DE3225822A1

DE3225822A1 - Linearer induktiver wandler

Info

Publication number: DE3225822A1
Application number: DE19823225822
Authority: DE
Inventors: John Howard Cirencester Francis; John Howard Kingscote Gloucestershire Moore; John Peter Chipping Sodbury Vernon
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1982-07-09
Publication date: 1983-02-03
Also published as: ES8305549A1; GB2121182B; ES513870A0; IT8222308A0; GB2121182A; FR2509371B1; DE3225822C2; MX151570A; US4453124A; IT1151978B; JPS5818116A; CA1176344A; FR2509371A1

Description

LUCAS INDUSTRIES pic Great King Street
Birmingham B19 2XF
Großbritannien

Linearer induktiver Wandler

Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte induktive Wandleranordnung mit einem Wandler, der einen axial bewegbaren Kern aufweist, wobei während dem Betrieb dieser Kern durch ein Teil, dessen Bewegung gemessen werden soll, innerhalb einer Wicklung gleitend verschiebbar ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wandleranordnung mit Kompensation der Temperaturänderung so zu schaffen, daß sich ein im wesentlichen linearer Verlauf der Induktivität mit der Kernbewegung ergibt.

Die erfindungsgemäße temperaturkompensierte induktive Wandleranordnung enthält eine aus mehreren Spulen bestehende Wicklung und einen innerhalb der Wicklung gleitbar angeordneten Kern, der die Spuleninduktivität ändert, wobei die Abmessungen der Spulen und deren Windungszahl so gestaltet sind, daß die Induktivität der Wicklung im wesentlichen im gewünschten Bewegungsbereich des Kerns linear verläuft, Schaltungsteile, die eine Schrittspannung über einem die Wicklung enthaltenden

Widerstandsnetzwerk anlegen. Schaltungsteile/ die eine Stromänderung in einem Teil des Widerstandsnetzwerks, die sich aus dem Anlegen der Schrittspannung ergibt, überwachen, wobei die Schaltungsteile dann ein Ausgangssignal erzeugen, wenn die Stromstärke einen vorbestimmten Wert erreicht, und einen temperaturabhängigen Widerstand, der in der Nähe der Wicklung angebracht ist und Teil des Widerstandsnetzwerks ist.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wandleranordnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufriß-Schnittdarstellung eines einen Teil der Wandleranordnung bildenden Wandlers;

Fig. 2 ein Schaltbild einer mit dem Wandler betriebenen Meßschaltung; und

Fig. 3 und 4 Schaltbilder von Temperaturkompensationsschaltungen, die wahlweise in der Schaltung nach Fig. 2 verwendet werden können.

D. ie Wandleranordnung soll ein Signal·, erzeugen, das zur einer Stellung eines kolbenförmigen Teils einer Kraftstoff-Einspritzpumpe, die einer Brennkraftmaschine Kraftstoff liefert, verarbeitet werden kann,

Die Wandleranordnung enthält einen Wandler mit einem Wicklungsträger 10, der aus einem nichtmagnetischen elektrisch isolierenden Werkstoff wie z. B. Plastikwerkstoff hergestellt ist. Der Wicklungsträger enthält

eine Blindbohrung 11 und längs seines Umfangs mehrere, in diesem Fall drei in Umfangsrichtung sich erstreckende Nuten 12, 13 und 14.

Innerhalb aer Bohrung 11 befindet sich ein gleitend beweglicher Kern 16. Der Kern 16 besteht aus einem Werkstoff hoher Permeabilität und großem inneren Widerstand. Ein Beispiel eines solchen Werkstoffs ist Ferrit. Der Kern ragt in die Bohrung, von dem der Nut 12 benachbarten Ende.

Den Wicklungsträger 10 umgibt ein röhrenförmiges Teil 17, das ebenfalls aus Magnetwerkstoff großer Permeabilität und hohem Widerstand besteht.

Der Wicklungsträger bildet mit einer Halterung ein Ganzes, die auch einen Thermistor, oder eine Kombination aus einem Thermistor und einem Widerstand 18 trägt, was zu Kompensation von Temperaturänderungen in einer unten zu beschreibenden Weise verwendet wird.

Die Halterung trägt auch eine Anzahl von Anschlußblättern 19, mit denen der Wandler und der Thermistor mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind.

