DE3225822C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen temperaturkompensierten induktiven Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch die DE 28 52 637 A1 ist eine Auswerteschaltung für einen Induktivgeber bekannt geworden, bei dem die Induktivität L des Gebers in Serie mit einem Widerstand R im Kollektorkreis eines Transistors liegt, der durch eine von einem Oszillator gefilterte Rechteckspannung abwechselnd gegen Erde kurzgeschlossen wird. Bei Kurzschluß sinkt die Spannung am Verbindungspunkt der Induktivität mit dem Widerstand entsprechend der Zeitkonstante L/R ab. Die Spannung am genannten Verbindungspunkt wird mit einem Komparator mit einer vorbestimmten, ebenfalls dem Komparator zugeführten, festen Spannung verglichen. Unterschreitet die Spannung am Verbindungspunkt von Induktivität und Widerstand die vorbestimmte Vergleichsspannung, so wird die Ausgangsspannung des Komparators umgeschaltet. Die Ausgangsspannung des Komparators wird anschließend durch einen Tiefpaß geleitet, ihre Größe ist proportional der Induktivität des Gebers, die wiederum einer zu messenden physikalischen Größe verhältnisgleich ist.

Zum bekannten Stand der Technik gehört ferner ein berührungsloser elektrischer Stellungssignalgeber (CH 5 75 115). Bei diesem wird mit einer Brückenschaltung, die mit einer wechselnden Spannung gespeist ist, die Induktivität von zwei Spulen des Gebers ermittelt. Innerhalb der Spulen befindet sich ein verschiebbarer ferromagnetischer Körper. Die Anzahl der Windungen der Spulen pro Längeneinheit ist dabei nicht konstant sondern sie ändert sie längs des Spulenkörpers. Auf diese Weise wird ein linearer Zusammenhang zwischen der Lage des ferromagnetischen Körpers und der Induktivität der Spulen hergestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen induktiven Wandler zu schaffen, dessen Induktivität eine lineare Funktion der Verschiebung des Kernes innerhalb der Wandlerspulen ist und wobei die Wandlerinduktivität in einem weiten Bereich von Temperaturänderungen unabhängig ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Aus­ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wandlers beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Aufriß-Schnittdarstellung eines Wandlers;

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

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

Der Wandler soll ein Signal erzeugen, das zu der Stellung eines kolbenförmigen Teils einer Kraftstoff-Einspritzpumpe, die einem Verbrennungsmotor Kaftstoff liefert, dienen kann.

Der Wandler besteht aus einem Wicklungsträger 10, der aus einem nichtmagnetischen, elektrisch isolierenden Werkstoff wie z. B. Plastik­ werkstoff 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 der Bohrung 11 befindet sich ein gleitend beweglicher Kern 16. Der Kern 16 besteht aus einem Werkstoff hoher Permeabilität und hohem elektrischen Wider­ stand. 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 Permeabi­ lität und hohem Widerstand besteht.

Der Wicklungsträger bildet mit einer Halterung eine Einheit. Diese kann auch einen Thermistor, oder eine Kombination aus einem Thermistor und einem Widerstand 18 aufweisen zur Kompensation von Temperaturänderungen in einer noch zu beschreibenden Weise.

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

Es versteht sich von selbst, daß die Abmessungen der Nuten 12, 13 und 14 und der in ihnen befindlichen einzelnen Spulen unterschiedlich groß sind, so daß das Ausgangssignal der Auswerteschaltung im wesentlichen eine lineare Funktion des Weges des Kerns innerhalb des Wick­ lungsträgers ist. Die einzelnen Spulen sind in Reihe geschaltet und bilden die Wandlerwicklung.

Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel sind die Nuten 12, 13 und 14 jeweils 7 mm, 5 mm und 3 mm breit mit 0,75 mm Zwischenwänden, und die Nuten 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 Lineari­ tätsabweichung des Ausgangssignals bleibt innerhalb ±1% des Gesamtausgangssignalwerts für einen Arbeits­ hub von 11 mm und ±0,5% für einen Hub von 10 mm. Falls nur eine einzige Spule vergleichbarer Länge ver­ wendet würde, würde eine vergleichbare Linearität einen Hub von nur etwa 2 mm erlauben.

Die Abmessungen der Nuten können auf den Arbeits­ hub 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 Arbeitshubs. Der innere Durchmesser der Spulen beträgt 57% des Arbeitshubs und der äußere Durchmesser ist gleich 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 regende Ende des Kerns 5 mm in die Spule 12 eintaucht.

Der Wandler eignet sich besonders für die Verwendung in einer Ein­ spritzpumpe, wo er erheblichen Erschütterungen unterworfen ist und auch mit Diesel- Kraftstoff in Berührung kommt. Jedoch ist der bislang beschriebene Wandler empfindlich gegen Ände­ rungen der Betriebstemperatur, so daß die Impedanz der Wicklung sich etwas mit der Temperaturänderung verändert.

Die Impedanz der Wicklung wird durch das Anlegen eines Spannungssprungs an der Serienschaltung eines Wider­ stands mit der Wicklung und durch 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 ver­ wendet und einen Impuls erzeugt, dessen Impulsdauer der oben genannten Anstiegszeit entspricht.

