DE2946062A1

DE2946062A1 - Messeinrichtung zur kontaktfreien erfassung des abstandes einer metallischen flaeche von einer gegenflaeche und auswerteverfahren fuer eine solche messeinrichtu ng

Info

Publication number: DE2946062A1
Application number: DE19792946062
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dr. Klaus 7016 Gerlingen Dobler; Ing.(grad.) Hansjörg 7251 Weissach Hachtel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-11-15
Filing date: 1979-11-15
Publication date: 1981-05-27
Also published as: JPS5684501A; IT8025900A0; FR2469698A1; IT1134212B; GB2063485A

Description

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5.11". 1979 Lr/Sm

ROBERT 3QSCH GM3H, 7OOO Stuttgart 1

Meßeinrichtung zur kontaktfreien Erfassung des Abstandes einer metallischen Fläche von einer Gegenfläche und Auswerteverfahren für eine solche Meßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur kontaktfreien Erfassung des Abstandes einer metallischen Fläche von einer Gegenfläche, insbesondere des Abstandes einer elastischen Membran eines Druckgebers, von dem die Membran tragenden Gebergehäuse.

Zu den bekannten, berührungslosen Abstands-Meßmethoden zwischen einem Sensor und einem metallischen Körper gehört das Wirbelstrom-Meßverfahren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf diesem Wirbelstrom-Meßverfahren beruhende Meßeinrichtung zu schaffen, welche wirtschaftlich in Serienprodukten, insbesondere bei in Kraftfahrzeugen verwendbaren Druckgebern eingesetzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß auf der der Fläche zugekehrten Oberseite der Gegenfläche eine spiralförmige elektrische Spule angeordnet ist. Zweckmäßig kann die - vorzugsweise ebene - Gegenfläche von einem nichtmetallischen, vorzugsweise aus Isolierstoff bestehenden Träger

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gebildet sein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spule auf dem Träger aufgedampft oder aufgedruckt ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann für die Meßeinrichtung eine Auswerteschaltung vorgesehen sein, bei welcher zur Speisung der Spule ein Generator zur Erzeugung einer Oszillator-Spannung von 10 KHz bis etwa 10 MHz, vorzugsweise von etwa 200 KHz vorgesehen ist; ferner daß die Spule über einen Vorwiderstand an den Generator angeschlossen ist und daß parallel zur Spule ein Gerät zur Erfassung der an der Spule entstehenden, sich abstandsabhängig ändernden Restspannung angeschlossen ist. In weiterer Ausgestaltung aer Erfindung ist vorgesehen, daß die Auswerteschaltung einen an die Spule angeschlossenen Gleichrichter, insbesondere eine Diode umfaßt und daß hinter dieser Diode bzw. diesem Gleichrichter eine Siebkette angeschlossen ist, die als Tiefpaß arbeitet und aus mindestens einem, in einem Querzweig angeordneten Speicherkondensator und einem parallel zu diesem liegenden Entladewiderstand sowie einem mit dem Gleichrichter in Reihe liegenden Längswiderstand und einem an diesen angeschlossenen Querkondensator besteht.

Für die Ausbildung starker Wirbelströme in der ihren Abstand von der Spule ändernden Fläche ist es besonders vorteilhaft, wenn der Generator in. weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Rechteckspannung liefert. Hierzu kann der Generator vorteilhaft als astabiler Multivibrator ausgebildet sein.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles, eines nach dem Wirbelstrom-Verfahren arbeitenden Druckgebers, näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen: Figur 1 den Druckgeber teilweise in schematischer Darstellung und im Querschnitt, Figur 2 eine Auswerteschaltung

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und Figur 3 mehrere Zeitschaubilder zur Darstellung der an den .einzelnen Stufen der Auswerteschaltung entstehenden Spannungen. Die Figuren ¹I bis 6 zeigen weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele .

Der Druckgeber nach Figur 1 hat einen aus Keramik-AlpO, hergestellten Träger 1, auf dessen plane Oberseite 2 eine festhaftende, lötfähige Schicht 3 aufgebracht ist. Auf der Schicht 3 sitzt ein in Wirklichkeit nur etwa 1,5 mm starkes, gehärtetes Blech i\ auf, dessen auf der Schicht 3 aufsitzende, umlaufende Randzone 5 durch eine ausgeätzte Ringnut 6 abgesetzt ist. Die Ätztiefe der Ringnut 6 ist so groß gewählt, daß gegenüber der Randzone 5 ein nur sehr dünner Steg 7 verblieben ist, gegenüber welchem das Zentrum 8 des Plättchens k abgegrenzt ist. Diese Zentrumsf^.äche 8 weist gegenüber den Randzonen 5 eine verringerte Stärke auf und kann sich infolge der inneren Stege 7 gegen den Träger 1 umsostärker durchbiegen und den gegenüber dem Träger verbleibenden Abstand verringern, je größer der auf die Platte H einwirkende, mit der Meßeinrichtung zu messende Druck ρ ist.

