DE3600055A1

DE3600055A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des abstandes zwischen einem ortungsobjekt und einem abstandsdetektor

Info

Publication number: DE3600055A1
Application number: DE19863600055
Authority: DE
Inventors: Pierre Paris Azpiroz
Original assignee: LEquipement et la Construction Electrique ECE; ECE SAS
Current assignee: Safran Electronics and Defense Cockpit Solutions SAS
Priority date: 1985-01-10
Filing date: 1986-01-03
Publication date: 1986-07-10
Also published as: GB2169710B; GB8531590D0; GB2169710A; FR2575820B1; FR2575820A1

Description

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. DR. HERMANN FAY

.3. 3 6 O O i3 5

L'EQUIPEMENT ET LA CONSTRUCTION
ELECTRIQUE en abrege E.C.E.
157 rue Pelleport
F-PARIS 20 eme

7900 Ulm, 30.12.85 Akte V/6771 d/th

Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Abstandes zwischen einem Ortungsob.jekt und einem Abstandsdetektor.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Abstands eines beweglichen Ortungsobjekts mit ferromagnetischen Eigenschaften in einem bestimmten Abstandsbereich bezüglich eines Bezugspunkts, an dem ein Detektor angeordnet ist. Die Messung des Abstands eines Gegenstands oder Ortungsobjekts bezüglich eines bestimmten Bezugspunkts findet zahlreiche Anwendungen, von welchen die Unterscheidung zwischen der geöffneten und geschlossenen Stellung einer Metalltür, die Erfassung der Beinstellung des Fahrgestells eines Luftfahrzeugs oder dergl. genannt seien. Der Meßbereich einer solchen Vorrichtung ist besonders dann interessant, wenn das bewegliche Ortungsobjekt von verhältnismäßig großen metallischen Strukturen umgeben ist, die die Werte der zu messenden Lageänderung nicht beeinflussen dürfen.

Adresse: Postfach 1767,7900 Ulm-Donau Telefon Telegramme Pustscheckkonto Bankkonto

Eniingerstraße21 " (0731)64946 Prospat Ulmdonau Stuttgart73231 Deutsche Bank AG Ulm 184671

-X-

/ι/ In bestimmten Anwendungen sind die Standorte, an denen sich der Meßort und die elektronischen Mittel zur Auswertung der von der Erfassungseinrichtung gelieferten Informationen befinden, bisweilen unter einem Abstand zueinander angeordnet, der von einigen Zentimetern bis zu einigen zehn Metern betragen kann.

Im besonderen bei Luftfahrzeugen, bei denen das Installationsgewicht einer solchen Vorrichtung, die mehrere Näherungsdetektoren umfassen kann, ein kritischer Faktor ist, war man daher veranlaßt, den meßempfindlichen Teil bzw. Aufnehmer aus den elektronischen Meßkreisen herauszunehmen, die in einer mit Abstand installierten Baugruppe oder einer Karte zusammengefügt sind.

Es gibt bereits solche Vorrichtungen, die eine im Abstandsdetektor angeordnete Induktivität aufweisen, wobei die Einheit der Informationsauswertung eine klassische Induktivitätsmeßbrücke enthält (Maxwell-Brücke). Ein solches System erfordert zwischen dem bzw. den Abstandsdetektoren und der Auswerteeinheit eine Verbindung mit drei Leitern. Zur weiteren Gewichtsreduzierung zieht man es vor, daß der bzw. die Abstandsdetektoren und die Auswerteeinheit nur über zwei Leiter miteinander verbunden sind.

Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen bekannt,

die dazu einen im Abstandsdetektor angeordneten Serienresonanzkreis aufweisen. Insbesondere die franz. Anmeldung Nr. 82/03 694 beschreibt eine Vorrichtung eines induktiven Abstandsdetektors mit einem Serienresonanzkreis, der mit einem sinusförmigen Signal niedriger Frequenz gespeist wird und an welchem die Phasenverschiebung mit einem Phasenkomparator gemessen wird.