Es sollte deutlich sein, daß die Abmessungen der Nuten 12, 13 und 14 und der in ihnen befindlichen einzelnen Spulen unterschiedlich sind, so daß für den Ausgang der Auswerteschaltung eine im wesentlichen lineare Änderung in Abhängigkeit von der Kernbewegung innerhalb dem Wicklungsträger erreicht werden kann. Die einzelnen Spulen sind in Reihe geschaltet und bilden die Wandlerwicklung.

Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel sind die Nutest 12, 13 und 14 jeweils 7 mm, 5mm und 3mm breit mit 0,75 mm Zwischenwändent und jäie Nute« weisen einen inneren Durchmesser von 5,72 mm und einen äußeren Durchmesser von 10,05 mm auf. Die Spulen in den Nuten tragen jeweils 695, 100 und 275 Windungen. Die Linearitätsabweichung des Ausgangssignals bleibt innerhalb + 1 % des Gesamtausgangssignalwerts für einen Arbeitshub von 11 mm und +0,5 % für einen Hub von 10 mm. Falls nur eine einzige Spule vergleichbarer Länge verwendet würde, würde eine vergleichbare Linearität einen Hub von nur etwa 2 mm erlauben.

Die Abmessungen der Nuten können auf den Arbeitshub des Wandlers bezogen werden, somit beträgt die Breite der. Nut 14 30 % des Arbeitshubs, die Breite der Nut 13 50 % des Arbeitshubs und die Breite der Nut 12 70 % des Arbeltshubs. Der innere Durchmesser der Spulen beträgt 57 % des Arbeitshubs und der äußere Durchmesser ist cjLeich dem Arbeitshub. Daher ist es möglich, die Spulenabmessungen für unterschiedliche Arbeitshübe zu bestimmen. Der Kern ragt in das offene Ende der Bohrung, wobei die Anfangsstellung so ist, daß das in die Bohrung ragende Ende des Kerns 5 mm in die Spule 12 eintaucht.

für die Verwendung

Die Anordnung eignet sich besonders/ in einer Einspritzpumpe, wo sie erheblichen Erschütterungen unterworfen ist und auch mit Diesel-Kraftstoff in Berührung kommt. Jedoch ist die bislang beschriebene Wandleranordnung empfindlich gegen Änderungen der Betriebstemperatur, so daß die Impedanz der Wicklung sich etwas mit der Temperaturänderung verändert,

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Die Impedanz der Wicklung wird durch das Anlegen eines Spannungssprungs an der Serienschaltung eines Widerstands mit der Wicklung undjdurch die Bestimmung der Anstiegszeit der Spannung über dem Widerstand bis zu einem gegebenen Spannungswert ermittelt. In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, die diese Technik verwendet und einen Impuls erzeugt, dessen Impulsdauer der oben genannten Anstiegszeit entspricht. ^!

Die Schaltung in Fig. 2 enthält eine positive Versorgungsleitung 30 und eine negative Versorgungsleitung 31, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind. Eine Zwischenspannungsversorgungs-' leitung 32 ist mit der Leitung 31 über die Kollektoremitterstrecke eines Transistors 33, dessen-Basis über einen Widerstand 34 mit dem Emitter eines weiteren Transistors 35 verbunden ist, verbunden. Die Basis des Transistors 33 ist außerdem über einen Widerstand 36 mit der Leitung 31 verbunden. Der Kollektor des Transistors ist mit der Leitung 30 und mit seiner Basis über einen Widerstand 37 verbunden. An die Basis ist außerdem ein Eingangsanschluß 38 angeschlossen.

Eine Zwischenleitung 39 ist mit der Leitung 30 über einen Widerstand 40 und ebenfalls mit einem Ende der Wicklung 41 verbunden. Das andere Wicklungsende wird mit einem Eingang eines Vergleichers 43 über einen Widerstand 44A verbunden. Der Ausgang des Vergleichers ist mit einem Ausgangsanschluß 44 und mit einem Widerstand 45 mit der Zwischenleitung 39 verbunden. Der andere Eingang des Vergleichers ist mit einem Widerstand 46 mit der Anzapfung eines Potentiometers verbunden, das

aus einem Widerstandspaar 47, 48,die jeweils mit den Leitungen 39 und 32 verbunden sind, besteht.

