DE3100598A1

DE3100598A1 - Mechanisch-elektrischer wandler

Info

Publication number: DE3100598A1
Application number: DE3100598A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing Grad Balcke; Werner Dipl Ing Dr Herden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-09-20
Filing date: 1981-01-10
Publication date: 1982-07-15
Also published as: DE8025282U1

Description

R. 668 5

7.10.1980 Wt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Mechanisch-elektrischer Wandler
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Wandler nach der Gattung des Hauptanspruches.

Es ist bekannt, zur Messung von Drücken mechanisch-elektrische Wandler zu verwenden, die eine Druckdose aufweisen, deren eine, druckabhängig auslenkbare Membran ein magnetfeldempfindliches Bauelement aufweist,- das im Abstand.zu einem oder mehreren Magneten angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist in der deutschen Patentanmeldung P 29 13 935.3 beschrieben.

Bei derartigen Anordnungen ist die Kennlinie Druck/ Auslenkung der Membran linear, die Kennlinie Auslenkung des Bauelementes/Induktion und damit Ausgangssignal des magnetfeldempfindlichen Bauelementes je-

doch nichtlinear, so daß sich insgesamt eine nichtlineare Kennlinie Druck/Ausgangssignal ergibt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine lineare Kennlinie Eingangsgröße/Ausgangsgröße dadurch erzielt -wird, daß je nach zu messender Größe die Kennlinie des magnetfeläempfindlichen Bauelementes entsprechend eingestellt wird. Hierdurch ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Geher unmittelbar Ar-zeigeelemente oder Regelschaltungen zu "betreiben, ohne eine Kennlinienentzerrung vornehmen zu müssen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Wandlers möglich. So wird im Fall der Messung eines Gasdrucks als Bauelement erfindungsgemäß eine Feldplatte im parabolischen Kennlinienbereich verwendet, da auf diese Weise die hyperbolische Abhängigkeit des Ausgangssignales von der Auslenkung der Membran kompensiert wird. Durch geeignete Wahl des Bauelementes bzw. dessert Kennlinienbereiches ist es demnach möglich, ohne jegliche weitere Bauelemente eine lineare Kennlinie zu erzeugen.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases wird erfindungsgemäß der Unterdruck an einer Engstelle eines Venturi-Rohres gemessen. Dabei wird die quadratische Abhängigkeit des Unterdrucks von der Strömungsgeschwindigkeit durch die hyperbolische Abhängigkeit

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des Ausgangssignales eines linearen magnetfeldempfindlichen Elementes von der Auslenkung der Membran kompensiert.

In gleicher Weise wird erfindungsgemäß die Höhe, beispielsweise in einem Flugzeug, gemessen, da die Abhängigkeit des Luftdrucks von der Höhe ebenfalls quadratisch ist. In diesem Fall ist es zusätzlich möglich, die Sink/ Steiggeschwindigkeit des Flugzeuges dadurch zu messen, daß das ermittelte Ausgangssignal auf eine Differenzierstufe geführt wird.

Insgesamt sind damit gegenüber den bekannten mechanischen Mc··firj.nordnun^cn für Strömungsgeschwindigkeit , Höhe und Eink/Steiggeschwindigkeit durch das Fehlen reibungsbehafteter mechanischer Elemente absolut hysteresefreie Messungen möglich, wobei die Auflösung der Meßgröße durch geeignete Wahl der Bauelemente und des Wandlers sehr gering gehalten werden kann. Gegenüber den bekannten mechanischen Systemen ist darüber hinaus die insgesamt lineare Kennlinie des Wandlers von Vorteil, die sich bei mechanischen Systemen nur mit großem Aufwand erreichen läßt. Außerdem ergibt sich durch die wenigen verwendeten Bauelemente eine einfache und damit kostengünstige Fertigung, wob'ei durch geeignete, in den Unteransprüchen genannte Maßnahmen ein besonders temperaturstabiles Verhalten erzielbar ist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er] au t.crt. Ki-. !',fipcn: Figur 1 eine erste Ausführungsform rim·.·; f rf i ml uiigMKcnmiU'!) Wiindlt-r s ; Figur 2 eine zweite Ausführungsform eiiiec erfindungsgemäßen Wandlers; Figur 3