/X- Wenn auch die Funktion einer solchen Anordnung unter dem Gesichtspunkt der Meßgenauigkeit des Abstands des Ortungsobjekts als im wesentlichen zufriedenstellend anzusehen ist, so erlaubt sie es doch nicht, einer zwingenden Notwendigkeit gerecht zu werden, wenn sie nämlich bei einem modernen Luftfahrzeug verwendet werden soll. Dort ist die Simulation der Funktionsfähigkeit im Rahmen der teilweise strengen ^ Sicherheitskontrollen notwendig, die bei modernen Flugzeugen gefordert wird. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und eine Vorrichtung zur AbStandserfassung der oben beschriebenen Art zu schaffen, die eine solche Simulation durch sich selbst durchzuführen erlaubt, d. h. ohne Verwendung eines zusätzlichen Geräts.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei welchem die Messung des Abstandes eines Ortungsobjekts durch die Erfassung einer Stö-

-M-

rung der Spannung in einem dreieckförmigen Signal erfolgt.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, hierzu eine Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines beweglichen Ortungsobjekts mit magnetischen Eigenschaften zu schaffen, das von verhältnismäßig grossen metallischen Sturkturen umgeben sein kann, wobei ein induktiver Abstandsdetektor einen Serienresonanzkreis aufweist, der von einem Oszillator gespeist wird, ferner einen Komparator und eine stabilisierte Stromversorgung. Wach der Erfindung ist der den Abstandsdetektor versorgende Oszillator ein dreieckförmige Wellenzüge erzeugender Oszillator, der mit einem Leistungsverstärker verbunden ist, der so eingerichtet ist, daß er ein Ausgangsspannungssignal mit einer Störung erzeugt, wenn sich die Impedanz des Abstandsdetektors ändert, wobei ferner ein Logik-Schaltkreis mit drei Eingängen und ein nachtriggerbarer monostabiler Schaltkreis vorgesehen sind.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsschema der Vorrichtung des Abstandsdetektors nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Leistungsverstärkers ,

Fig. 3 in den Teilfiguren a) bis d) die Verformung der Ausgangsspannung des Verstärkers, wenn der Strom in dem Aufnehmer seine Richtung wechselt, wobei die Fig. 3b die Verformung am Ausgang des Verstärkers zeigt, wenn das Ortungsobjekt sich an der Nachweisschwelle durch den Aufnehmer befindet, während die Fig. 3c die gleiche Spannungzeigt, wenn das Ortungsobjekt dem Aufnehmer am nächsten ist und die Fig. 3 entsprechend bei Entfernung des Ortungsobjekts.

Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung einen Abstandsdetektor 1 und eine allgemein mit der Bezugsziffer 2 bezeichnete elektronische Schaltungsanordnung auf, die mit dem Abstandsdetektor über die beiden Leitungen 3 verbunden ist. Wie an sich bekannt, enthält der Abstandsdetektor 1 einen von einer Reihenschaltung einer Induktivität 4 und eines Kondensators 5 gebildeten Schwingkreis, der in einem Gehäuse 6 angeordnet ist.

Die elektronische Schaltungsanordnung 2 nach der Erfindung weist einen Oszillator O in der Art eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) auf, der im wesentlichen aus den Spannungskomparatoren 1a, 2a, 3a_y den Widersiänden R1, R2, R3, R4, R5 und dem Kondensator C1 in an sich bekannter Weise gebildet ist.

Der Oszillator O ist einerseits mit einem Spannungsverstärker 7 und einem Eingang eines Komparators 8

und andererseits mit einem Logik-Schaltkreis 9 (Und-Galfter) elektrisch verbunden. Der zweite Eingang des Komparators 8 ist an die Verbindung zwischen dem Spannungsverstärker 7 und einen Leistungsverstärker 10, dessen Aufbau im einzelnen nachfolgend noch beschrieben wird, und an einem der Eingänge eines weiteren Komparatrs 11 angeschlossen, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers 10 verbunden ist.

Die Ausgänge des Komparators 8 und des Komparators 11 sind ebenfalls mit dem Logik-Schaltkreis 9 verbunden.

Der Ausgang des Logik-Schaltkreises 9 ist mit einem nachtriggerbaren monostabilen Schaltkreis 12 verbunden, dessen Ausgänge Q und Q für die Abzweigung zu einer geeigneten Meldevorrichtung benutzt werden.

Der Kondendator 5 des Abstandsdetektors 1 ist an den Ausgang des Leistungsverstärkers 10 angeschlossen, während die Induktivität 4 mit Masse verbunden ist. Das Ganze wird durch eine stabilisierte Stromversorgung 13 wie dargestellt gespeist.

Der an den Spannungsverstärker 7 angeschlossene Leistungsverstärker 10 weist, wie in Fig. 2 dargestellt, zwei komplementäre Transistoren (NPN und PNP-Typ)

auf, die mit den Bezugsziffern 14 bzw. 15 bezeichnet sind. Die Basen der beiden Transistoren 14 und 15 sind miteinander verbunden und an den Ausgang des Spannungsverstärkers 7 angeschlossen. Die Verbindung der beiden Basen ist auch über einen Widerstand 16 mit dem Kollektor des Transistors 14 verbunden.

