DE3533838A1 - Vorrichtung zur messung und umsetzung physikalischer in elektrische groessen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine bekannte Vorrichtung dieser Art (US-PS 41 62 083) dient der Höhenbestimmung und -regelung eines Kraftfahrzeugs durch die gesteuerte Zuführung eines Druckmittels beispielsweise zu den Stoßdämpfern des Kraftfahrzeugs. Die Höhenmessung erfolgt mit Hilfe eines mechanisch-elektrischen Konverters, der die Verdrehung einer Welle in ein elektrisches Ausgangssignal umsetzt. Zu diesem Zweck umfaßt der Höhensensor eine elektrische Kernspule, über welche ein Rohrteil mechanisch, die Spule ganz oder teilweise einschließend, gedreht werden kann. Der Spulenstrom dieses induktiven Wandlers ist dann ein Maß für die Höhe des Fahrzeugs und kann entsprechend ausgewertet werden.

Bekannt sind ferner ähnliche oder vergleichbare Gebersysteme für die Höheneinstellung (Niveausteuerung) bei einem Kraftfahrzeug aus der GB-PS 20 84 762 und der Europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 00 91 017.

Allgemein sind induktive Wegsensoren bekannt, bei denen eine feststehende Spule durch einen bewegten Kurzschlußring positionsabhängig bedämpft wird, so daß das Ausmaß der Bedämpfung eine Positionsangabe beinhaltet. Es ist ferner bekannt, zwei Spulen einer sogenannten ratiometrischen Bedämpfung zu unterwerfen (sogenannter Differentialgeber), wobei die Bedämpfung aber insgesamt nur wirksam und auch hinreichend auswertbar ist, wenn zwischen den Spulen und dem Kurzschlußring eine gute magnetische Kopplung besteht. Die Erzielung einer solchen magnetischen Kopplung ist aber aus baulichen Gründen nicht immer möglich, außerdem ergeben sich Probleme mit der Linearität bei solchen Systemen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfreien Positions- oder Weggeber zu schaffen, der in der Lage ist, auch größere lineare Bewegungen oder Positionen (Größenordnung 10-20 cm) in eine entsprechende analoge elektrische Größe mit hoher Genauigkeit umzuwandeln, ohne daß das Erfordernis einer guten magnetischen Kopplung wie bei den bekannten Systemen entscheidend im Vordergrund steht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß bei einfachem Aufbau eine sehr genaue Positionsauswertung möglich ist, wobei der Kopplungsgrad zwischen der Sendespule und zunächst einer Zwischenspule sowie zwischen dieser und zwei Empfängerspulen von zweitrangiger Bedeutung ist. Auch eine beispielsweise konstruktiv unvermeidbar nur geringe Kopplung läßt sich durch einen entsprechend höheren Sendepegel und beispielsweise mehr Windungen auf der Zwischenspule in weiten Grenzen ausgleichen.

Eine unter Umständen noch geringere magnetische Kopplung zwischen der Zwischenspule, die das Sendesignal in der Frequenz modifiziert aufdie Empfängerspule überträgt, und den Empfängerspulen beeinträchtigt die grundlegende Funktion ebenfalls nicht, weil ein problemloser Ausgleich durch eine entsprechend höhere Empfindlichkeit der Empfangsschaltung, die durch geeignete Verstärkermittel und sonstige Schaltungen problemlos realisiert werden kann, ausgeglichen wird.

Es ist daher ein weiterer wesentlicher Vorteil vorliegender Erfindung, daß sich eine große konstruktive Freiheit in der Anordnung der jeweiligen Spulen der Positionsmeßeinrichtung ergibt, wobei diese sich vorzugsweise auch zum zusätzlichen Einbau oder Anbau an vorgesehene Funktionseinheiten, etwa Stoßdämpfer u. dgl., eignen. Die Erfindung findet daher ein bevorzugtes Anwendungsgebiet als Positionssensor bei der Niveauregelung von Kraftfahrzeugen und in entsprechender Zuordnung zu Stoßdämpfern beispielsweise, wie weiter unten noch erläutert wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung zu Messung und Umsetzung physikalischer in elektrische Größen möglich. Besonders vorteilhaft ist die eindeutige Beziehung der Empfängerspulen ausschließlich auf die bewegliche Zwischenspule durch eine selektive Frequenzankopplung, die sicher verhindert, daß etwa von der Senderspule ausgehende Signalenergie, die durch eine Positionsverschiebung nicht beeinträchtigt wird, unmittelbar von den Empfängerspulen ausgewertet wird.

