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Elektrischer Weggeber mit einem Oszillator
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Weggeber
mit einem Oszillator nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Bei einem bekannten elektrischen Weggeber dieser Art taucht ein Ferritstab
in Abhängigkeit von dem zu messenden Weg mehr oder weniger tief in eine Hochfreouenzspule
des Oszillator-Schwingkreises ein, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises
verändert wird.
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Das abgegebene Wegsignal ist dabei von der Änderung der Resonanzfrequenz
abhängig (DE-OS 26 12 682). Derartige Weggeber haben den Nachteil, daß der Ferritstab
ein besonders hergestelltes, leicht zerbrechliches Teil ist, welches innerhalb der
Spule axial verschiebbar angeordnet und geführt werden muß. Durch den Ferritstab
erhält man s-omit einen relativ aufwendigen und schweren Weggeber, der außerdem
noch durch uneinheitliche magnetische Eigenschaften eine zusätzliche Meßwertunge-Kauigkeit
mit sich bringt. Außerdem ist ein solcher
Weggeber immer nur für
eine bestimmte Einbaulage vorgesehen, da das Gewicht des Ferritstabes mit seiner
in Achsricht<ing wirkenden Komponente unmittelbar eine Verstellkraft für den
Ferritstab darstellt, die zur Erzielung eines richtigen Meßwertes konstant gehalten
werden muß.
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Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, einen elektrischen Weggeber
so zu gestalten, daß er mit hoher Genauigkeit und praktisch unabhängig von der Einbaulage
arbeitet, und daß er sich durch eine einfache Ausführung für eine Vielzahl von Anwendungsfällen
eignet.
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Der erfindungsgemäße elektrische Weggeber mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Hochfrequenzspule des Schwingkreises
durch Änderung ihrer axialen Länge in Abhängigkeit von dem zu messenden Weg eine
Änderung der Resonanzfrequenz bewirkt, so daß sie im einfachsten Fall ohne ein weiteres
Bauteil an einer Meßstelle angeordnet werden kann.
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Dabei ist ein Ende der Hochfrequenzspule an Masse gelegt und das andere
Ende wäre direkt oder über einen Steckkontakt mit den übrigen Bauteilen des Oszillators
und einer Auswerteschaltung zu verbinden. Durch das geringe Gewicht der Hochfrequenzspule
wird die an ihr wirkende Verstellkraft praktisch nicht mehr lageabhängig beeinflußt.
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Der Weggeber ist daher in jeder Lage einsetzbar. Bei Anwendungsfällen,
bei denen sich die magnetischen Verhältnisse im Bereich der Hochfrequenzspule nach
ihrem Einbau nicht mehr ändern, kann der elektrische Weggeber ohne eine Abschirmung
geeicht und anschließend mit hoher Genauigkeit betrieben werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.
Dabei it es besonders vorteilhaft, wenn die Hochfrequenzspule als Schraubenfeder
ausgebildet ist, deren axiale Länge gegen die ebenfalls praktisch lageunabhängige
Rückstellkraft der Schraubenfeder veränderbar ist. Für eine einfache Ausführung
ist es außerdem vorteilhaft, wenn das eine Ende der Schraubenfeder ortsfest angeordnet
und das andere Ende durch einen Wegfühler in Achsrichtung verschiebbar ist. Das
verschiebbare Ende der Schraubenfeder liegt dabei in vorteilhafter Weise in ihrer
Ruhelage an einem Anschlag an. Ein günstiger Einbau, eine zusätzliche Führung sowie
eine magnetische Abschirmung der Hochfrequenzspule gegen Fremdfelder läßt sich dadurch
erreichen, daß die HochBrequenzspule in einem Rohr aufgenommen ist, welches aus
magnetisch leitendem Material besteht.
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Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt
einen elektrischen Weggeber mit einer Schraubenfeder als veränderbare Induktivität
eines Oszillators und Figur 2 zeigt die Anordnung einer Schraubenfeder als veränderbare
Induktivität des Weggebers in einem Metallrohr.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist ein elektrischer
Weggeber mit einem Oszillator für die Abtastung der Stellung eines Gaspedals 10
in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Der Oszillator, wird mit einer Plusklemme 11
an das Bordnetz des Kraftfahrzeuges
angeschlossen. Er hat einen
LC-Schwingkreis, der aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren 12, 13 und einer
dazu parallel liegenden Hochfrequenzspule 14 gebildet ist.
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Der Schwingkreis liegt über einen pnp-Transistor 15 mit einem Emitterwiderstand
16 an eine stabilisierte Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird von einer Z-Diode
1T abgegriffen, die mit einem Widerstand 18 in Reihe geschaltet mit der Plusklemme
11 verbunden ist. Die Basis des Transistors 15 liegt über einen Widerstand 19 und
einem dazu parallel angeordneten Kondensator 20 auf Masse. Der Schwingkreis liegt
mit dem einen Ende seiner Hochfrequenzspule 14 und mit dem einen Anschluß des Kondensators
13 ebenfalls auf Masse, während er mit dem anderen Ende am Kollektor des Transistors
15 angeschlossen ist.
