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Beschreibung
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus der DE-OS-30 32 381 ist bereits eine Meßeinrichtung mit einem
Induktivgeber bekannt, die die zeitliche Änderung eines Induktivitätswertes erfaßt.
Insbesondere wird in dieser Offenlegungsschrift eine Darstellung einer konstanten
Stromquelle in Reihe zu der veränderlichen Induktivität gezeigt, wobei an die Verbindungsstelle
von Stromquelle und Induktivität ein Inverter angeschlossen ist. Nach der Signalaufbereitung
des Ausgangssignals des Invertes mittels eines Komparators wird der Spritzbeginn
eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine detektiert.
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Aus einer weiteren Schrift, der DE-OS 3242317 ist darüberhinaus eine
Meßeinrichtung mit einem von einer Stromquelle angesteuerten Sensor bekannt, bei
der die Stromquelle insbesondere drehzahlabhängig steuerbar ist.
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Bei dem Gegenstand der zuerst genannten Schrift hat es sich als nachteilig
erwiesen, daß die Amplitude der Nutzsignale ein drehzahlabhängiges Verhalten, im
allgemeinen eine funktionale Abhängigkeit von der zu übertragenden Frequenz aufweist.
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Beim Gegenstand der letztgenannten Offenlegungsschrift wird dieser
Nachteil dadurch vermieden, daß die die Induktivität speisende Stromquelle einen
Strom erzeugt, der die gleiche funktionale Abhängigkeit wie die induzierten Spannungssignale,
nämlich eine Abhängigkeit von Drehzahl besitzt. Allerdings ist diese Schaltungsanordnung
recht aufwendig hinsichtlich der Herstellung und es können nur Abhängigkeiten berücksichtigt
und eliminiert werden, die von vorherein bekannt sind.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie sehr einfach
aufgebaut ist und einen von der zeitlichen Veränderung der zu messenden Induktion
unabhängigen Scheitelwert der Signalamplitude aufweist. Dies wird durch einen Kurzschlußbetrieb
der
Meßinduktivität erreicht. Für die Anwendung im Kraftfahrzeug
wird durch diese Maßnahme die direkte bzw.
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die indirekte Drehzahlabhängigkeit der Signalamplitude weitgehend
eliminiert und eine einfache Weiterverarbeitung des Ausgangssignals gewährleistet.
Für Anwendungen, bei denen es auf eine Auswertung der Signalform der Signale ankommt,
weist die vorgeschlagene Anordung den Vorteil einer in hohem Maße unverzerrten Signalübertragung
auf. Auch in anderen Fällen, in denen drehzahlunabhängige, bzw. im allgemeinen von
der Frequenz der Meßgröße unabhängige Scheitelwerte eines lnduktivsensors erwünscht
sind (beispielsweise Klopferkennungsschaltungen, Wiegand-Geber) findet die Anordnung
vorteilhaft Anwendung.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine
vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Meßeinrichtung
möglich. So hat es sich zur Kompensation der Offseteinflüsse des ersten Operationsverstärkers
als vorteilhaft erwiesen, einen zweiten Operationsverstärker, der insbesondere als
Integrator beschaltet ist, einzusetzen.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Induktivität
dahingehend zu optimieren, daß das Verhältnis des ohmschen Spulenwiderstandes zum
lnduktiti tätswert der Spule insbesondere ein Minimum annimmt.
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Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung erweist sich insbesondere als
vorteilhaft beim Einsatz zur Erfassung der Raddrehzahl eines Kraftfahrzeugs. des
Kurbelwellenwinkels einer Brennkraftmaschine, der Brennkraftmaschinendrehzahl, des
Nadelhubs der Düsennadel einer Einspritzdüse (Hochdruck oder Niederdruck) einer
Brennkraftmaschine, der Klopfsignale, bei Wiegand-Gebern und ähnlichem.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und der Ausführungsbeispiele und den zugehörigen Zeichnungen.