Ein einfacher Frequenzwechsel kann hierbei durch die Reihenschaltung der beweglichen Zwischenspule mit einer Diode realisiert werden, wobei auf die Auswertung der Oberwellen der Sendefrequenz abgestellt wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen schematisiert die Fig. 1 und 2 mögliche Anordnungen von Sendespule, beweglicher Zwischenspule und Empfängerspulen zueinander und Fig. 3 die Wegabhängigkeit der gewonnenen elektrischen Ausgangsgröße in Form eines Diagramms, während die Fig. 4 eine mögliche Ausführungsform eines elektrischen Blockschaltbildes angibt, bei dem die Sende-, Zwischen- und Empfängerspulen Teil der Gesamtschaltung sind; Fig. 5 zeigt den Verlauf des Spulenstroms in der Zwischenspule über der Zeit und Fig. 6 zeigt bei einem möglichen Anwendungsbeispiel den Einbau der Sende-, Zwischen- und Empfängerspulen in den Stoßdämpfer eines Kraftfahrzeugs, der durch Ergänzung mit einem Gummibalg zugleich als Zusatzfeder einsetzbar ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, zwischen Sende- und Empfängerspulen nicht ein rein magnetisches Dämpfungselement anzuordnen, sondern eine weitere bewegliche Zwischenspule einzuschalten und elektrisch so auszubilden, daß die Zwischenspule von der Sendeenergie lediglich eine Oberwelle an die Empfängerspulen weitergibt, die Empfängerspulen also selektiv ausschließlich auf die Zwischenspule und insofern auch auf deren Position ansprechen und diese wiedergeben können.

In Fig. 1 ist schematisiert eine erste mögliche Anordnung der Spulen zueinander dargestellt; die stationäre Sendespule 1 enthält in ihrem Inneren eine sich entsprechend der zu bestimmenden Position bzw. der linearen Weglänge verschiebende, also bewegliche Zwischenspule 2, wobei angrenzend zu diesem Aufbau, und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beidseitig angrenzend an die Sendespule 1 jeweils eine Empfängerspule 3 a, 3 b angeordnet ist. In der Draufsicht ergibt sich dann die rotationssymmetrische Form auf der rechten Seite der Darstellung der Fig. 1. Die symmetrische Anordnung der beiden Empfängerspulen 3 a, 3 b seitlich zur Sendespule ist nicht zwingend; soweit es konstruktive Randbedingungen zulassen, können die Empfängerspulen auch an anderer Stelle, beispielsweise orthogonal zur Sendespule 1 angeordnet werden, wie dies bei den Empfängerspulen 3 a′, 3 b′ in Fig. 2 gezeigt ist.

Aus dieser Spulenkonfiguration heraus ergibt sich dann der Blockschaltbildaufbau der Fig. 4 in der Weise, daß ein Oszillator 10 eine geeignete Schwingfrequenz, beispielsweise ein Rechtecksignal mit fester Frequenz in der Größenordnung zwischen 10 . . . 50 kHz erzeugt. Nach Halbierung der Frequenz bei 11 gelangt diese über einen Pegelsteller 12 und einen Bandpaß 13 zur Herausfilterung lediglich Grundwelle des Signals auf die Senderspule 1. Die Resonanzfrequenz des Bandpasses oder Filters 13, von dem auch die Sendespule 1 ein Bestandteil sein kann, liegt daher bei 1/2 f _osz. Die Sendespule strahlt demnach ein elektromagnetisches Wechselfeld mit der halben Oszilalatorfrequenz ab, und das Filter 13 ist auch vorgesehen, um sicherzustellen, daß dieses Signal hinreichend oberwellenarm ist.