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Die Hochfrequenzspule 14 ist hier als Schraubendruckfeder aus einem
elektrisch isolierten Draht ausgebildet, deren unteres Ende 14a an einer Unterlage
21 und deren anderes Ende 14b an einem Wegfühler 22 befestigt ist. Der Wegfühler
22 besteht aus einem Isoliermaterial und fühlt mit einem Stift 23 die Stellung des
Gaspedals 10 ab. Die
axiale Länge 1 der Schraubendruckfeder 14 ist über' Weg fühler 22 gegen die Rückstellkraft
der Schraubendruckfeder 14 veränderbar. In ihrer Ruhelage liegt die Schraubendruckfeder
14 mit ihrem oberen, verschiebbaren Ende 14b über den Wegfühler 22 an einem ortsfesten
Anschlag 24 an.
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Das obere Ende 14b der Schraubendruckfeder 14 ist außerdem am Wegfühler
22 mit einem flexiblen Anschlußkabel 25 verbunden, welches zu dem Kondensator 12
des Schwingkreises, zum Kollektor des Transistors 15 sowie zu einer Ausgangsklemme
26 des Oszillators führt, an der das Meßsignal des Weggebers abgegriffen wird.
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Die Wirkungsweise des elektrischen Weggebers ist derart, daß beim
Anlegen einer Gleichspannung an die Plusklemme 11 über den Transistor 15 der Schwingkreis
mit den Kondensatoren 12 und 13 und der Induktivität der Spulendruckfeder 14 erregt
wird. Über einen Abgriff 27 zwischen den beiden Kondensatoren 12 und 13 wird in
bekannter Weise ein Teil der Spannung im Schwingkreis auf dep Eingang des Transistors
15 zurückgeführt und auf diese Weise die Schwingung aufrechterhalten. Die Resonanzfrequenz
fo ist dabei abhängig von der Induktivität L der Schraubendruckfeder 14 und der
Kapazität C der Kondensatoren 12 und 13. Sie ergibt sich nach der Formel:
Die Induktivität L ergibt sich dabei aus der Windungszahl n der Schraubendruckfeder
14 und ihrernmagnetischen Widerstand Rm. Sie berechnet sich nach der Formel:
Aus der Länge 1 der Schraubendruckfeder 14, ihrem Querschnitt a und der Permeabilitätyi
der eisenlosen Spulenanordnung mit dem Wert 1 ergibt sich der magnetische Widerstand
aus der Formel: Rm = t- 1 l a Der Faktor K ist von der Größe der Spule und dem Längen-Breiten-Verhältnis
der Schraubendruckfeder 14 abhängig.
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Durch eine Betätigung des Gaspedals 10 wird nur die Spulenlänge 1
der Schraubendruckfeder 14 geändert, während alle übrigen, die Resonanzfrequenz
fo beeinflussenden Größen unverändert bleiben. Daraus ergibt sich, daß bei
einen
elektrischen Weggeber nach Figur 1 die an der Ausgangsklemme 26 abgreifbare Resonanzfrequenz
fo durch die Änderung der Spulenlänge 1 verändert wird. Die Resonanzfrequenz fo
ist daher eine unmittelbare, annähernd proportionale Funktion der veränderbaren
Spulenlänge 1 und somit eine Funktion des zu messenden Weges. Die Resonanzfrequenz
kann dabei in vorteilhafter Weise über die Ausgangsklemme 26 unmittelbar zur Auswertung
auf einem Mikroprozessor geschaltet werden. Der Mikroprozessor kann gegebenenfalls
auch die übrigen Bauelemente des Oszillators enthalten.
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Zweckmäßig ist die Vorschaltung eines Frequenzteilers um ein niederfrequentes
Signal für die tP-Verarbeitung zu erhalten.
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Wird das Gaspedal 10 nach unten bewegt, so wird über den Wegfühler
22 die Schraubendruckfeder 14 zusammengedrückt.
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Bei einer kleiner werdenden Spulenlänge 1' verringert sich folglich
auch der magnetische Widerstand Rm, die Induktivität L nimmt dadurch zu und die
Resonanzfrequenz fo wird geringer, Diese Frequenzänderung kann nun unmittelbar als
Änderung der Gaspedalstellung über die Ausgangsklemme 26 von einer elektrischen
Schaltung oder einem Frequenzmesser ausgewertet und angezeigt werden.
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In Figur 2 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein elektrischer Weggeber
dargestellt, der beispielsweise zur Füllstandsanzeige im Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges
anzuordnen ist. Hier ist die Hochfrequenzspule als Schraubendruckfeder 30 ausgebildet,
wobei die übrigen in Figur 1 dargestellten Schaltungselemente des Oszillators vorzugsweise
gemeinsam mit einer Auswerteschaltung außerhalb des Kraftstofftanks angeordnet werden.