Zur Messung des Druckes ρ und der von diesem verursachten Verringerung des Abstandes der Zentrumsfläche 8 vom Träger 1 nach dem Wirbelstrom-Meßverfahren ist auf die der Zentrumsfläche 8 gegenüberliegende Oberseite eine Spule 10 aufgebracht, die aus einer Vielzahl von spiralförmig verlaufenden Windungen besteht und luftdicht aus dem Träger 1 nach hinten herausgeführte Anschlüsse 11 und 12 hat.

Im einzelnen ist der Durchmesser des Leiters der Spule 10 •sehr klein gewählt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Spule 10 aus sehr schmalen nur etwa 0,05 mm starken Leiterbahnen, die entweder aufgedampft oder aufgedruckt oder in dem aus der Dünnschichttechnik bekannten Ätzverfahren unter Verwendung von Fotolack aus einer zusammenhängend auf-

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gebrachten Leiterschicht aus Kupfer oder dergleichen ausgeätzt sind.

Wenn die Spule 10 von einem Wechselstrom genügend hoher Frequenz durchflossen wird, induziert das von der Spule erzeugte Magnetfeld in der Zentrumsfläche 8 der wie eine Membran wirkenden Platte ¹J Wirbelströme, die umsostärker sind, je mehr die Zentrurnsfläche gegen die Spule 10 durchgedrückt wird. Diese Wirbelströme haben zur Folge, daß die Impedanz der Spule 10 wesentlich erniedrigt wird.

Um die Veränderung der Impedanz der Spule 10 messen und dabei den auf die Platte 4 einwirkenden Druck ρ erfassen zu können, ist'in der in Figur 2 dargestellten Auswerteschaltung ein RC-Multivibratör 20 vorgesehen, der als Ausgangsspannung eine rechteckförmige Schwingung der bei 21 angedeuteten Art liefert, die eine Frequenz f von etwa 200 KHz bei einer Amplitude von 5 V hat. An den Rechteckspannungsgenerator 20 ist über einen Vorwiderstand Rl die Spule 10 angeschlossen, die ihren Widerstandswert umsomehr ändert, je geringer ihr Abstand zu dem bei 9 angedeuteten Membranteil ist. Im· obersten Linienzug der Figur 3 ist der Verlauf der Rechteckspannung U über der Zeit t dargestellt, während der darunter liegende Linienzug den Verlauf des Spannungsabfalls U. darstellt, welcher hinter dem Widerstand Rl an der Spule 10 entsteht. Dieser Spannungsabfall wird als Meßsignal verwendet und mittels einer Diode D gleichgerichtet und auf einem Kondensator Cl gespeichert. Die Größe des parallel zum Kondensator Cl liegenden Widerstand R2 legt im wesentlichen die Entladegeschwindigkeit der im Kondensator Cl gespeicherten Elektrizitätsmenge fest und bestimmt damit - zusammen mit dem nachgeschaltenen Tiefpaß R3 und C2 - die Grenzfrequenz der Auswerteschaltung.

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An diesem entsteht somit eine Ausgangs-Gleichspannung Ua, welc"he umsogrößer ist, je größer der Abstand der Membranplatte 4 bzw. deren Zentralfläche 8 von der Spule 10 ist.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung und Auswerteschaltung besteht darin, daß sich die Ausgangsspannung U um etwa 180 mV nahezu linear ändert, wenn dieser a

Abstand zwischen 0 und I¹IO ,um geändert wird, v;obei diese Werte mit einer Geberspule 10 von 12 mm Durchmesser erzielt werden kennen.

In gleicher Weise wie bei dem oben beschriebenen, als Druckgeber vorgesehenen Ausführungsbeispiel können mit einer Spule 10 auch andere Abstandsänderungen nach dem Wirbelstromverfahren erfaßt und mit der angegebenen Auswerteschaltung in eine elektrische Steuer- oder Regelgröße umgewandelt werden, wobei lediglich sichergestellt zu werden braucht, daß in einer gegenüber der Spule in ihrem Abstand veränderbaren Fläche V/irbelströme induziert werden können.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können sich unter umständen Schwierigkeiten ergeben, die als Membran dienende metallische Platte auf dem Träger 1 druckdicht zu befestigen, besonders wenn der Träger 1 aus Keramik besteht.

