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Schaltungsanordnung für induktive Geber
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Auswerteschaltungen für variable Induktivitäten
sInd weitgehend bekannt. Die Induktivität bildet dabeI mit einem Kondensator einen
Schwingkreis, der mit einem Verstärker eine Schwingschaltung bildet. Solche Schaltungsanordnungen
haben den Nachteil, da sie sehr temperaturabhängig sind. Weiterhin ist es aus der
deutschen Patentanmeldung 31 19 162 bekannt, Auswerteschaltungen zu schaffen, die
einen möglichst geringen Temperaturgang aufweisen. Mit dieser bekanten Schaltungsanordnung
ist es jedoch nicht möglich, Temperaturabhängigkeiten zu erfassen, die beispielsweise
durch mechanische Vernderungen im Geber bedingt sind. Mit den bekannten Geberschaltungen
st zudem eine wegabhängige Korrektur nicht möglich.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß
Temperaturfehler und vom Weg abhängige tinearitätsfehler kompensierbar sind. Dadurch
ist es möglich, unabhängig voneinander einzelne negative vinflüsse getrennt zu korrigieren
und somit die Genauigkeit von induktiven Gebern zu erhöhen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch eingegebenen Schaltungsanordnung
möglich. Besonders vorteilhaft ist, in die Schwingschaltung eine Spannungsquelle
anzuordnen, die in Abhängigkeit eines Temperatursignales oder in Abhängigkeit der
Frequenz der Schwingschaltung ihren Spannungswert verändert. Dadurch wird erreicht,
daß die obere Kippspannung der Schwingschaltung verschoben wird. Dies bietet eine
einfache Möglichkeit, um eine Korrektur der Schwingfrequenz und damit des Weggebersignales
vorzunehmen. Als Schwingschaltung findet vorteilhafterweise ein Schmitt-Trigger
Verwendung, dessen Schwingfrequenz durch ein Zeitglied gebildet ist, das aus der
veränderlichen Induktivität und einem Widerstand gebildet ist. Dies bildet eine
besonders einfache und günstige Möglichkeit, um das Signal des induktiven Gebers
in eine Frequenz umzuwandeln, die leicht digital weiterverarbeitbar ist.
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Die Korrektur gestaltet sich besonders einfach, wenn die Spannungszelle
in Reihe mit dem Zeitglied geschaltet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Änderung der Schwingfrequenz
in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgt, wobei der Korrekturwert in Abhängigkeit
vom Weg gewichtet ist. Durch diese Maßnahme lassen sich auch Temperaturfehler kompensieren,
die zusätzlich vom Weg abhängig sind.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.
1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung für induktive Weggeber, Fig. 2 ein
ausführliches Schaltbeispiel einer Geberschaltung nach der Erfindung und Fig. 3
ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 2.
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Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Fig. 1 ist mit 1 eine stabilisierte
Spannungsversorgung gekennzeichnet, so daß die Schaltungsanordnung auch mit einer
grob stabilisierten Gleichspannung von beispielsweise 16 bis 18 Volt versorgt werden
kann.
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Der Spannungsstabilisierungsschaltung 1 folgt ein Schwingverstärker
2, der als Schmitt-Trigger geschaltet ist. An den Ausgang des Schwingverstärkers
2 ist eine variable Induktivität 3 angeschlossen. Das andere Ende der variablen
Induktivität 3 führt zum Rückkoppiungseingang des Schwingverstärkers 2. Weiterhin
ist an die variable Induktivität 3 ein Widerstand 14 angeschlossen, der zusammen
mit der variacien Induktivität 3 ein Zeitglied bildet. Eine gesteuerte Spannungsquelle
5, die von der Spannungsstabilisierungsschaltung 1 gespeist wird, versorgt das Zeitglied
mit einer geeigneten Spannung. Am Ausgang des Schwingverstarkes 2 ist ein Rechtecksignal
abgreifbar, dessen Frequenz von der veranderlichen Induktivität 3 bestimmt ist.
Das Ausgangssignal des Schwingverstärkers 2 ist des weiteren einem als Monoflop
wirkenden Verstarker 5 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 6 ist über einen Widerstand
7 mit dem Steuereingang der Spannungsquelle 5 verbunden. Weit ernln ist ein Temperaturgeber
9 mit einem Verstärker vorgesehen, dessen Ausgangssignal über einen Widerstand 8
ebenfalls mit dem Steuereingang der gesteuerten Spannungsquelle 5 verbunden ist.
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DI e Induktivität 3 wird beispielsweise durch einen Weggeber verändert.
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DIeser Weggeber kann beispielsweise als Kurzschlußringweggeber oder
aber
als induktiver Weggeber mit verschiebbarem Eisenkern ausgebildet
sein.
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Das Umsetzen der veränderlichen Induktivität in eine Frequenz durch
die Schwingschaltung 2 geschieht beispielsweise in einer Schmitt-Trigger-Schaltung.
Beim über bzw. Unterschreiten einer Schwelle schaltet der Schmitt-Trigger um, so
daß einmal die Induktivität 3 des induktiven Gebers zu- bzw. abgeschaltet wird.