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eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers; Figuren h "bis T Diagramme zur Erläuterung der Linearisierung der Gesamtkennlinie der erfindungsgemäßen Wandler; Figur 8 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers; Figur 9 eine Schnittzeichnung einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers; Figur 10 den Stromlaufplan einer ersten Schaltung zur Auswertung des Ausgangssignales eines erfindungsgemäßen Wandlers; Figur 11 einen Stromlaufplan einer zweiten Ausführungsform einer Schaltung zur Auswertung des Ausgangssignales eines erfindungsgemäßen Wanlders; Figur 12 einen Stromlaufplan einer dritten Ausführungsform einer Schaltung sur Auswertung des Ausgangssignales eines erfindungsgemäßen Wandlers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist mit 10 ein Gehäuse einer ersten Ausführungsforn eines erfindungsgemäßen Wandlers "bezeichnet. Im Gehäuse "befindet sich eine Druckdose 11, an die ein Stutzen 12 angeschlossen ist. An einer Membran der Druckdose 11 ist ein Magr.e~, vorzugsweise ein Magnet einer Kobalt-Seltene Erden-Legierung, etwa CoSm, angebracht. Im Abstände dazu befindet sich eis magnetfeldempfindliche::: Bauelement 1 )i , das über eine Öffnung im Gehäuse 10 mit einem Anschluß 15 verbunden ist.

Im Gegensatz zu dem.in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers ist bei dem in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel die Druckdose 11 durch einen Verschluß 16 hermetisch verschlossen und der Stutzen 12 führt zum Gehäuseinneren, wobei die Zuleitung des magnetfeidempfindlichen Bauelementes 1k durch eine Dichtung 18 nach außen geführt- ist.

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist "beim dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers gemäß Figur 3 ein Kompensatxonsmagnet 17 unterhalb des magnetfeldempfindlichen Bauelementes 1 ^4- angeordnet, so daß sich dieses zwischen den Magneten 13, 17 und damit im resultierenden Magnetfeld "beider Magneten befindet.

Mit der Anordnung entsprechend Figur 1 ist es möglich, den Differenzdruck zum z.B. atmosphärischen Druck zu messen. Ir.. Inneren des Gehäuses 10 herrscht z.B. atmosphärischer Druck und der Meßdruck wird über den Stutzen 12 in die Druck dose 11 geleitet. Dann entspricht die Auslenkung der Membran der Druckdose 11, die den Magneten 13 hält, der Differenz zwischen dem Meßdruck und den atmosphärischen Druck. Im Gegensatz hierzu sind mit den Anordnungen entsprechend Figur 2 und 3 Messungen des Absolutdruckes möglich, da bei diesen Ausführungsbeispielen die — in allgemeinen evakuierte - Druckdose 11 durch den Verschluß 16 hermetisch -verschlossen ist und damit über den Stutzen 12 der Meßdruck absolut gemessen wird. Bei der Ausführungsform entsprechend Figur 3 dient dabei der Konpensationsmagnet 17 zur Einstellung des Nullpunktes der Kennlinie, wie weiter unten im einzelnen dargelegt. Εξ versteht sich von selbst, daß die Anordnung entsprechend Figur 3 mit dem Kompensatxonsmagneten 17 analog wie die Anordnung entsprechend Figur 1 aufgebaut sein kann, so daß ebenfalls Messungen der Differenz zwischen einem Meßdruck und dem atmosphärischen Druci möglich sind.

Die Abhängigkeit der Auslenkung s der Membran der Druckdose 11 vom Meßdruck ρ ist linear, wie dies in Figur U durch den Verlauf 20 schematisch dargestellt ist. Demgegenüber hat dir· Induktion B am Orte des Bauelementes lh in Abhängigkeit von der Auslenkung s einen hyper-

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bolischen Verlauf 21, wie dies aus Figur 5 ersichtlich ist. Der Betrag der Induktion B, die durch den raumfesteri Kompensationsmagneten IT auf das Bauelement 1I) ausgtiiht ■wird, ist von der Auslenkung s unabhängig, wie es aus dem Verlauf 22 in Figur 5 ersichtlich wird. Die Magneten 13, und das Bauelement 1 i+ sind in einer Achse angeordnet. Verschiebt man nun den Kompensationsmagneten 17 entlang dieser Achse, würde sich ebenfalls der Verlauf 22 in Ordinatenrichtung in Figur 5 "verändern.