Entsprechend einem Merkmal vorliegender Erfindung ist die Zwischenspule 2, die ohne die Notwendigkeit der Beachtung von Kopplungsbedingungen zur Sendespule 1 angeordnet werden kann und in der eine Spannung mit der dann halben Oszillatorfrequenz von der Sendespule 1 induziert wird, mit einer Diode oder einer sonstigen, gleichrichtenden Einheit in Reihe geschaltet, so daß in der Zwischenspule 2 ein Strom fließt, wie er im Stromzeitdiagramm der Fig. 5 angegeben ist, nämlich ein gleichgerichteter Wechselstrom, der im Grunde ein Frequenzgemisch bildet, welches durch die nachstehende Formel auch in seinem Oberwellengehalt charakterisiert wird:

Dieser Strom I in der Zwischenspule 2 erzeugt seinerseits ein magnetisches Wechselfeld, so daß in den Empfängerspulen 3 a, 3 b; 3 a′, 3 b′ Spannungen induziert werden, die vom sinusförmigen Strom in der Zwischenspule 2 herrühren.

Insofern stellt die bewegte Zwischenspule 2 einen eigenen Sender dar, dem die zum Senden notwendige Energie durch magnetische Kopplung mit der feststehenden Sendespule 1 zugeführt wird, wobei infolge der Reihenschaltung der Zwischenspule 2 mit der Diode 2 a in der Zwischenspule ein Strom fließt, der einen besonders großen Signalanteil mit doppelter Frequenz enthält, wie dies der oben angegebenen Formel entspricht.

Das von den Empfängerspulen (3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′) aufgenommene Frequenzgemisch ist aber darüber hinaus noch postionsabhängig und, da die Zwischenspule 2 ihre Position zu den Empfängerspulen vorzugsweise im umgekehrten Verhältnis ändert, jeweils unterschiedlich.

Eine geringe magnetische Kopplung zwischen den Spulen 1 und 2 einerseits bzw. 2 und 3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′ andererseits ist in weiten Grenzen durch einen entsprechend größeren Ausgangspegel des Sendesignals und durch Erhöhung der Empfindlichkeit der Empfangselektronik ausgleichbar und daher beherrschbar. Dabei gewinnt die Erfindung durch die ratiometrische Messung aus dem Aplitudenverhältnis der Signale der beiden Empfängerspulen die Positionsangabe.

Die weitere Verarbeitung der von den Empfängerspulen aufgenommenen Signale ist daher so, daß der von der Sendespule 1 kommende Signalanteil in nachgeschalteten Bandsperren 14 a, 14 b für beide Empfängerspulen unterdrückt wird, wobei natürlich in gleicher Weise hier auch Bandfilter mit steilen Durchlaßkurven verwendet werden können, die ausschließlich auf die zweite Oberwelle des Zwischenspulensignals abstellen. Durch die Unterdrückung der Senderfrequenz in den Bandsperren 14 a, 14 b läßt sich jedoch der gesamte Oberwellensignalgehalt in den Empfängerspulen zur Positionsbestimmung auswerten. Es sind daher den Bandsperren 14 a, 14 b Gleichrichter nachgeschaltet, die die Oberwellensignale gleichrichten, wobei bevorzugt vom Takt des Oszillators 10 gesteuerte Gleichrichter 15 für beide Signale verwendet werden. Um das Amplitudenverhältnis der von den Empfängerspulen abgegebenen Oberwellensignale zu gewinnen, kann dann entweder eine sofortige Differenzbildung vorgenommen werden oder man regelt bevorzugt über einen beispielsweise dem Gleichrichter für die Empfängerspule 3 a, 3 a′ nachgeschalteten Regelverstärker 16 und Rückführung über die Leitung 16 a den Pegelsteller 12 auf einen festen, von der Position der Zwischenspule 2 unabhängigen Wert aus. Da sich der Verstärkungs- bzw. Abschwächungsfaktor des Pegelstellers 12 auch auf die nach Gleichrichtung von der anderen Empfängerspule 3 b, 3 b′ gewonnenen Gleichspannung auswirkt, stellt deren Größe unmittelbar das Verhältnis der Amplituden der Oberwellenspannungen in den beiden Empfängerspulen dar. Dieses Gleichspannungssignal kann über einen nachgeschalteten Tiefpaß 17 dann als der Position der Zwischenspule entsprechend ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
Dabei gilt für die Regelschleife die folgende Formel:

U ₁ = U _o · ν · k _o · k ₁ · a = 1

und mit: Für die Pegelsteuerung gilt:

= U _o · ν · k _o · k ₂ · a

Bei dem Ausführungsbeispiel der Spulenanordnung entsprechend Fig. 2 sind entsprechend den möglichen oder erwünschten konstruktiven Randbedingungen die Empfängerspulen 3 a′ und 3 b′ orthogonal zur Sendespule angeordnet, so daß in den Empfängerspulen nur die Spannung induzierbar ist, die vom oberwellenreichen Strom in der Zwischenspule 2 herrührt. Da im Falle der Fig. 2 die beiden Empfängerspulen 3 a′, 3 b′ mit Bezug auf die von der Zwischenspule 2 durchgeführte Verschiebebewegung gleichsinnig symmetrisch angeordnet sind, ergibt sich bei phasenrichtiger Gleichrichtung mit den gesteuerten Gleichrichtern 15 ein Ausgangsspannungsverlauf U von der grundsätzlich, einer in etwa einem flachgelegten S entsprechenden Form, wie sie in Fig. 3 über den Weg bzw. in Abhängigkeit zur Position s dargestellt ist. Dabei bedeutet s = o, daß sich die Zwischenspule 2 in der Mittenposition befindet.

Es ist problemlos möglich, durch die positionsabhängige Ausgestaltung des Kopplungsfaktors k _o zwischen Sendespule 1 und Zwischenspule 2, beispielsweise durch eine besondere Formgebung der Sendespule, die in Fig. 3 dargestellte Funktion u = s(s) im Arbeitsbereich zu linearisieren.

Durch die verfügbare konstruktive Freiheit bei der Spulenpositionierung läßt sich die Erfindung vorzugsweise zum zusätzlichen Einbau oder Anbau an vorgegebene Funktionseinheiten ausnutzen. In der Darstellung der Fig. 6 ist ein Stoßdämpfer 18 beispielsweise für einen Pkw gezeigt, der durch Ergänzung mit einem Gummibalg 19 auch als Zusatzfeder einsetzbar ist. In diesem Stoßdämpfer ist bei 1 die Sendespule ringförmig eingebaut und beidseitig, also oben und unten angrenzend zu dieser die beiden Empfängerspulen 3 a, 3 b, während die Zwischenspule an dem relativ zum Stoßdämpferaußenteil und teleskopartig in dieses bewegbaren Innenteil 20 angeordnet ist.