Das Zeitglied mit der Induktivität 3 und dem Widerstand 4 besitzt eine eigene Spannungsquelle
5, die in Abahängigkeit von Weg und Temperatur nachgeführt wird und so die Abweichungen
des Gebers kompensiert. Durch eine Veränderung der Steuerspannung durch die gesteuerte
Spannungsquelle 5 wird erreicht, daß der Auf- bzw.
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Entladevorgang in der Induktivität 3 geringfügig anders verläuft.
Dies hat im wesentlichen eine Frequenzänderung zur Folge, so daß temperatur-bzw.
wegbedingte Änderungen im Gebersystem korrigiert werden können.
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In Fig. 2 ist eine ausführliche Schaltungsanordnung nach der Erfindung
dargestellt. Eine Gleichspannungsquelle ist an den Kollektor eines Transistors 11
angeschlossen, an dessen Emitter eine stabilisierte Gleichspannung abgreifbar ist.
Die Basis des Transistors 11 ist zu einem stabilisierten Spannungs-IC 12 geführt,
dessen weiterer Eingang mit der Masse der Gleichspannungsquelle in Verbindung steht.
An den Emitter des Transistors 11 ist ein Widerstand 13 angeschlossen, der seinerseits
mit einem Widerstand 14 in Reihe geschaltet ist. Der andere Eingang des Widerstands
14 ist mit der Masse verbunden. Der Abgriff zwischen den Widerständen 13 und i14
rührt zum negativen Eingang eines Operationsverstärkers 15. An den Emitter des Transistors
11 ist des weiteren ein Widerstand 16 angeschlossen, der über die Kollektor-Emitterstrecke
eines Transistors 18 mit der Masse verbunden ist. An den Kollektor des Transistors
18 ist des weiteren ein Widerstand 17 geführt, der seinerseits mit dem negativen
Eingang des Operationsverstärkers 15 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers
15 führt einerseits zu einem Ausgang A, an dem das Ausgangssignal der Geberschaltung
abgreifbar ist. Des weiteren führt der Ausgang des Operationsverstärkers 15 zu jeweils
einem Widerstand 19 und 21, die ihrerseits über Widerstände 20 bzw. 22 mIt der Masse
verbunden sind. Die Basis des Transistors 18 ist zwischen den
Widerständen
19 und 20 angeschlossen, während die Basis eines Transistors 23 zwischen den Widerständen
21 und 22 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 23 ist an Masse geführt.
Der Kollektor des Transistors 23 führt zu einer veranderlichen Induktivität 24,
die die Spule des induktiven Weggebers bildet. Der Ausgang der Induktiität 24 führt
einerseits zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15, andererseits
über einen Widerstand 25 zum Emitter eines Transistors 26. Der Kollektor des Transistors
26 steht mit dem Emitter des Transistors 11 in Verbindung.
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An den Emitter des Transistors 26 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes
27 mit einem Widerstand 28 angeschlossen, wobei der Widerstand 28 gegen Masse geschaltet
ist. Der Abgriff zwischen dem Widerstand 27 und dem Widerstand 28 führt zum invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 33, dessen Ausgang mit der Basis des Transistors
26 in Verbindung steht.
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An den Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist ein Kondensator 29
angeschlossen, dessen weiterer Anschluß zu einem Operationsverstärker 32 führt.
Eine Diode 30 und ein Widerstand 31 sind vom Eingang des Operationsverstärkers 32
zur Masse geschaltet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 rührt zu einem Widerstand
35 und einem Widerstand 36, wobei der Widerstand 35 zum nichtinvertierenden Eingang
des Operations--erstärkers 33, der Widerstand 36 zum Ausgang eines Operationsverstärkers
38 führt. Die Widerstände 35 und 36 sind durch einen Widerstand 34 überbrückt. An
den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkerns 33 ist des weiteren ein
Kondensator 37 angeschlossen, der zur Masseleitung geführt ist. Der Invertierende
Eingang des Operationsverstärkers 38 ist über einen Widerstand 39 mit dem Emitter
des Transistors 11 verbunden. Weiterhin führt von diesem Eingang eine Diode 42 zur
Masseleitung. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstarkers 38 ist einerseits
über den Widerstand 41 mit der Masseleitung und andererseits er den Widerstand 40
mit dem Emitter des Transistors 11 verbunden.
