betriebsspannung U B liefert. Vom Verbindungspunkt 64 des Kondensators C und des Widerstands R führt eine Rückkopplungsleitung 65 zum Minuseingang 66 des ersten Operationsverstärkers, dessen Pluseingang 61 außerdem über einen zweiten Widerstand R 1 an einen aus zwei Widerständen R 2 und R 2&min; gebildeten Spannungsteiler über der Betriebsspannung U B angeschlossen ist.
  • In Fig. 7 sind die Spannungsverläufe am Ausgang 60 des ersten Operationsverstärkers O 2 im obersten Schaubild dargestellt. Die zugehörige Spannung am Pluseingang 61 des ersten Operationsverstärkers ist durch den Linienzug 61 in der zweiten Linie dargestellt. Am Ausgang 63 des zweiten Operationsverstärkers O 3 ergibt sich dann der in der dritten Zeile wiedergegebene Spannungsverlauf, bei welchem eine Amplitude von der Größe @O:°KLy:Ly&udf54; · U B entsteht. Aus der in der letzten Zeile der Fig. 7 angegebenen Steigung des Spannungsverlaufs am Punkte 64 können die dort im einzelnen näher angegebenen Zusammenhänge abgeleitet werden. Danach ergibt sich, wenn an der Stelle der Induktivität Ly die nach Fig. 5 variable, wegabhängige Induktivität L 1 gesetzt wird, daß dann die Frequenz f proportional zu dieser Induktivität ist. Wenn dagegen anstelle der Induktivität Lx die variable Induktivität L 1 verwendet wird, daß die Periodendauer T proportional zur veränderbaren Induktivität L 1 ist.
  • Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Differentialweggebers und der geschilderten Auswerteschaltungen besteht darin, daß sich die äußeren Umstände, beispielsweise die Betriebsspannung Ub, die Temperatur, Alterung, Schwankung der Materialparameter und andere Einflüsse für beide Induktivitäten L 1 und L 2 gleichermaßen auswirken und deshalb den sowohl in der Frequenz f wie auch in der Periodendauer T sich ausdrückenden Quotienten der beiden Induktivitäten nicht beeinflussen können.

Claims (9)

1. Induktiver Differentialweggeber mit zwei jeweils U-förmigen Eisenteilen, von denen jeder auf einem seiner beiden Schenkel eine Spule trägt und einen Kurzschlußring aufweist, der wenigstens einen der Schenkel umfaßt und zum Verändern der Induktivität der zugehörigen Spule entlang dem Schenkel verstellbar ist, und mit einer Auswerteschaltung, die an ihrem Ausgang eine Rechteckschwingung liefert, deren Frequenz oder Periodendauer sich analog mit der Induktivität wenigstens einer der beiden Spulen ändert, dadurch gekennzeichnet, daß
a) die beiden Spulen (17, 18) zueinander in Reihe geschaltet an den Ausgang eines Komparators (O 1, O 3) angeschlossen sind,
b) einer der beiden Eingänge des Komparators mit dem Ausgang durch eine der beiden Spulen verbunden ist
c) am Ausgang des Komparators außerdem ein Widerstand (R) angeschlossen ist, der mit einem Kondensator (C) in Reihe liegt und mit diesem ein RC-Integrierglied bildet.

2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine (16 bis 19, 48) der beiden Spulen mit dem ihr zugeordneten Kurzschlußring (14, 49) auf eine als Vergleichswert dienende Induktivität (L 2) eingestellt ist und daß der zur anderen Spule (10, 50) gehörende Kurzschlußring (11, 55) in Abhängigkeit von dem zu messenden Weg (s) auf seinem Schenkel (8, 9, 53) längsverschiebbar ist.
3. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Vergleichswert eingestellte Spule (19) in zwei Spulenhälften (17, 18) unterteilt ist, die mit gegensinniger Polung hintereinandergeschaltet sind.
4. Geber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulenhälften (17, 18) an einer Betriebs- Gleichspannung (U B ) liegen und daß der Ausgang (25) eines als Komparator verwendeten Operationsverstärkers (O 1) über die Spule (10, 50) mit wegabhängig veränderbarer Induktivität (L 1) an den Verbindungspunkt beider Spulenhälften (22) angeschlossen und außerdem der Pluseingang (26) des Operationsverstärkers an diesem Verbindungspunkt angeschlossen ist, wobei vom Ausgang (25) ein Widerstand (R) zu einem mit dem negativen Betriebspotential (-U B ) verbundenen Kondensator (C) führt, an den außerdem der Minuseingang (27) des Operationsvertärkers angeschlossen ist.
5. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zwei Operationsverstärker (O 2), (O 3) enthält, von denen der erste (O 2) an seinem Ausgang (60) mit dem Minuseingang (62) des zweiten Operationsverstärkers (O 3) über eine (Lx) der beiden Spulen (Lx, Ly) verbunden und gleichzeitig über einen Widerstand (R 1) mit seinem Pluseingang und dieser über einen - vorzugsweise gleichgroßen - Widerstand mit dem Abgriff eines Spannungsteilers (R&sub2;/R&min;&sub2;) verbunden ist und daß der zweite Operationsverstärker (O 3) in einem von seinem Ausgang (63) zu seinem Minuseingang (62) führenden Rückkopplungszweig die andere Spule (Ly) enthält, wobei der Pluseingang des zweiten Operationsverstärkers (O 3) an dem Abgriff eines zweiten Spannungsteilers (R T ; R T ) liegt und der Ausgang (63) des zweiten Operationsverstärkers über einen Widerstand (R) an einen mit einer Betriebsspannung (+U B ) verbundenen Kondensator (C) angeschlossen ist, wobei von diesem Kondensator und diesem Widerstand ein zum Minuseingang (66) des ersten Operationsverstärkers (O 2) führender Rückkopplungskreis (65) - vorzugsweise eine Rückkopplungsleitung - abzweigt.
6. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zwei E-förmige Kernteile (41, 42) hat, von denen jeder zwei Außenschenkel (44, 45, bzw. 51, 52), einen Mittelschenkel (46 bzw. 53) sowie ein alle drei Schenkel verbindendes Jochstück (47 bzw. 54) aufweist, daß das Jochstück (47) eines der Kernteile mit einem Außenschenkel (51) des anderen Kernteils magnetisch leitend verbunden ist und daß jede der beiden Spulen (48 bzw. 50) sowie ihr Kurzschlußring (49 bzw. 55) auf je einem der beiden Mittelschenkel angeordnet sind.
7. Geber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spule (50) mit wegabhängiger Induktivität (L 1) tragende Kernteil (42) an den Endabschnitten seiner Außenschenkel (51, 52) einen kleineren Abstand zu seinem Mittelschenkel (53) aufweist als an den mit dem Jochstück (54) verbundenen Abschnitten der Außenschenkel.
8. Geber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschenkel (51, 52) einen kontinuierlich gegen die Schenkelenden verkleinerten Abstand aufweisen, insbesondere an ihren dem Mittelschenkel (53) zugekehrten Innenteilen auch wenigstens annähernd zylindrische Flächen (57) begrenzt sind.
9. Geber nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Jochstück (47) des einen Kernteils und dem Außenschenkel (51) des anderen Kernteils eine Aussparung (58) vorgesehen ist, die jeweils an ihrem Ende auch schmale Stege (59) begrenzt ist, über welche das Jochstück mit dem Außenschenkel magnetisch leitend verbunden ist.
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