DE3343885C2 - Induktiver Sensor - Google Patents

Induktiver Sensor

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    • G01R27/2611—Measuring inductance

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei derartigen Sensoren wird durch das Verschieben eines Eisenkerns die Induktivität einer Spule verändert. Durch eine Elektronik wird diese Veränderung erfaßt und in einen Weg umgeformt.
Gebräuchlich ist es, hierzu die Spule als frequenzbestimmendes Teil eines Schwingkreises einzusetzen (DE-OS 20 46 336). Bei Induktivitätsänderungen wird dann der Schwingkreis verstimmt. Die dadurch bewirkte Frequenzveränderung wird ausgewertet und analog in ein entsprechendes Wegsignal umgeformt.
Nachteilig an dieser Lösung ist es, daß die aktiven Bauteile des benötigten Oszillators temperaturabhängig sind, wodurch der Meßwert ungenau wird, insbesondere bei großen Temperatur-Schwankungen. Weiterhin ist die Beziehung zwischen Frequenz und Induktivität bzw. Weg des Eisenkerns mit
nicht linear, wodurch eventuell noch eine Korrektur-Schaltung notwendig wird.
Aus der DE 31 33 043 A1 ist weiter ein Druckfühler bekannt, der nach einem anderen Meßprinzip arbeitet. Durch einen beweglichen Magneten wird der Hystereseknick des Magnetmaterials des Kerns einer Spule verschoben. Bei dem Kern handelt es sich um ein Teil aus einem speziellen, weichen Eisenmaterial mit scharfem Hystereseknick, welches schon bei geringen Stromstärken magnetisch gesättigt werden kann. Bei Erreichen der Sättigung nimmt der Spulenstrom sprunghaft zu. Ausgewertet wird die Zeit vom Anlagen einer Spannung bis zum Erreichen der o. g. Sättigung des Spulenkerns. Durch den verschiebbaren Permanentmagneten wird ein äußerer Magnetfluß erzeugt, durch welchen sich der Sättigungsfluß und damit die ausgewertete Zeit wegabhängig ändert. Nachteilig ist das Erfordernis eines speziellen, vermutlich teuren Eisenmaterials für den Spulenkern. Außerdem ist die Lage des Meßwertes von der Schärfe des Knickes der Hysteresekurve abhängig.
Schließlich ist aus der DE 29 42 134 A1 eine Auswerteschaltung für einen Induktivgeber bekannt, welche den Spannungsabfall an einer Spule auswertet. Dieser wird nach Einschaltung des Stromes durch einen Transistor am oberen Ende der Spule abgegriffen. Ein Komperator vergleicht diese Spannung mit einem festen Wert. Sowie der Spannungsabfall auf diesen Wert abgefallen ist, wird der Spulenstrom durch den Transistor wieder abgeschaltet. Die Zeit zwischen dem Anlegen der Spannung und dem Erreichen der Vergleichsspannung wird ausgewertet, und in eine physikalische Größe, z. B. den Weg des Kerns der Spule, umgerechnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die obengenannten Nachteile vermieden werden. Weiterhin soll die Elektronik einfach und preisgünstig aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 enthaltende Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In Fig. 1 ist schematisch der mechanische Teil des Sensors dargestellt.
In Fig. 2 ist als Blockschaltbild die Auswerteelektronik dargestellt.
In Fig. 3a-d ist ein Diagramm der Spannungen und Ströme der Elektronik nach Fig. 2 über der Zeit dargestellt.
In Fig. 4 ist ein Schaltbild eines schaltbaren strombegrenzenden Elements zu Fig. 2 dargestellt.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte mechanische Teil des Sensors besteht aus einer Spule 1, in die ein beweglicher Kern 2, der z. B. aus Eisen besteht, entsprechend dem zu messenden Weg eingeschoben werden kann. Der mögliche Hub des Kerns 2 kann etwa 2 cm betragen. Das zu messende Bauteil kann auch über einen Hebel angelenkt sein, so daß auch größere Verschiebungen gemessen werden können.
In Fig. 2 ist als Blockschaltbild die Auswerteelektronik dargestellt. Über das schaltbare strombegrenzende Element 18 wird eine Betriebsspannung UB auf die Spule 1 gegeben. Das schaltbare strombegrenzende Element 18 wird über einen Eingangs-Pegelwandler 17 vom Mikrocomputer 3 (Ausgang 15, OUT) angesteuert. Dieser Ansteuer-Impuls dauert vom Zeitpunkt to bis zum Zeitpunkt t₂ (siehe Fig. 6a). Dabei fällt an der Spule 1 die Spannung UE = UB ab (Fig. 3b).