WürcU· mau al:: Bau»· ! *"· m * - τ 11- 1'| r.-"i π Ii.ί im I i-tru-nt mil. Ii η·*;-, ror Kennlinie nehmen, würde sich durch die Kombi Xiu tion der Verläufe 20, 21, 22 insgesamt ein nichtlinearer Verlauf ergeben. Um diesen nichtlinearen Verlauf bei der Kessung des Absolut- oder Differenzdruckes zu kompensieren, ist e.rfindungsgemäß als Bauelement il· eine Feldplatte vorgesehen, die in wenigstens einem Teil ihrer Kennlinie 23 einen Bereich 2k mit parabolischem Verlauf aufweist, wie dies in Figur 6 schematisch dargestellt ist. Die Gesamtkennlinie des Gebers ergibt sich nun durch Kombination der Verläufe 20, 21, 22, 23, wobei der hyperbolische Verlauf 21 der Induktion am Meßort durch den parabolischen Verlauf im Bereich 2h der Feldplatte kompensiert wird. Dies ergibt insgesamt eine lineare Kennlinie 25 für die bezogenen Widerstand R/E der Feldplatte über dem Meßdruck ρ, wie dies in Figur 7 dargestellt ist. Bei Berücksichtigung des Kompensationsmagneten 17 ist dabei die Lage des Verlaufes 25 in Ordinatenrichtung variabel, wie dies durch den e.c·:·. l-r.i che.1 : £<.-". v'x cli — neten Verlauf 26 angedeutet ist.

Verwendet man für das magnetfeldempfindlich^ Bauelement 1U statt einer Feldplatte ein Bauelement mit linearer Kennlinie, beispielsweise einen -linearen Hall-IC, kann eine der Anordnungen entsprechend den Figuren 2 oder 3

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vorteilhaft zur Messung der Höhe, beispielsweise in einem Flugzeug, verwendet werden. Entsprechend der "barometrischen Höhenformel nimmt nämlich der Druck mit zunehmender Höhe ab, wobei die ITichtlinearität des Zusammenhanges zwischen Höhe und Druck durch den hyperbolischen Verlauf 21 gemäß Figur 5 kompensiert wird. In diesem Falle ergibt also ein lineares Bauelement 1U ein lineares Ausgangssignal für ri i ο Tl ö In·.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases wird erfindungsgemäß eine mittelbare Messung über den Unterdruck an einer Engstelle 30 eines Yenturi-Rohres 31 vorgenommen, wie dies in Figur 8 schemax-isch dargestellt ist. Dabei ist der Stutzen 12 der Druckdose 11 unmittelbar an die Engstelle 30 des Venturi-Bohres 31 angeschlossen und der Innenraum des Gehäuses 10 steht mit dem atmesphärischen Außendruck in Verbindung.

Der Unterdruck ρ an der Engstelle 30 des 7enturi-Rohres 31 ist dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit (v ) proportional. Verwendet man nun als magnetfeldempfindliches Bauelenent 1^ wiederum ein solches nit linearer Kennlinie, beispielsweise einen Hall-IC, wird die nichtlineare, n-ämlich quadratische Kennlinie der Meßgröße Strömungsgeschwindigkeit durch den hyperbolischen Verlauf 21 gemäß Figur 5 kompensiert und man erhält wiederum bei Verwendung eines derartigen linearen Bauelementes 1^ eine lineare Gesamtkennlinie des Wandlers entsprechend Figur 8.

Eine praktische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers ist in einer Schnitt zeichnung in Figur 9 dargestellt. Dabei ist mit ^O ein Deckelteil, das die Druckdose 11 und den Stutzen 12 trägt bezeichnet, das vermittels eines Feingewindes Hl in das Gehäuse 10 einschraubbar ist. Am Boden des Wandlers ist ein Schraub-

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teil ^2 angeordnet, das den Kompensationsmagneten 17 trägt und vermittels eines Feingevindes k3 in derselben Achse wie das Deckelteil hO in das Gehäuse 10 einschraubbar ist. Das magnetfeldempfindliche Bauelement lh mit seinen Anschlüssen 15 "befindet sich zwischen dem Magneten 13 und dem Kompensationsmagneten 17· Das Deckelteil 1*0 wird mit einer Schraubenfeder kh und das Schraubteil k2 mit einer Schraubenfeder 1+5 gegen das Gehäuse 10 abgestützt. Zum
Abgleichen des Wandlers gemäß Figur 9 wird nun über das Feingewinde kl der Hue und über das Peingewinde U 3 der
Nullpunkt eingestellt, wobei sich aufgrund der Anordnung der einzelnen Elemente des Wandlers entsprechend Figur eine Temperaturkompensation bei Ausdehnung infolge Cemperaturveränderung ergibt. Zudem ergibt sich eine Kompensation der Induktions&bnahme der Magnete 13 und 17 infolge Temperaturveränderung mit der Zunahme des Elastizitätsmoduls der Dose 11 und damit des Wegs der Dose infolge Temperaturveränderung.