Figur ¹I zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Träger an der Boden-Innenseite eines im Querschnitt U-förmigen, druckstabilen Bechers 23 befestigt ist. Gegen den stirnseitigen Rand 2¹I des Bechers 23 ist die Randzone 5 der als Membrane dienenden Platte ¹I gelegt und mit einer Löt- oder Schweißstelle 25 mit dem Becher verbunden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist im Gegensatz zu Figur ¹I der Träger 1 der Spule 10 nicht am Boden des Bechers

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23, sondern in einem nahe dem Rand 24 des Bechers 23 liegenden,· offenen Einpaß 27 aufgenommen, dem ein etwa gleichtiefer Einpaß 28 im Rand 5 der Platte 4 gegenübersteht und . die zweite Spannfläche für den Träger 1 bildet. Wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel kann daher mit einer Löt- oder Schweißverbindung 25 ein gegenseitiger druckdichter Abschluß zwischen den beiden Metallteilen 4 und 23 erzielt werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist eine symmetrische Ausbildung des Trägers 1 vorgesehen, da dieser auch auf seiner dem Boden des Bechers 23 zugekehrten Rückseite eine Spule 30 trägt und der Boden 31 des Bechers 23 durch eine umlaufende, ausgeätzte Nut 36 zu einer sich druckabhängig gegenüber dem Träger 1 verstellenden Membran ausgebildet ist. In der ebenso wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen am Rand zwischen den beiden Metallplatten 4 und 23 mit einer Schweiß- oder Lötverbindung 25 druckdicht abgeschlossenen Anordnung nach Figur 6 ergibt sich ein erhöhtes Meßsignal, das in der Auswerteschaltung nach Figur 2 ausgewertet werden kann.

Die Verwendung einer rechteckförmigen Wechselspannung weist folgende Vorteile auf:

a) Wesentlich einfachere Herstellung des Trägersignals durch einen Multivibrator,

b) die Frequenz des Trägersignals beeinflußt in einem weiten Bereich (z. B. von 10 kHz - 1 MHz) nicht oder nur unwesentlich die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung,

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c) Geber, die wegen ihrer kleinen Induktivität zur Erzeugung einer auswertbaren Empfindlichkeit mit einem sehr hochfrequenten sinusförmigen Wechselstrom gespeist werden - müßten, können mit einem, vergleichsweise dazu sehr niederfrequenten, rechteckförmigen Trägersignal betrieben werden.

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Claims

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Ansprüche

{ l.^Meßeinrichtung zur kontaktfreien Erfassung des Abstandes einer metallischen Fläche von einer Gegenfläche, insbesondere des Abstandes der elastischen Membran eines. Druckgebers, von dem die Membran tragenden Gebergehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Fläche (M, 8) zugekehrten Oberseite (2) der Gegenfläche (1) eine spiralförmige, elektrische Spule (10) angeordnet ist.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die - vorzugsweise ebene - Gegenfläche (1, 2) von einem nichtmetallischen, vorzugsweise aus Isolierstoff bestehenden Träger gebildet ist.

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3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (10) auf dem Träger (1) aufgedampft oder aufgedruckt ist.
¹J. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Spule (10) ein Generator (20) zur Erzeugung einer Oszillatorspannung von 100 KHz bis etwa 10 MHZj vorzugsweise von etwa 200 KHz vorgesehen ist und daß die Spule (10) über einen Vorwiderstand (Rl) an den Generator angeschlossen ist und daß parallel zur Spule ein Gerät zur Erfassung der an der Spule entstehenden sich abstandsabhängig ändernden Restspannung (U₁) angeschlossen ist.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Spule (10) ein Gleichrichter, insbesondere eine Diode (D), und hinter dem Gleichrichter eine Siebkette angeschlossen ist, die aus mindestens einem in einem Querzweig angeordneten Speicherkond«nsator (Cl) und einem parallel zu diesem liegenden Entlädewiderstand besteht,
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Entladewiderstand (R2) und dem Gleichrichter (D) ein in Reihe mit diesem liegender Längswiderstand (R3) und ein an diesem angeschlossener Querkondensator (C2) vorgesehen ist.

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7. Meßeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (20), der eine Rechteckspannung (21) liefert, insbesondere als astabiler Multivibrator ausgebildet ist.
8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) an der Innenseite des Bodens eines vorzugsweise aus Metall bestehenden Bechers (23) angeordnet ist.
9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Becher (23) angeordnet ist, der in der Nähe seines Randes einen offenen Einpaß (27) enthält, in welchen der Träger (1) mit seiner Randzone eingesetzt ist.
10. Meßeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (A) einen Einpaß (28) enthält, in welchen der Träger (1) eingesetzt ist.
11. Meßeinrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Boden (3D des metallischen Bechers (23) eine umlaufende Nut (36) eingeätzt ist, durch welche der als Membran wirkende zentrale Abschnitt (31) des Bodens gegenüber dem Rand des Bechers (23) abgegrenzt ist.

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12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß'der Becher (23) an seinem gegen die Platte (4) anliegenden Rand (24) mit einer Schweiß- oder Lötverbindung (25) abgedichtet ist.

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