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Die Wirkungsweise der Geberschaltung sei anhand des Diagramms nach
Fig. 3 näher erläutert Um auch bei langen Versorgungsleitungen ein einwandfrei stabilisiertes
Gleichspannungssignal zu erhalten, ist der Stabilisierungs-IC 12 und der Längstransistor
11 vorgesehen. Dadurch kann unabhängig von der Versorgungsleitung der Geber mit
einer grob stabilisierten Gleichspannung versorgt werden. Es erwies sich dabei als
vorteilhaft, wenn die gesamte Geberauswerteschaltung in der Nähe des Gebers untergebracht
ist. Das Umsetzen der veränderlichen Induktivität 214 in eine Frequenz geschieht
mittels einer Schmitt-Trigger-Schaltung mit dem Operationsverstärker 15. Durch die
Widerstände 13, 14, 16 und 17 werden zwei Schaltschwellen 45 und 46 erzeugt, Liegt
nämlich der Ausgang des Operationsverstärkers 15 in der Nähe der positiven versorgungsspannung,
so sind die beiden Transistoren 18 und 23 leitend. Durch die Parallelschaltung der
Widerstände 14 und 17 liegt dann die untere Schwellspannung 46 am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 15. Die Spannung zwischen dem Widerstand 25 und
der Induktivität 24 ist nun zuerst hoch und sinkt langsam ab, da der Transistor
23 leitend ist. Der Abfall an diesem Punkt erfolgt mit einer e-Funktion, wobei die
Zeitkonstante durch die Werte des Widerstandes 5 und der Induktivität 24 bestimmt
ist. Beim Unterschreiten der unteren Schwellspannung schaltet der Operationsverstärker
15 um. Die Transistoren 18 und 23 sperren, und die Widerstände 16 und 17 liegen
dem Widerstand 13 parallel. Am negativen ingang des Operationsverstärkers 15 liegt
daher die obere Schwellenspannung 45 an. Die Aufladung der Induktivität 24 erfolgt
wiederum nach einer e-Funktion, wobei jedoch die Zeitkonstante nicht nur durch den
Wert des Widerstandes 25 und der Induktivltät 24 gegeben ist, sondern auch noch
durch die Spannung, die am Emitter des Transistors 26 anliegt.
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Ist diese Steuerspannung Ust hoch, so erfolgt der Aufladevorgang der
Induktivität 214 schneller, als wenn die Steuerspannung niedriger ist.
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Tn Fig. 3 ist in durchgezogenen Linien das Ausgangssignal A bei einer
hohen Steuerspannung dargestellt, während in strichpunktierten Linien das Ausgangssignal
bei niedriger Steuerspannung dargestellt ist. In Abahängigkeit von der Steuer spannung,
die mittels des Transistors 26 einstellbar ist, kann daher die Ausgangsfrequenz
der Schmltt-Trigger-
Schaltung geändert werden, wobei im wesentlichen
die ansteigende Flanke des .4usgangssignals geändert wird, während die abfailende
Flanke konstant bleibt.
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Insbesondere Kurzschlußring-Gebersysteme haben einen Temperaturgang,
der sich aus einem wegabhängigen und einem wegunabhängigen Anteil zusnmmensetzt.
ird nun die Spannungsversorgung des Zeitgliedes mit dem Widerstand 25 und der Induktivität
24 in Abhängigkeit von dem Weg und der Temperatur nachgeführt, so können die Abweichungen
des Gebers kompensiert werden. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal erfaßt, dessen
Frequenz sich durch die änderung der Induktlvität 24 in Abhängigkeit vom Weg ändertvund
dem Verstärker 32 zugeführt. Die temperaturabhängige Spannung wird in der Diode
42 erzeugt und mittels eines Differenzverstärkers in einer Brückenschaltung mit
den Widerständen 39, 40 und 41 und der als Temperatursensor dienenden Diode 42 gemessen.
Das Verhältnis von wegabhängigem und wegunabhängigem Temperaturgang sowie die Einflüsse
des wegabhängigen und des temperaturabhängigen Signais werden durch die Widerstände
34, 35 und 36 bestimmt, wobei die Widerstände 35 und 36 durch den Verstärker 32
mit konstanter Pulsbreite getaktet werden, wobei die Pulsbreite durch die veränderliche
Ausgangsfrequenz und damit durch die Stellung des Weggebers bedingt ist.
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Die Summenspannung wird im Kondensator 37 aufintegrlert und durch
den Operationsverstärker 33 verstärkt. Der Ausgang des Operationsverstärkerns steuert
seinerseits die Basis des Transistors 26 und dient zur weg- und temperaturabhängigen
Einstellung der Steuerspannung.
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In einer vereinfachten Schaltungsausführung kann die Steuerspannung
auch nur In Abhängigkeit vom Weg oder in Abhängigkeit von der Tempera-War verändert
werden. Durch die dann gegebene Schaltungsanordnung ist es möglich, mechanische
und elektrische Fehlerkomponenten sowie Exemplarstreuungen bei induktiven Gebern
zu kompensieren. ei induktiven Kurzschlußringgebern treten mechanische Temperaturfehler
oder wegabhängeige Fehler . 3. durch die Druckfeder und das Gehäuse auf, während
elektrische
Komponenten des Fehlers im wesentlichen durch die Ausgestaltung des Kurzschlußrohres
und der induktiven Wicklungen bedingt sind. Um eine noch bessere Anpassung zu erzielen,
ist es unter Umständen günstig, die Widerstände 4o oder 41 und die Widerstände 35
und 36 einstellbar zu machen. Hierdurch ist es möglich, einen unabhängigen Abgleich
einzelner negativer Einflüsse zu erzielen.