Die Emitter der Trasistoren 14, 15 sind miteinander sowie mit dem Kondensator 5 des Abstandsdetektors verbunden. Die Eigenschaft dieses Verstärkers ist, eine Störung seines Ausgaqgssignals zu erzeugen, wenn eine Änderung der Impedanz eines LC-Kreises auftritt, den er diEekt speist. Die Funktionsweise der Vorrichtung ist folgende: Der LC-Kreis des Abstandsdetektors wird im wesentlichen von dem Oszillator mit Hilfe des LefetungsVerstärkers 10 auf einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des LC-Kreises gespeist.

Der Kondensator C1 des Oszillators wird linear über den Widerstand R1 aufgeladen und entlädt sich über den Widerstand R2. Die Spannung am Punkt S1 hat einen dreieckförmigen Verlauf mit nur geringer Amplitude. Diese Spannung wird durch den Spannungsverstärker verstärkt, um das gesamte Intervall der Spannungsversorgung von 0 bis +V zu durchlaufen und dann leistungsmäßig verstärkt durch den Leistungsverstärker 10.

Der NPN-Transistor 14 des Leistungsverslärkers 10 speist in den LC-Kreis des Abstandsdetektors 1 einen Ladestrom ein, der linear von 0 bis +V anwächst.

Sobald der Strom aufhört anzuwachsen, wird die in dem LC-Kreis gespeicherte Energie über den PNP-Transistor 15 abgegeben.

Diese Änderung der Betriebsweise zwischen Aufladung und Entladung, die eine Verformung der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 10 erzeugt, ist bedingt durch die Schwellspannung der Basis-Emitter-Strecke jedes Transistors, die zum Übergang in die Leitfähigkeit zu überschreiten ist und aufgrund der reaktiven Belastung des Spannungsverstärkers 7. Diese Verformung zeigt sich in Form einer Spannungsstufe.

Der LC-Kreis des Abstandsdetektors 1, der nahe der Resonanzfrequenz abgestimmt ist, verhält sich wie ein reiner Widerstand, gespeist über eine Kapazität von unendlichem Wert. In diesem Fall liegt der Spannungssprung bei einem Wert von +V/2.

Wenn das Ortungsobjekt C, das magnetische Eigenschaften aufweist (z. B. aus weichem Stahl besteht), sich dem Abstandsdetektor 1 nähert, vergrößert sich die Induktivität der Spule 4 und somit die Impedanz des LC-Kreises. Diese Veränderung zieht eine Verformung der Wellenform der Ausgangsspannung des Leistungs-

Verstärkers 10 nach sich. Wenn das Ortungsobjekt C sich nähert, verkleinert sich der Strom in dem LC-Kreis und die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom ist derart, daß die Unterbrechung des Stromflusses des komplementären Transistorpaars NPN und PNP sich auf einem höheren Spanungswert zwischen +V/2 und +V vollzieht, so daß der Spannungssprung »steigt».

Wenn sich das Ortungsobjekt C von dem Abstandsdetektor entfernt, vollzieht sich der umgekehrte Vorgang und die Sp annungs stufe "sinkt", wie dies aus den Fig. 3"b» c, d hervorgeht.

Die Messung besteht darin, die verformte Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 10 mit einer Spannung der gleichen Art zu vergleichen, die als Referenzspannung dient und am Ausgang des Spannungsverstärkers 7 an der Verbindung zum Leistungsverstärker 10 abgegriffen wird.

Der Komparator 11, dem an einem seiner Eingänge die Ausgangsspannung VS des Leistungsverstärkers 10 und die Referenzspannung am Ausgang des Spannungsverstärkers 7 zugeführt wird, liefert an seinem Ausgang eine Impulsspannung, deren Dauer proportional zur Annäherung des Ortungsobjekts C an den Abstandsdetektor 1 ist.

Diese Impulsspannung entspricht einem logischen Zustand 1, -wenn die erste Spannungsstufe S1 größer ist als die zweite Spannungsstufe S2.

Um nur die Spannungsstufe zu berücksichtigen, die im ansteigenden Teil des dreieckförmigen Wellenzugs auftritt, läßt der Logik-Schaltkreis 9 (Und-Gatter) mit den drei Eingängen nur die Information während des Ze it Intervall s t^ und tp als gültig zu (Fig. 3c und

Der Ausgang des Logik-Schaltkreises 9 liefert einen Impuls von einer Länge, die proportional der Annäherung des Ortungsobjekts C an den Abstandsdetektor 1 ist.