Die Endanschlüsse des Widerstands 44A sind mit der Leitung über Widerstände 49 und 50 und der Ausgang des Vergleichers mit der Anzapfung des Potentiometers über einen Widerstand 51 verbunden. Die Leitung 39 ist mit der Leitung 31 über einen Widerstand 52 und einen dazu parallel geschalteten Kondensator 53 verbunden. Das andere Ende der Wicklung 41 ist mit der Verbindung der Widerstände 44A und 49 verbunden, Ferritbördel in den Verbindungen zwischen der Wicklun ο und der Schaltung dienen zusammen mit Kondensatoren 55 zum Entkoppeln der Schaltung vom durch die Verbindungsleitungen aufgenommenen Rauschen.

Wenn im Betrieb ein Eingangssignal an den Eingangsanschluß 38 angelegt wird, wird Transistor 35 leitend und somit leitet auch Transistor 33. Die Leitung 32 ist deshalb wirksam mit der Leitung 31 verbunden mit dem Ergebnis, daß ein Spannungssprung, der im wesentlichen gleich dem Potentialunterschied zwischen den Leitungen 39 und 31 ist, an die Serienschaltung der Widerstände 49 und der Wicklung 41 angelegt wird. Weiterhin wird wegen der an dew Eingang des Vergleichers anliegenden Spannung dessen Ausgang hochgesetzt.

Die Anstiegsrate der Stromstärke in dei^Wicklung hängt

jial zur von deren Impedanz ab und proportid Stromstärke

nimmt der Spannungsunterschied über dem Widerstand 49 zu, bis ein Wert erreicht wird, bei dem der Ausgang des Vergleichers tief geht. Die Breite des Ausgangsimpulses, der am Ausgangsanscnluß 44 auftritt, zeigt deshalb die zum Anstieg der Stromstärke bis zum vorbestimmten Wert benötigte Zeit an und damit

auch die Wicklungsimpedanz. Diese wiederum hängt von der Stellung des Kerns 16 ab.

Der Widerstand 40 dient zum Schutz gegen Erdschluß einer der beiden Verbindungsleitungen zwischen Wicklung und dem Rest der Schaltung. Dioden 56 sind zwischen den Eingängen des Vergleichers 43 und einer Zwischenspannungsversorgungsleitung eingeschaltet und dienen ebenfalls als Schutzschaltung. Der Widerstand 51 bewirkt ein schnelles Schalten.

Die Wicklungsimpedanz hängt ebenfalls von der Temperatur ab und um die Linearität des Wandlers trotz Temperaturänderungen zu erhalten, muß man diese kompensieren. Im folgenden werden zwei Temperaturkompensationsverfahren beschrieben. Das erste Verfahren verwendet einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizient *- D ieses Verfahren wird im folgenden anhand der

Fig. 3 beschrieben. Ein Thermistor 18 mit positivem

steht
Temperaturkoeffizient in direktem thermischen Kontakt mit der Wicklung ist mit dem Verbindungspunkt der Wicklung 41 und dem Widerstand 49 verbunden. Das andere Ende des Thermistors 18 ist mit de.r Leitung 32 über einen Widerstand 57 verbunden. Ein Ferritbörd.el 54 und ein Kondensator 55 dienen auch hier zur Entkopplung von hohen Frequenzen.

Mit der Temperaturänderung der Wicklung 41 ändert sich ebenfalls ihre Impedanz und der Thermistor verändert zur Kompensation den Widerstand des aus Thermistor und den Widerständen 57 und 49 bestehenden Netzwerks. Die Widerstandswerte der Teile 18, 57, 49 werden so

gewählt, daß der Temperaturgang der Ausgangsimpulsbreite innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs klein gehalten wird.

Ein zweites Verfahren ist in Fig. 4 gezeigt, bei dem ein Thermistor 48 mit negativem Temperaturkoeffizienten zwischen der Wicklung 41 und dem Widerstand eingeschaltet ist und ein weiterer Widerstand 59 parallel zum Thermistor 58 liegt. Die Werte der Teile 58, 49, und 59 werden wieder so gewählt, daß der Temperaturgang der Ausgangsimpulsbreite in einen vorgegebenen Temperaturbereich klein bleibt.

Der Thermistor 18 in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung kann zur Erzeugung eines die Umgebungstemperatur des Thermistors angebenden Signal verwendet werden. Falls die Wandleranordnung zur überwachung der Kolbenstellung in einer Kraftstoffeinspritzpumpe ausgelegt ist, kann man sie so aufbauen, daß der Wandler und insbesondere der Thermistor von Kraftstoff umgeben ist. Die Viskosität des Kraftstoffs sowie seine Dichte können den Gerätebetrieb beeinflussen. Beide Werte hängen von der Kraftstofftemperatur ab. Deshalb ist es üblich, ein die Temperatur darstellendes Signal zu verwenden.