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Zeichnungen Es zeigen Fig. 1 eine Übersicht über verschiedene bei
einem Kraftfahrzeug zu erfassende Betriebsparameter, die einem elektronischen Steuergerät
zugeführt werden, welches verschiedene Stellgrößen unter Zugrundelegung dieser Betriebsparameter
berechnet, Fig. 2, 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Fig. list mit 10 eine symbolisch
dargestellte Brennkraftmaschine bezeichnet, zu der ein Luftansaugrohr 11 hin- und
ein Abgasrohr 12 wegführt. Im Luftansaugrohr 11 ist zur Lasterfassung ein Luftmengenmesser
13 stromaufwärts einer Drosselklappe 14 mit einem Drosselklappenstellungssensor
15 vorgesehen. Zur Erfassung weiterer Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine
10 dient ein Drehzahlsensor 16, ein Kurbelwellenwinkelsensor 17. ein Klopfsensor
18 sowie insbesondere bei einer Brennkraftmaschine mit Einspritzung ein Nadelhubsensor
19, der den Düsennadelhub wenigstens einer Einspritzdüse 20 zur Kraftstoffzumessung
überwacht. Die Ausgangssignale dieser genannten Sensoren werden einem elektronischen
Steuergerät 21 zugeführt, welches in bekannter Weise beispielsweise durch einen
Mikrocomputer mit den erforderlichen peripheren Einheiten realisiert ist und Ausgangssignale
zur Ansteuerung verschiedener Stellglieder der Brennkraftmaschine berechnet. Beispielhaft
sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel Stellglieder für die Kraftstoffzumessung,
insbesondere ein Einspritzventil 20 sowie Stellglieder für die Zündung 22 dargestellt.
Darüberhinaus können natürlich noch andere Stellgrößen beispielsweise für die Abgasrückführung,
für eine Leerlauffüllungsregelung, eine Schubabschaltung oder ähnliches ermittelt
werden.
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Mit den Bezugsziffern 23, 24 sind zwei Räder eines Kraftfahrzeuges,
das mit der Brennkraftmaschine 10 ausgerüstet ist, bezeichnet. Sie sind durch eine
Achse 25 verbunden und drehbar an dieser befestigt. Zum Abremsen des Fahrzeuges
sind an den Rädern 23,24 Bremsen 26,27 vorgesehen. Weiterhin wird die Drehzahl der
Räder 23, 24 über Drehzahlsensoren 28, 29 überwacht.
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Die gleiche Anordnung ist ebenfalls für die beiden anderen Räder des
Kraftfahrzeuges vorgesehen und nur aus Gründen der einfachen Darstellung im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 nicht dargestellt. Dieses symbolisch dargestellte Antiblockiersystem
(ABS) erfüllt beim Bremsen von Kraftfahrzeugen zwei Aufgaben: Es verhindert das
Blockieren der Räder und schwächt die Tendenz eines Kraftfahrzeugs ab, sich bei
unterschiedlicher Griffigkeit der beiden Fahrbahnseiten um die eigene Hochachse
zu drehen. Die Funktionsweise ist an und für sich bekannt und das Ausführungsbeispiel
dient alleine der Erläuterung der Notwendigkeit, auch die Drehzahl der Antriebsräder
des Kraftfahrzeugs zu überwachen.
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Eine weitergehende Erläuterung der Funktionsweise eines ABS-Systems
sowie eines Steuergerätes zur Steuerung der Kraftstoffzumessung und des Zündzeitpunktes
sind beispielsweise den Veröffentlichungen der Robert Bosch GmbH - Technische Unterrichtungen,
Druckluftbremsanlagen, 1. Ausgabe, Juni 1981 sowie Motronic, 1. Ausgabe, Januar
1983 zu entnehmen. Der Inhalt dieser beiden Druckschriften wird hiermit ausdrücklich
in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen. Der Durchschnittsfachmann
kann für weitgehendere Erläuterungen auf den Inhalt dieses Materials zurückgreifen.