Die Schaltung in Fig. 2 enthält eine positive 40 und eine negative 31 Spannungs­ leitung, die mit einer Gleichspannungsquelle ver­ bunden sind. Eine weitere Leitung 32 ist mit der Leitung 31 über die Kollektor­ emitterstrecke 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 35 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 Vergleiches 43 über einen Widerstand 44A verbunden. Der Ausgang des Vergleichers ist mit einem Ausgangsanschluß 44 und mit einem Wider­ stand 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 32 über Widerstände 49 und 50 und der Ausgang des Ver­ gleichers 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, Ferritperlen 54 in den Verbindungen zwischen der Wicklung 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 Eingangs­ anschluß 38 angelegt wird, wird Transistor 35 leitend und somit leitet auch der Transistor 33. Die Leitung 32 ist deshalb 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 dem Eingang des Ver­ gleichers anliegenden Spannung dessen Ausgang hochgesetzt. Die Anstiegsrate der Stromstärke in der Wicklung hängt von deren Impedanz ab und proportional zur Stromstärke nimmt der Spannungsunterschied über dem Wider­ stand 49 zu, bis ein Wert erreicht wird, bei dem der Ausgang des Vergleichers tief geht. Die Breite des Ausgangsimpulses, der am Ausgangsanschluß 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 der Wicklung und dem Rest der Schaltung. Dioden 56 sind zwischen den Eingängen des Vergleichers 43 und einer Zwischenspannungs­ versorgungsleitung 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 kompen­ sieren. Im folgenden werden zwei Temperaturkompensations­ verfahren beschrieben. Das erste Verfahren verwendet einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizient.

Dieses Verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 3 beschrieben. Ein Thermistor 18 mit positivem Temperaturkoeffizient steht in direktem thermischen Kontakt mit der Wicklung und ist mit dem Verbindungspunkt der Wicklung 41 und dem Widerstand 49 verbunden. Das andere Ende des Thermistors 18 ist mit der Leitung 32 über einen Widerstand 57 verbunden. Eine Ferritperle 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 ver­ ändert zur Kompensation den Widerstand des aus Thermistor 18 und den Widerständen 57 und 49 bestehenden Netzwerks. Die Widerstandswerte der Teile 18, 57, 49 werden so gewählt, daß der Temperaturgang der Ausgangsimpuls­ breite innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs klein gehalten wird.

Ein zweites Verfahren ist in Fig. 4 gezeigt, bei dem ein Thermistor 58 mit negativem Temperatur­ koeffizienten zwischen der Wicklung 41 und dem Widerstand 49 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 Temperatur­ gang der Ausgangsimpulsbreite in einem vorgegebenen Temperaturbereich klein bleibt.

Der Thermistor 18 in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung kann zur Erzeugung eines die Umgebungs­ temperatur des Thermistors angebenden Signals verwendet werden. Falls der Wandler zur Überwachung der Kolbenstellung in einer Kraftstoffeinspritzpumpe aus­ gelegt ist, kann man ihn 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 aus­ gelegt, 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 57 bestimmten Wert. Die Spannung am Verbindungspunkt dieser beiden Teile ist meßbar und durch diese Messung kann die Temperatur des Thermistors und damit des Kraft­ stoffs ermittelt werden.

Claims (9)

1. Temperaturkompensierter induktiver Wandler mit

• a) einer aus mehreren Spulen (12, 13, 14) bestehenden Wicklung (41) und
• b) einem innerhalb der Wicklung (41) gleitbar angeordne­ ten Kern (16) von hoher magnetischer Permeabilität und hohem elektrischen Widerstand, der die Induktivität der Wicklung (41) verändert, wobei
• c) die Abmessungen der Spule und ihre Windungszahlen so gestaltet sind, daß die Induktivität der Wicklung (41) sich innerhalb eines gewünschten Bewegungsbereichs des Kerns (16) linear ändert,
• d) eine Schaltung, mit der ein Spannungssprung an einem die Wicklung (41) enthaltenden Widerstandsnetzwerk (18, 49, 57; 49, 58, 59) angelegt wird,

gekennzeichnet durch

• e) eine Überwachungs-Einrichtung, die die Änderung des Stromflusses in einem Teil des Widerstandsnetzwerks (18, 49, 57; 49, 58, 59) als Folge des angelegten Spannungssprungs überwacht, wobei die Einrichtung dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Wert erreicht, und
• f) einen temperaturabhängigen Widerstand (18), der ein Teil des Widerstandsnetzwerks (18, 49, 57; 49, 58, 59) ist und in nächster Nähe der Wicklung (41) befestigt ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Transistor (33) aufweist, dessen Kollektor-Emitterstrecke mit einer elektrischen Span­ nungsquelle (+V), der Wicklung (41) und dem Widerstands­ netzwerk (18, 49, 57: 49, 58, 59) in Reihe geschaltet ist.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (18, 49, 57) einen in Reihe mit der Wicklung (41) geschalteten ersten Widerstand (49) enthält und der temperaturabhängige Widerstand einen Thermistor (18) mit positivem Temperaturkoeffizient, der in Reihe mit einem zweiten Widerstand (57) liegt, ent­ hält, 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 (49, 58, 59) einen ersten Wi­ derstand (49) und einen in Reihe zum ersten Widerstand (49) geschalteten zweiten Widerstand (59) enthält, und daß die Wicklung (41) und der temperaturabhängige Wider­ stand einen Thermistor (58) mit negativem Temperatur­ koeffizienten, der parallel zum zweiten Widerstand (59) geschaltet ist, enthält.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungs-Einrichtung einen Komparator (43) aufweist, der auf einen Spannungsabfall über dem ersten Widerstand (49) anspricht.

6. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbindungspunkt des Thermistors (18) mit dem zweiten Widerstand (57) eine Spannung gebildet ist, die der Temperatur des Thermistors proportional ist.

7. 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.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Kern (16) durch die erste Spule (12) geht,
• - die erste Spule eine axiale Länge besitzt, die gleich 70% des benötigten linearen Bereichs der Kernbewegung beträgt,
• - die zweite Spule (13) eine axiale Länge besitzt, die gleich 50% des benötigten linearen Be­ reichs der Kernbewegung beträgt, und
• - die dritte Spule eine axiale Länge, die 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.