Das untere Ende 30a der Schraubendruckfeder 30 ist auf einer Unterlage 31, vorzugsweise
am Boden des Kraftstofftanks
befestigt und das obere Ende 30b
ist an einem Schwimmerkörper 32 befestigt. Außerdem ist am oberen Ende 30b der Schraubendruckfeder
30 ein flexibles Anschlußkabel 33 befestigt, welches vorzugsweise über einen Anschlußstecker
aus dem Kraftstofftank herausgeführt wird, während das untere Ende 30a der Schraubendruckfeder
30 mit Masse verbunden ist. Da der Kraftstoff im Kraftstofftank während der Fahrt
ständig in Bewegung ist, werden die Schraubendruckfeder 30 sowie der bis in die
Feder 30 ragende Schwimmerkörper 32 gegen diese Bewegungen des Kraftstoffes geschützt.
Zu diesem Zweck ist die Schraubendruckfeder 30 sowie der Schwimmerkörper 32 in einem
im Längsschnitt dargestellten Metallrohr 34 aufgenommen, da5 zur Durchführung des
Anschlußkabels 33 auf seiner einen Seite einen Längsschlitz 35 hat. Das obere Ende
34a des Metallrohres 34 bildet einen Anschlag für den im oberen Abschnitt im Schnitt
dargestellten Schwimmerkörper 32 in der Ruhelage der Schraubenzugfeder 30. Durch
eine Öffnung 36 in Bodennähe des Metallrohres 34 kann der Kraftstoff im Metallrohr
34 aufsteigen bzw. abfließen. In Abhängigkeit von der Füllstandshöhe des Kraftstoffes
wird der Schwimmerkörper 32 mehr oder weniger stark angehoben und damit wird die
Länge der Schraubendruckfeder 30 entsprechend verändert. Zur Abschirmung der Schraubendruckfeder
30 gegen Fremdfelder ist das Metallrohr 34 aus einem magnetisch leitenden Material
(Ferrit) hergestellt. Der magnetische Fluß verläuft daher innerhalb der Schraubendruckfeder
30 durch den Kraftstoff bzw. durch den Schwimmerkörper, wobei der magnetische Rückschluß
über das Metallrohr 34 geht. Der magnetische Widerstand des hochfrequenten Magnetfeldes
der Schraubendruckfeder 30 wird dabei praktisch vollständig durch den Weg innerhalb
der Spule bestimmt, da der magnetische Widerstand im Metallrohr sehr gering und
damit zu vernachlässigen ist. Wird
nun der Tank mit Kraftstoff
gefüllt und damit der Schwimmerkörper 32 - wie gestrichelt angedeutet - angehoben,
so wird die Länge der Schrauhendruckfeder 30 vergrößert.
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Damit vergrößert sich auch der magnetische Widerstand Rm, die Induktivität
L der Spulenanordnung nimmt ab und die Resonanzfrequenz fo des gemäß Figur 1 gebildeten
Schwingkreises wird erhöht. Die Änderung der Resonanzfrequenz ist damit unmittelbar
ein Maß für die Änderung des Tankinhaltes.
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Über ein entsprechendes Meßglied kann daher unmittelbar der Tankinhalt
angezeigt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, da elektrische Weggeber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 einen großen
Anwendungsbereich haben.
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Wesentlich ist dabei, daß die Änderung des zu messenden Weges zu einer
Änderung der axialen Länge einer Hochfrequenzspule im Schwingkreis eines Oszillators
verwendet wird. Dabei ist es auch möglich, daß nur ein Teil der Induktivität des
Schwingkreises als Hochfrequenzspule mit axial veränderbarer Länge ausgebildet ist.
Auch kann die Hochfrequenzspule von beiden Enden her zusammengedrückt bzw. gestreckt
werden. Derartige elektrische Weggeber lassen sich auch zur Druckmessung verwenden,
indem z.B. ein Ende der Hochfrequenzspule mit einer Druckmeßdose verbunden ist.
Anstelle einer Schraubendruckfeder kann auch eine aus Kupferdraht gewickelte Hochfrequenzspule
verwendet werden, wenn eine Rückstellkraft nicht benötigt wird bzw. wenn die Rückstellung
über einen Wegfühler oder dgl. erfolgt.
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Eine kompakte Ausführung des Weggebers läßt sich dadurch realisieren,
daß die Elektronik des Oszillators gemeinsam mit einem Frequenzteiler direkt an
der Hochfrequenzspule
mit angeordnet ist. Dabei kann die Hochfrequenzspule
zur Vermeidung von lösbaren Kontaktstellen unmittelbar mit der Kapazität des Oszillators
verbunden werden und der Weggeber kann potentialfrei montiert werden.
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