Sobald der Spulenstrom iL einen festgelegten Wert erreicht hat, z. B. 45 mA, wird dieser Strom durch das schaltbare strombegrenzende Element 18 begrenzt bzw. gehalten. Während dieser Zeit (t₁-t₂) wird der Spannungsabfall an der Spule 1 nur noch vom ohmschen Widerstand bestimmt und ist vernachlässigbar klein. Anschließend wird der Spulenstrom von t₂-t₃ abgeschaltet. Der Zeitpunkt t₂ wird dabei vom Mikrocomputer 3 vorgegeben. Die dabei auftretende Spannung wird durch einen Abschalt-Begrenzer 19 auf einen ungefährlichen Wert, z. B. 45 V, begrenzt. Das Zusammenbrechen der Spannung UE im Zeitpunkt t₁ wird nach einer Pegelwandlung im Ausgangspegelwandler 20 an den Mikrocomputer 3 weitergeleitet. Dieser beendet dann die Abarbeitung des Zeitmeßprogramms und hält für die weitere Verarbeitung das Meßergebnis t₁-to, das proportional der Spulen-Induktivität ist, als Zahlenwert bereit.
Um den laufenden Meßvorgang abzuschließen und den nächsten Meßvorgang vorzubereiten, schaltet der Mikrocomputer das OUT-Signal und damit UE und iL ab. Die Abschaltenergie der Spule 1 wird durch den Abschaltbegrenzer 19 in kurzer Zeit und mit unschädlicher Spannungsspitze aufgenommen.
In Fig. 4 ist der linke Teil der Schaltung nach Fig. 2 mit dem schaltbaren strombegrenzenden Element 18, der Spule 1 und dem Abschaltbegrenzer 19 genauer dargestellt.
Das schaltbare strombegrenzende Element 18 besteht aus einer Steuerspannungsquelle (T2, R2, R3, R4) und aus einer spannungsgesteuerten Stromquelle (T1, T3, R1, D1).
Die Stromquelle setzt die zwischen den Schaltungsknoten K3 und K1 bestehende Steuerspannung proportional in einen Ausgangsstrom iL um. Der Regeltransistor T1 führt die Spannung an R1 der Steuerspannung nach. Der Transistor T3 dient hierbei als Stromverstärker. Die Diode D1 stellt einen Schutz gegen Überspannungen dar.
Die Steuerspannungsquelle leitet aus der Versorgungsspannung UB die Vergleichsspannung UK2-K1 ab. Aus dieser wird die o. g. Steuerspannung UK3-K1 abgeleitet. Diese weist die folgenden drei Zustände auf.
  • a) Abgeschaltet: Der Ausgang OUT des Mikrocomputers 3 hat den Wert 0 und legt den Knoten K4 mittels des Eingangspegelwandlers 17 auf das Potential von K1. Deshalb sperrt der Transistor T2 den Knoten K3 gegen K2 ab und die Steuerspannung ist Null. Die Transistoren T1 und T3 sind infolgedessen gesperrt.
  • b) Schwimmend: Der Ausgang OUT hat den Wert 1 und legt den Knoten K4 über den Eingangspegelwandler 17 auf Massepotential. Dadurch fließt über R1, T1 (Emitter-Basis-Strecke) und R2 ein geringer Strom, der die Transistoren T1 und T3 voll öffnet. Da infolge der Selbstinduktivität der Spule 1 (siehe Fig. 3) der Strom iL und damit die Spannung UK5-K1 von Null aus und die Spannung UK3-K1 von ca. 0,6 Volt aus rampenförmig ansteigen, ist T2 zunächst gesperrt, da er durch die Spannung UK2-K1 vorgespannt ist. In diesem Zustand "schwimmt" das Potential am Knoten K3 mit dem von K5 mit.
  • c) Begrenzt: Der Ausgang OUT hat weiterhin den Wert 1. Nach dem Durchlaufen des Zustandes b) ist iL so groß geworden, daß die Vorspannung an T2 zum Sperren nicht mehr ausreicht. Dadurch, daß T2 nun leitend wird, wird der von K3 über R2 nach K4 abfließende Strom nicht mehr allein von T1 geliefert. Dies bedeutet, daß T1 und T3 nicht mehr voll durchgesteuert sind, sondern nur soweit, daß die Spannung UK5-K1 genau so groß wie die Vergleichsspannung UK2-K1 wird. Dadurch stellt sich die Begrenzung des Spulenstroms iL auf den Wert ein.
Die Transistoren T1 und T2 sind thermisch gekoppelt, so daß sich eine Temperaturkompensation der Basis-Emitter-Spannungen von T1 und T2 einstellt. Der Wert iLM ist also temperaturstabil.
Der Abschaltbegrenzer 19 wird durch die Dioden D3 und D2 gebildet. D3 hält die während des Stromanstiegs an Spule und Abschaltbegrenzer anliegend positive Spannung von der Zener-Diode D2 fern.
Beim Auftreten der vom Zusammenbrechen des Spulenfeldes herrührender hohen negativen Abschaltspannung wird D3 leitend. Die Zener-Diode D2 kann nun zur Wirkung kommen. Die Abschaltspannungsspitze wird auf die Summe von Zenerspannung (D2) und Durchlaßspannung (D3) begrenzt.
Die Begrenzungsspannung beeinflußt die Abbaugeschwindigkeit des Spulenstromes iL. Da sie betragsmäßig viermal so groß wie die den Stromaufbau bewirkende Versorgungsspannung UB ist, geht der Stromabbau etwa viermal so schnell vonstatten. Dadurch ist die Anordnung in kurzer Zeit für einen neuen Meßvorgang bereit.