Verschiedene der genannten Sensoren, beispielsweise der Drehzahlsensor 16, der Kurbelwellenwinkelsensor
17, der Klopfsensor 18, der Nadelhubsensor 19 sowie die Raddrehzahlsensoren 28,29
können in vorteilhafter Weise als Induktivsensoren ausgebildet sein. Unter einem
Induktivsensor soll im weiteren ein Sensor verstanden werden, der auf zeitliche
Veränderungen eines elektromagnetischen Feldes bzw. auf Änderungen des Wertes einer
Induktivität empfindlich ist. Das zeitlich veränderliche Feld wird beispielsweise
durch einen Zahnkranz, der über seinen Umfang unterschiedliche Magnetisierungen
aufweist und am Rad bzw. an der Kurbelwelle befestigt ist, erzeugt. Der Induktivsensor
ist nun bezüglich des Zahnkranzes derart, beispielsweise stationär, angeordnet,
daß er vom magnetischen Wechselfeld des sich mit der Rad- bzw. Maschinendrehzahl
drehenden Zahnkranzes durchsetzt wird. Gemäß allgemein gültigen Gesetzen wird in
einer als Spule ausgebildeten Induktivität, die von einem zeitlich veränderlichen
Magnetfeld durchsetzt ist, eine Spannung induziert, die Rückschlüsse auf das zeitliche
Verhalten und die Stärke des elektromagnetischen Feldes zuläßt. Üblicherweise werden
diese Induktivitäten im Leerlauf betrieben, d.h. die nachfolgende Auswerteelektronik
besitzt einen sehr hohen Eingangswiderstand, so daß in der Spule praktisch kein
Strom fließt. Dann tritt bekanntermaßen für den Scheitelwert der induzierten Spannung
eine zusätzliche Abhängigkeit von der Frequenz des elektromagnetischen
Feldes
auf. Der Scheitelwert ist damit nicht nur direkt proportional zur Amplitude des
elektromagnetischen Feldes sondern auch zur Frequenz. Insbesondere die Induktiv-Geber-Anordnungen
an Kraftfahrzeugen weisen damit eine stark ausgeprägte Abhängigkeit des Scheitelwertes
der Ausgangssignalamplitude von der Drehzahl auf. Diese Drehzahlabhängigkeit ist
für die meisten Anwendungen störend und wird teilweise unter Einsatz von hohem Schaltungsaufwand
unterdrückt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist dagegen den Vorteil auf, daß
der Scheitelwert der Ausgangsamplitude im Idealfall überhaupt keine Abhängigkeit
von der Drehzahl bzw. allgemein von der Frequenz der zu messenden Größen aufweist.
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Betreibt man jedoch andererseits die Spule in Kurzschluß, d.h., daß
im Idealfall die Spulenanschlüsse über einen ohmschen Widerstand R = 0 miteinander
verbunden sind, so tritt infolge der elektromotorischen Kraft ein Strom in der Spule
auf, der sich für den Sonderfall eines verschwindenden Spulenwiderstandes RL = 0
als unabhängig von der Frequenz des die Spule durchsetzenden elektromagnetischen
Feldes erweist.
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Diese Beziehung, daß der in der Spule auftretende Strom 1 streng proportional
zur zeitlichen Änderung der Amplitude des magnetischen Feldes ist, gilt jedoch nur
dann exakt, wenn die Rückwirkungen des Spulenfeldes auf das primäre, zu messende
Magnetfeld vernachläßigt werden können. Dies ist jedoch für die meisten Anwendungen
in sehr guter Näherung erfüllt. Insgesamt gesehen ergeben sich mit einer im Kurschluß
betriebenen Spule folgende Vorteile: a) Der Scheitelwert des Spulenstromes ist unabhängig
von der Frequenz des zu messenden Magnetfeldes, b) für beliebige, d.h. für insbesondere
nicht rein sinusförmige zeitlich veränderliche Magnetfelder treten keine Verzerrungen
des Ausgangssignals infolge der überproportionalen Wichtung der Oberwellenanteile
auf.