Es versteht sich im übrigen, daß das in der Fig. 5 dargestellte Blockschaltbild, welches die Erfindung anhand diskreter Schaltstufen angibt, diese nicht beschränkt, sondern insbesondere dazu dient, die funktionelllen Grundwirkungen der Erfindung zu veranschaulichen und spezielle Funktionsabläufe in einer möglichen Realisierungsform anzugeben. Es versteht sich, daß die einzelnen Bausteine und Blöcke in analoger, digitaler oder auch hybrider Technik aufgebaut sein können oder auch, ganz oder teilweise zusammengefaßt, entsprechende Bereiche von programmgesteuerten digitalen Systemen, beispielsweise also Mikroprozessoren, Mikrorechner, digitalen oder analogen Logikschaltungen u. dgl. umfassen können.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung und Umsetzung physikalischer in elektrische Größen, insbesondere zur Positions- oder Wegmessung und insbesondere zur Bestimmung des Einfederungszustandes von Fahrzeugen o. dgl., etwa durch Erfassung der aktuellen Länge eines Stoßdämpfers, mit einer Sendespule und mindestens einer Empfängerspule, dadurch gekennzeichnet, daß eine stationäre Sendespule (1) sowie zwei ebenfalls stationäre Empfängerspulen (3 a, 3 b; 3 a′, 3 b′) vorgesehen und so angeordnet sind, daß eine zu diesen Spulen (1, 3 a, 3 b; 3 a′, 3 b′) bewegliche Zwischenspule (2) von der Sendespule (1) auf die Empfängerspulen ein jeweils positionsabhängig unterschiedliches Signal mit einer zur Senderfrequenz unterschiedlichen Frequenz überträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspule (2) kürzerer Länge innerhalb der sich über die Länge der Positionsverschiebung erstreckenden Sendespule (1) angeordnet ist, mit jeweils einer Empfängerspule (3 a, 3 b) an den entgegengesetzten Enden der Sendespule (1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspulen (3 a′, 3 b′) orthogonal zur Sendespule (1) längs einer gemeinsamen Achse und orthogonal zu der sich im Inneren der Sendespule bewegenden Zwischenspule (2) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Sendespule (1) in der beweglichen Zwischenspule (2) durch elektromagnetische Kopplung induzierte Signal durch die Zuordnung eines nichtlinearen elektrischen Schaltelements zur Zwischenspule in seiner Form und damit in seiner Frequenz mindestens teilweise derart geändert wird, daß den Empfängerspulen (3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′) nachgeschalteten Auswerteeinheiten bei Unterdrückung des Sendespulensignals ausschließlich positionsabhängige Oberwellensignale von der Zwischenspule erfassen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Zwischenspule (2) eine Diode (2 a) in Reihe geschaltet ist, derart, daß sich durch die hierdurch bewirkte Gleichrichtung des in der Zwischenspule (2) von der Sendespule (1) induzierten Wechselstroms ein oberwellenhaltiges und gleichzeitig positionsabhängiges Signal an den Empfängerspulen (3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′) ergibt, welches im Falle der unsymmetrischen Positionierung der Empfängerspulen (3 a, 3 b) zur Zwischenspulenverschiebung in den beiden Empfängerspulen positionsabhängig unterschiedliche Amplituden des empfangenen Signals induziert und bei symmetrischer Positionierung der Empfängerspulen (3 a′, 3 b′) zum Verschiebeweg der Zwischenspule ein seine Polarität im Mittendurchgang änderndes linearisiertes Gleichstromausgangssignal über dem Verschiebeweg.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (10) zur Erzeugung eines Rechtecksignals gegebener Frequenz (10-50 kHz) und diesem nachgeschaltet ein Frequenzteiler (11), ein Pegelsteller (12) und ein Oberwellen unterdrückendes Bandpaßfilter (13) vorgesehen sind, an welches die Sendespule (1), gegebenenfalls als Teil desselben, angeschlossen ist, und daß den beiden Empfängerspulen (3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′) Filter (14 a, 14 b) nachgeschaltet sind, die mindestens die Grundwelle des die Sendespule (1) speisenden Oszillatorsignals unterdrücken derart, daß ausschließlich das oberwellenhaltige und damit positionsabhängige Empfängerspulensignal zur Auswertung gleichgerichtet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Empfängerspulen (3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′) nach Ausfilterung der Sendespulen-Grundwelle zur Gleichrichtung des frequenzverschobenen positionsabhängigen Oberwellensignale jeweils vom Oszillator taktgesteuerte Gleichrichter nachgeschaltet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichterausgang einer der Empfängerspulen (3 a, 3 a′, 3 b, 3 b′) auf den Eingang des Pegelstellers (12) vor der Sendespule (1) zurückgeführt ist derart, daß der sich ändernde Ausgangswert der anderen Empfängerspule das Verhältnis der Amplituden der in den beiden Empfängerspulen von der Zwischenspule (2) induzierten Oberwellenspannungen darstellt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung zur Positionsbestimmung in den Stoßdämpfer (18) eines Fahrzeugs eingebaut ist, wobei die stationäre Sendespule (1) mit beidseitig angrenzenden Empfängerspulen (3 a, 3 b) am inneren Umfang eines ersten Stoßdämpferteils so angebracht ist, daß über den Verschiebeweg eines inneren, relativ zum äußeren bewegbaren Stoßdämpferteilstück die an diesem befestigte Zwischenspule (2) ihre Position zu den Empfängerspulen verändern kann.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Frequenzteilung vor der Sendespule (1) die gesteuerte Gleichrichtung des Oberwellensignals mit der Oszillatorfrequenz erfolgen kann.