Zur Temperaturbestimmung ist die Schaltung so ausgelegt, daß der Transistor 33 für eine längere Zeitdauer, als sie für die Erzeugung des Ausgangsimpulses des Vergleichers benötigt würde, leitend bleibt. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Stromstärke bis zu dem von den Widerstandswerten des Thermistors und Widerstandes bestimmten Wert. Die Spannung am Verbindungspunkt dieser

beiden Teile ist meßbar und durch diese Messung kann die Temperatur des Thermistors und damit des Kraftstoffs ermittelt werden.

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Claims

Patentansprüche

1.yTemperaturkompensierter induktiver Wandler, "gekennzeichnet durch

- eine aus mehreren Spulen (12, 13, 14) bestehende Wicklung und

- einen innerhalb der Wicklung gleitbar angeordneten Kern (16), der die Induktivität der Wicklung verändert, wobei

- die Abmessungen der Spule und ihre Windungszahlen so gestaltet sind, daß die Induktivität der Wicklung sich im wesentlichen innerhalb eines gewünschten Bewegungsbereichs des Kerns (16) linear ändert,

- eine Schaltung, mit der ein Spannungssprung an einem die Wicklung (41) enthaltenden Widerstandsnetzwerk angelegt wird,

- eine Überwachungs-Einrichtung, die die Änderung des Stromflusses in einem Teil des Widerstandsnetzwerks als Folge des angelegten Spannungssprungs überwacht, wobei die Einrichtung dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Wert erreicht, und

- einen temperaturabhängigen Widerstand (18), der

ein Teil des Widerstandsnetzwerks ist und in nächster Nähe der Wicklung befestigt ist.

67-102 501T-AtF

2. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaltung einen Transistor (33), dessen Kollektoremitterstrecke zusammen mit einer elektrischen Versorgungsquelle und dem Widerstandsnetzwerk geschaltet ist, enthält.

3. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Widerstandsnetzwerk einen in Reihe mit der Wicklung (41) und dem temperaturabhängigen Widerstand (18, 58) geschalteten ersten Widerstand (49) und der temperaturabhängige Widerstand einen Thermistor (18) mit positivem Temperaturkoeffizient,der in Reihe mit einem zweiten Widerstand (57) liegt,enthalten, wobei der Thermistor (18) und der zweite Widerstand (57) parallel zum ersten Widerstand (49) geschaltet sind.

4. Wandler nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Widerstandsnetzwerk einen ersten Widerstand (49) und einen in Reihe zum ersten Widerstand (49) geschalteten zweiten Widerstand (59) enthält und daß die Wicklung und der temperaturabhängige Widerstand einen Thermistor (58) mit negativem Temperaturkoeffizienten, der parallel zum zweiten Widerstand (59) geschaltet ist, enthalten.

5. Wandler nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die überwachungseinrichtung Mittel enthält, die auf den Spannungsabfall über dem ersten Widerstand (49) ansprechen.

6. Wandler nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die überwachungseinrichtung einen Vergleicher (43) enthält, dessen Eingangsanschlüsse mit den entgegengesetzten Enden des ersten Widerstands (49) verbunden sind.

7. Wandler nach Anspruch 3,

gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die abhängig von der Spannung am Verbindungspunkt des Thermistors (18) und des zweiten Widerstands (57) ein die Temperatur des Thermistors darstellendes Signal erzeugt.

8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Wicklung (41) drei in Reihe geschaltete, die Wicklung bildende,Spulen (12, 13, 14) enthält, wobei die Spulen nebeneinander angeordnet sind.

9. Wandler nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß

- der Kern (16) durch die erste Spule (12) geht,

- die erste Spule eine axiale Länge besitzt, die im wesentlichen gleich 70 % des benötigten linearen Bereichs der Kernbewegung beträgt,

- die zweite Spule (13) eine axiale Länge besitzt, die im wesentlichen gleich 50 % des benötigten linearen Bereichs der Kernbewegung beträgt, und

- die dritte Spule eine axiale Länge, die im wesentlichen 30 % des benötigten linearen Bereichs der Kernbewegung beträgt, besitzt, wobei die Windungszahl der ersten Spule (12) 65 %, der zweiten Spule (13) 9,3 % und der dritten Spule (14) 25,7 % der Gesamtwindungszahl besitzen.