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Eine mögliche Schaltungsanordnung zur Erfassun des Spulenstroms einer
im Kurzschluß betriebenen Induktivität List in der Fig. 2 dargestellt. Der mit 30
bezeichnete Operationsverstärker (OP 1) weist zwei Eingänge, einen invertierenden
Eingang 31 und einen nichtinvertierenden Eingang 32 auf. Am invertierenden Eingang
31 ist die Induktivität L mit einem ihrer heiden Anschlüsse angeschlossen, während
der nichtinvertierende Eingang 32 auf dem gleichen Potential wie der andere Anschluß
der Induktivität liegt. Dieses Potential kann bevorzugt durch Massepotential gegeben
sein, in manchen Anwendungsfällen hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, ein
anderes Bezugspotential einzustellen. Ein Ausgang 33 des Operationsverstärkers 30
ist über einen Widerstand 34 mit dem invertierenden Eingang 31 des Operationsverstärkers
30 verbunden.
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Für den als ideal angenommenen Operationsverstärker 30 gilt in der
dargestellten Beschaltung, daß der invertierende Eingang 31 im eingeschwungenen
Zustand des Operationsverstärkers auf dem gleichen Potential wie der nichtinvertierende
Eingang 32 liegt. Im vorliegenden Fall liegt der Eingang 31 somit auf Massepotential
(virtuelle Erde). Durch eine kurze Rechnung läßt sich zeigen, daß die Ausgangsspannung
UA am Ausgang 33 des Operationsverstärkers 30 bis auf einen durch die Beschaltung
des Operationsverstärkers bestimmten Proportionalitätfaktor direkt proportional
zum zeitlich veränderlichen Magnetfeld B(t) ist und einen von der Frequenz des Magnetfeldes
unabhängigen Scheitelwert aufweist.
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Die Darstellung in Fig. 3 unterscheidet sich vom Gegenstand der Fig.
2 dadurch, daß nun auch der in der Praxis vorhandene ohmsche Widerstand RL der Induktivität
L dargestellt ist und im folgenden in die tZberlegungen miteinbezogen wird. Die
in der Spule durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld B(t) induzierte elektromotorische
Kraft E ist in Fig. 3 symbolisch als Spannungsquelle dargestellt und mit der Bezugsziffer
36 gekennzeichnet. Ansonsten sind die Fig. 2 und 3 identisch.
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Unter Berücksichtigung dieses Innenwiderstandes RL der Induktivität
L unterscheidet sich für ein sinusförmiges, zeitlich veränderliches Magnetfeld B(t)
der Frequenz w die Ausgangsspanung UA durch einen Zusatzterm der Form (1 +(RL/w
L)"2. Dieser Term beschreibt also die Abweichung der strengen Proportionalität zwischen
der Amplitude des zeitlich veränderlichen Magnetfeldes und dem Scheitelwert der
Ausgangsspannung UA. Hieraus folgt, daß die Abhängigkeit des Scheitelwertes von
der Frequenz w umso geringer wird, je kleiner die Werte des Verhältnisses R1iL sind.
Für den Spezialfall einer zylindrischen Luftspule gilt näherungsweise, daß die Induktivität
L proportional zum Quadrat der Windungszahl und der Spulenwiderstand Rl direkt proportional
zur Windungszahl ist. Hieraus folgt, daß im Falle einer Verwendung von Luftspulen
somit eine möglichst hohe Windungzahl angestrebt werden sollte, um einen von der
Frequenz w weitgehend unabhängigen Scheitelwert zu erhalten. Die Windungszahl bestimmt
sich im einzelnen unter anderem durch die kleinste zu übertragende Frequenz.