In Figur 10 ist eine Auswerte- und Anzeigeschaltung für einen Hall-IC dargestellt. Vom Anschluß 15 führt dabei eine erste Leitung zu einer nit Betriebsspannung TJL beschalteten Klemme 5-0 und eine zweite Leitung über ein Anzeigeinstrument 52 an den Abgriff eines Potentiometers 53, das zwischen Betriebsspannung und Hasse geschaltet ist und ein dritter Anschluß an Masse. Der erste und der dritte Anschluß dienen dabei der Stromversorgung des Hall-IC, während über den zweiten Anschluß das Meßsignal abnehmbar ist. Das Meßsignal wird dabei direkt auf dem Anzeigeinstrument k2
angezeigt. Bei den oben im einzelnen beschriebenen Kessungen der Höhe und der Strömungsgeschwindigkeit, bei
denen ein linearer EaIl-IC zweckmäßigerweise verwendet
wird, kann daher diese Meßgröße direkt auf dem Anzeigeinstrument 52 abgelesen werden.

Wird ein erf indungsgemäßer Wandler, wie oben beschrieben, zur Messung der Höhe₃ beispielsweise in einem Flugzeug, verwendet, kann mit einer Auswerte- und Anzeigeschaltung, wie sie in Figur 11 dargestellt ist, in vorteilhafter Weise die Sink/Steiggeschwindigkeit des Flugzeuges erfaßt und angezeigt werden. Hierzu ist ein Differenzierglied, bestehend aus dem Widerstand 55 einem Kondensator 5^f und einem Operationsverstärker 56 an das

Anzeigeinstrument 57 angeschlossen. Dabei wird über das Differenzierglied ^k, 55, 56 die erste zeitliche Ableitung der Höhe und damit die Sink- oder Steiggeschwindigkeit des Flugzeuges gebildet und auf dem Anzeigeins~rument 57 angezeigt.

Eine zweckmäßige Kombination dieser beiden Schaltungen ist. in Figur 12 dargestellt, wobei der mit den Bezugsziffern 5 2, ^ur>3 bezeichnete Schaltungsteil - wie bereits erläutert - zur Anzeige der Höhe auf dem Anzeigeinstrument 52 dient. Las Meßsignal wird weiterhin über den Differenzierkondensator ^k und einen Widerstand 58 auf einen Operationsverstärker 56, geleitet, wobei dieser von dem Widerstand 55 und einem Kondensator 59 überbrückt ist. Zwischen den Operationsverstärkern 56, 60 befindet sich das Anzeigeinstrument 57 für die Sink/Steiggeschwindigkeit des Flugzeuges, wobei der eine Eingang des Operationsverstärkers 60 weiterhin auf das Potentiometer 53 geführt ist und andererseits über einen Kondensator 61 an Masse angeschlossen ist. Durch die einmal direkte Auswertung des Meßsignales wird eine Anzeige der Höhe auf dem Anzeigeinstrument 52 und

durch die Auswertung über das Differenzierglied 5"I₅ 5^- wird eine Anzeige der Sink/Steiggeschwindigkeit des Plugzeuges auf dem Anzeigeinstrument 57 "bewirkt.

- Al·. Leerseite

Claims

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Ansprüche

.) Mechanisch-elektrischer Wandler mit einer Druckdose sowie wenigstens einem Magneten und einem magnetfeldempfindlichen Bauelement, deren relative Lage zueinander in Abhängigkeit von einer Ausdehnung der Druckdose veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des Bauelementes (lh) und/oder Magnete (13) so eingestellt vird, daß sich "bezüglich der zu messenden Größe (Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Höhe, Sink/Steiggeschwindigkeit) eine lineare Gesamtkennlinie des Wandlers ergibt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe ein Gasdruck und das Bauelement (1k) eine im parabolischen Kennlinienbereich (2!+) betriebene Feldplatte ist.

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3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe eine Strömungsgeschwindigkeit eines Gases ist, die über den Unterdruck eines Venturi-Rohres (31) gemessen wird und das Bauelement (1^) ein linearer Hall-IC ist.

i-. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die messende Größe eine Höhe ist, die über den Luftdruck gemessen wird, wobei die Druckdose (11; evakuiert und das Bauelement {lh) ein linearer Hall-IC ist.

5. Wandler nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe eine Sink/Steiggeschvindigkeit ist und daß dem Hall-IC eine Differenzierstufe (51, 5*0 nachgeschaltet ist.

6. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (1U) raunfest zwischen einem an einer Membran der Druckdose (11) "befestigten Magneten (13) und einem Kompensationsmagneten (17) in einer Achse angeordnet ist.

7- Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdose (11) und/oder der Kompensationsmagnet (17) in ihrer axialen Lage, vorzugsweise mittels eines Feingewindes (M , k3) justierbar sind.

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8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten (13, 1T) ^aus einer Kohalt-Seltene Erden-Legierung, vorzugsweise CoSm, "bestehen.