Claims (6)

1. Induktiver Sensor, insbesondere zur Wegmessung, mit einer Spule (1), einem bezüglich zur Spule (1) verschiebbaren Kern (2) und einer Elektronik, welche die jeweilige wegabhängige Induktivität der Spule (1) auswertet, wobei die Elektronik einen Mikrocomputer (3) enthält, welcher die Spule (1) mit einem Spannungsstoß anregt und aus dem resultierenden Ladestrom mittels einer Zeitmessung eine von der Verschiebung des Kerns (2) abhängige Induktivitätsgröße der Spule (1) ermittelt,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) die Spule (1) ist über ein vom Mikrocomputer (3) gesteuertes schaltbares strombegrenzendes Element (18) mit einer Spannung UB ansteuerbar (to bis t₂).
  • 2b) die Aufladezeit (to bis t₁) der Spule (1) bis zum Einsetzen der Strombegrenzung wird vom Mikrocomputer (3) ausgewertet und in eine wegabhängige Größe umgerechnet.
2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) die Ansteuerung des schaltbaren strombegrenzenden Elements (18) erfolgt über einen Eingangspegelwandler (17).
  • b) die Übermittlung der Aufladezeit der Spule (1) an den Mikrocomputer (3) erfolgt über einen Ausgangspegelwandler (20).
  • c) die Spule (1) ist an einen Abschaltbegrenzer (19) angeschlossen.
3. Sensor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltbare strombegrenzende Element (18) aus einer Steuerspannungsquelle (T2, R2, R3, R4) und einer nachgeschalteten spannungsgesteuerten Stromquelle (T1, T3, R1, D;) besteht.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren T1 und T2 thermisch gekoppelt sind.
5. Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) mit einer Druck-Membran verbunden ist.
6. Sensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Mikrocomputer (3) eine softwaremäßige Linearisierung des Meßwertes durchgeführt wird.
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