Die ansteigende Flanke dieses Impulses wird zur Triggerung des monostabilen Schaltkreises 12 benutzt, dessen Zeitkonstante größer ist als die Periode des dreieckförmigen Wellenzugs, so daß sein Ausgang so lange in dem logischen Zustand 1 verharrt, wie an seinem Ausgang Impulse auftreten. Man verfügt so über ein kontinuierliches Signal, dessen logischer Zustand sich in Abhängigkeit des Abstandes des Ortungsobjekts C vom Abstandsdetektor 1 ändert.

Das Ausgangssignal des Schaltkreises 12 kann je nach Wunsch benutzt werden, um eine Melde-, Anzeige-, oder deigL. Vorrichtung zu betätigen.

Um die Lage des Ortungsobjekts bezüglich des Abstandsdetektors zu lokalisieren, muß die Frequenz des VCO-Oszillators O zunächst derart eingestellt werden, daß sich ein Verlauf nach Fig. 3b ergibt, der der Position des OrtungsObjekts an der Schwelle des Nachv/eises entspricht.

Wenn die Verwendung der Vorrichtung nur die Messung eines einzigen Abstandswertes des Ortungsobjekts C vom Abstandsdetektor 1 notwendig macht, wird nur der Beginn des Impulses verwendet.

Da als Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator benutzt wird, dessen Frequenz durch eine Gleichspannung eingestellt werden kann, ist es möglich, im Rahmen von Testversuchen eine angenäherte oder entferntere Position des Ortungsobjekts zu simulieren und zwar unabhängig von der tatsächlichen Position des Ortungsobjekts bezüglich des Abstandsdetektors.

Diese Eigenschaft ist im Rahmen von Wartungstests insbes. in den Fällen von Bedeutung, wenn die Vorrichtung nach der Erfindung in einem Luftfahrzeug eingesetzt ist.

Von Bedeutung ist schließlich auch, daß ein dreieckförmiger Wellenzug gewählt worden ist, um das Auftreten parasitärer Hochfrequenz auf der den Abstandsdetektor mit der Vorrichtung verbindenden Leitung zu vermeiden.

Claims

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. DR. HERMANN FAY L'EQUIPEMENT ET LA CONSTRUKTION ELECTRIQUE en abrege E.C.E. rue Pelleport F-PARIS 20 eme 7900 Ulm, 30.12.85 Akte P/6777 d/th Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des Abstandes eines Ortungsobjekts mit magnetischen Eigenschaften mit Hilfe eines induktiven Abstandsdetektors, dadurch gekennzeichnet, daß dazu eine Störung in der Spannung eines Signals mit dreieckförmigem Wellenverlauf erfaßt "wird, das direkt den Abstands detektor speist.

2. Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines beweglichen Ortungsobjekts mit magnetischen Eigenschaften zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in der Art eines induktiven Abstandsdetektors mit einem von einem Oszillator gespeisten Serienresonanzkreis, einem Komparator und einer stabilisierten Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß der den Abstandsdetektor (1) speisende Oszillator 0 ein dreieckförmige Wellen erzeugender Oszillator ist, an dem ein Leistungsverstärker (10) angeschlossen ist, der direkt den

Adresse: Postfach 1767,7900 Ulm-Donau Telefon Telegramme Postscheckkonto Bankkonto

Ensingerstraße21 ' (0731)64946 Prospat Ulmdonau Stuttgart 73231 Deutsche Hank AG Ulm 184671

Abstandsdetektor (1) speist und so ausgebildet ist, daß er ein Ausgangsspannungssignal erzeugt, das
eine Störung aufweist, wenn sich die Impedanz des Abstandsdetektors ändert, wobei ferner ein Logik-Schaltkreis (9) mit drei Eingängen und ein nachtriggerbarer monostabiler Schaltkreis (12) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet, daß da* Oszillator O ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ist, dessen Frequenz durch eine
Gleichspannung regelbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch'gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (10) einen NPN-Transistor (14) und einen PNP-Transistor (15)
aufweist, deren Basen miteinander verbunden sind
und deren Emitter ebenfalls miteinander verbunden sind, wobei der Kollektor des NPN-Transistors (14) mit seiner Basis über einen Widerstand (16) und die Verbindung der Emitter direkt mit dem Abstandsdetektor (1) verbunden sind.