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Beim Einsatz von Spulen mit ferromagnetischen Kernen ist die relative
Permeabilität C1 in die Betrachtungen mit einzubeziehen. Obwohl abhängig vom Einzelfall
wird dann der oben erwähnte Term im allgemeinen so wenig von 1 abweichen, daß er
in der Regel zu vernachlässigen ist. Diese Betrachtungen zur Dimensionierung müssen
von Fall zu Fall gesondert vom betreffenden Durchschnittsfachmann durchgeführt werden
und liegen im Bereich seines Fachkönnens.
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Die Schaltungen der Fig. 2 und 3 sind insbesondere für im Vergleich
zum Widerstand 34 sehr kleine Spulenwiderstände RL empfindlich auf Offseteinflüsse
am Eingang des Operationsverstärkers 30, da dieser für Gleichspannungskomponenten
nur schwach (im Idealfall RL = 0 überhaupt nicht) gegengekoppelt ist.
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Zur Kompensation dieser Einflüsse läßt sich die Schaltungsanordnung
falls notwendig (R30/RLs 1), gemäß Fig. 4 erweitern. Am Ausgang 33 des Operationsverstärkers
30 ist ein zweiter Operationsverstärker 40 mit seinem invertierenden Eingang 41
über einen Widerstand 42 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang 43 dieses
Operationsverstärkers 40 liegt wiederum auf dem gleichen Potential wie der weitere
Anschluß der Induktivität L. Ausgangsseitig ist dieser Operationsverstärker 40 mit
dem nichtinvertierenden Eingang 32 des Operationsverstärkers 30 verbunden. Vom Ausgang
des Operationsverstärkers 40 führt ein Kondensator 44 zum invertierenden Eingang
41.
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Dieser als Integrator beschaltete Operationsverstärker 40, dessen
durch Widerstand 42 und Kondensator 44 bestimmte Zeitkonstante von der unteren,
zu übertragenden Grenzfrequenz des zeitlich veränderlichen Magnetfeldes bestimmt
wird, erfaßt die Gleichspannungskomponenten am Ausgang 33 des Operationsverstärkers
30. Da der Operationsverstärker 40 ausgangsseitig mit dem nichtinvertierenden Eingang
32 von Operationsverstärker 30 verbunden ist, werden durch die Ein-
fügung
des Operationsverstärkers 40 in der dargestellten Weise die Gleichspannungskomponenten
am Ausgang des Operationsverstärkers 30 kompensiert.
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Insgesamt gesehen stellt die erfindungsgemäße Meßeinrichtung einen
sehr einfach eingebauten Meßgeber mit einem von der zeitlichen Veränderung, d.h.
insbesondere der Frequenz der zu messenden elektromagnetischen Wechselfelder unabhängigen
Scheitelwert der Ausgangsamplitude dar. Dies wird durch einen Kurzschlußbetrieb
der Meßinduktivität erreicht. Für Anwendungen im Kraftfahrzeug wird durch diese
Maßnahme die direkte bzw. indirekte Drehzahlabhängigkeit der Signalamplitude eliminiert
und eine einfachere, störsichere und kostengünstige Verarbeitung des Gebersignals
gewährleistet. Für Anwendungen, bei denen es auf eine Auswertung der Signalform
der Gebersignale ankommt, beispielsweise Nadelhubgeber, Kopfsensoren und ähnliches,
weist die vorgeschlagene Anordnung den Vorteil einer in hohem Maße unverzerrten
Signalübertragung auf. Auch in anderen Fällen, in denen drehzahlunabhängige Scheitelwerte
eines Induktivsensors erwünscht sind, beispielsweise bei der Schwellwertbestimmung
für Komparatoren zur Klopferkennung, Wiegand-Sensoren, Drehzahlsensoren, Sensoren
zur Erfassung des Kurbelwellenwinkels und ähnliches, findet die Anordnung sehr vorteilhaft
Anwendung.