DE3817371A1

DE3817371A1 - Differentieller induktiver geber mit digitalausgang

Info

Publication number: DE3817371A1
Application number: DE19883817371
Authority: DE
Inventors: Frantisek Dipl Ing Klein; Leos Dipl Ing Vavlavik; Stanislav Dipl Ing Kirchner
Original assignee: ZVL VYZK USTAV PRO VALIVA
Current assignee: ZVL VYZK USTAV PRO VALIVA
Priority date: 1988-05-20
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1989-11-30
Also published as: GB2219404A; CH677145A5; GB8812889D0

Description

Die Erfindung betrifft einen differentiellen induktiven Geber mit Digitalausgang zur Erfassung nichtelektrischer und insbesondere mechanischer Größen, der sich besonders für Einrichtungen mit Mikrorechnern eignet.

Zur Erfassung nichtelektrischer, insbesondere mechanischer Größen werden vielfach differentielle induktive Geber verwendet, die zwei Spulen mit einem gemeinsamen beweglichen Kern aufweisen. Die Änderung der Meßgröße ruft eine Änderung der Geberkernlage und damit eine Änderung der Induktivität beider Äste des Gebers hervor. Bei bisher bekannten Schaltungen von differentiellen induktiven Gebern mit Digitalausgang wird bei beiden Ästen des Gebers eine Wechselstrombrückenschaltung herangezogen, die von einem Sinusoszillator gespeist wird. Die Ausgangsspannung der Brücke wird nach Verstärkung durch einen Wechselspannungsverstärker mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter gleichgerichtet. Nach der zwingend erforderlichen Filterung wird die auf diese Weise gewonnene Gleichspannung, die annähernd der gemessenen Größe proportional ist, mit einem Analog-Digital-Wandler in ein entsprechendes digitales Signal umgewandelt. Die Nachteile dieser bekannten Schaltungen liegen insbesondere in den extremen Anforderungen an alle Bauelemente der Schaltung sowie ihrer beträchtlichen Kompliziertheit. Diese Anforderungen sind besonders eine kleine Verzerrung, Amplituden- und Phasenstabilität des Oszillators, eine gute Amplituden-Phasen-Übertragungscharakteristik des Wechselspannungsverstärkers, Linearität des phasenempfindlichen Gleichrichters sowie eine hohe Genauigkeit des verwendeten Analog-Digitalwandlers. Diese Anforderungen werden durch die weiteren Forderungen nach zeitlicher Stabilität und Temperaturstabilität noch gesteigert. Aus der Kompliziertheit dieser Schaltungen ergeben sich ferner hohe Materialkosten und insbesondere ein hoher Arbeitsaufwand bei Fertigung und Inbetriebnahme aufgrund der Notwendigkeit einer genauen Einstellung aller Schaltkreise.

Die resultierenden Eigenschaften dieser bekannten Schaltungen unterliegen prinzipiell durch Auftreten einer Klirrverzerrung der Ausgangsspannung der Brücke, die durch die Eigenschaften des Geberkerns gegeben ist, durch das zugrundeliegende mathematische Modell, bei dem vorausgesetzt wird, daß die relative Änderung der Induktivität beider Äste des Gebers direkt proportional der Geberkernverschiebung ist, und schließlich durch die bekannte Nichtlinearität der Eigenschaften der nichtausgeglichenen Brückenschaltung erheblichen Einschränkungen. Hinzu kommt noch die erhebliche Anfälligkeit dieser bekannten Schaltungen gegenüber Störsignalen, die sowohl von der eigentlichen Schaltung (Rauschen elektronischer Bauteile) als auch von Störsignalen herrühren, die aus der äußeren Umgebung über die Anschlußleiter sowie durch elektromagnetische Induktion in die Schaltung gelangen, was in der Praxis eine Begrenzung des dynamischen Meßgrößenbereichs auf maximal 80 Dezibel bedeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen differentiellen induktiven Geber anzugeben, der die oben erläuterten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, einfach aufgebaut ist, geringe Störungsempfindlichkeit besitzt, einen großen Meßbereich aufweist und hochstabil ist.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Die Konzeption des erfindungsgemäßen differentiellen induktiven Gebers für nichtelektrische Größen und mit Digitalausgang ist gekennzeichnet durch einen differentiellen induktiven Aufnehmer, dessen beide Ausgänge der beiden Zweige mit den beiden Eingängen eines steuerbaren Umschalters und dessen gemeinsamer Ausgang der beiden Zweige mit dem Eingang eines Oszillators verbunden sind, an dessen anderen Eingang der Ausgang des Umschalters angeschlossen ist, sowie eine Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung, deren Eingang mit dem Ausgang des Oszillators und deren Ausgang mit dem Steuereingang des steuerbaren Umschalters verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Schaltung weist besonders folgende Vorteile auf:

- Sie ist sehr einfach und erfordert keinen besonderen Aufwand bei der Fertigung und Einstellung;
- sie enthält keine genauen und teuren Analog-Bauelemente;
- sie eignet sich besonders für den Anschluß an Mikrorechner;
- sie weist aufgrund der direkten Überführung der gemessenen Größe in die Intervallänge der Oszillatorschwingungen eine minimale Empfindlichkeit gegenüber störenden Einflüssen auf und ermöglicht es, Meßgrößen in einem Dynamikbereich von bis zu 100 Dezibel zu verarbeiten;
- sie weist eine vorzügliche Linearität der Übertragungscharakteristik auf, die sich aus der geeigneten Wahl des zugrundeliegenden mathematischen Modells ergibt, wobei die Möglichkeit einer weiteren Verbesserung durch geeignete Approximation besteht;
- sie besitzt hervorragende thermische Stabilität sowie Langzeitstabilität hinsichtlich der Übertragungscharakteristik;
- sie ermöglicht eine leichte Realisierung von Mehrkanal-Messungen.

Ein Beispiel für die Schaltung eines erfindungsgemäßen differentiellen induktiven Gebers mit Digitalausgang für nichtelektrische Größen ist auf der Zeichnung als Blockschaltbild dargestellt.

Der gemeinsame Ausgang 5 des differentiellen induktiven Aufnehmers 1 ist mit dem ersten Eingang 12 eines Oszillators 3 verbunden. Der Ausgang 6 des einen Zweigs des Aufnehmers 1 ist an den ersten Eingang 8 eines Umschalters 2 angeschlossen; analog ist der Ausgang 7 des anderen Zweigs des Aufnehmers 1 mit dem zweiten Eingang 9 des Umschalters 2 verbunden. Der Ausgang 11 dieses Umschalters 2 ist an den zweiten Anschluß 13 des Oszillators 3 angeschlossen, dessen Ausgang 14 mit dem Eingang 15 einer Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung 4 verbunden ist, deren Ausgang 16 am Steuereingang 10 des Umschalters 2 liegt.

Die Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung 4 kann vorteilhaft mit Mikroprozessorschaltungen realisiert werden, z. B. mittels zwei LSI-MOS-Schaltungen und einer LS-TTL-Schaltung.

Die Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung 4 verbindet mittels des Umschalters 2 die einzelnen Zweige des differentiellen induktiven Aufnehmers 1 mit dem Oszillator 3. Die Induktivität L des über dem Umschalter 2 angeschlossenen Zweiges des Aufnehmers 1 ist Bestandteil des abgestimmten Schwingkreises des Oszillators 3, wobei für die Periodendauer T der Schwingungen des Oszillators 3 die bekannte Beziehung

gilt, worin C die Kapazität ist, die mit der Induktivität L des betreffenden Zweigs des Aufnehmers 1 einen abgestimmten Schwingkreis bildet. Wenn mit dem angeschlossenen ersten Zweig des Aufnehmers 1 für die Periodendauer T₁ der Schwingungen des Oszillators 3 die Beziehung

gilt, worin L₁ die Induktivität des ersten Zweigs des Aufnehmers 1 ist, gilt analog auch für den angeschlossenen zweiten Zweig des Aufnehmers 1 für die Periodendauer T₂ der Schwingungen des Oszillators 3 die Beziehung

worin L₂ die Induktivität des ersten Zweigs des Aufnehmers 1 ist.

Zwischen der Meßgröße y und den Induktivitäten L₁ und L₂ der Zweige des Aufnehmers 1 besteht allgemein folgende Beziehung:

y = f [g(L₁, L₂)] (4)

Als eine der geeigneten Approximationen der Funktion g(L₁, L₂) kann die Funktion

verwendet werden.

Unter der Voraussetzung, daß der Umschalter 2 die einzelnen Zweige des Aufnehmers 1 hinsichtlich der geforderten dynamischen Eigenschaften hinreichend schnell umschaltet, ergibt sich durch Einsetzen der Beziehungen (2) und (3) in die Beziehung (5)

wobei es offensichtlich ist, daß der Wert dieser Funktion nicht von Änderungen der Periodendauer T₁, T₂ der Schwingungen des Oszillators 3 abhängig ist, die durch die thermische oder Langzeitinstabilität des Oszillators 3 hervorgerufen werden; demgemäß sind erfindungsgemäß alle Instabilitäten, mit Ausnahme der Instabilitäten des Aufnehmers 1, kompensiert.

Der Ausdruck (4) kann dann unter Anwendung der Beziehung (6) als

geschrieben werden. Es kann nachgewiesen werden, daß bereits eine lineare Approximation dieser Funktion zu einer besseren Linearität der Übertragungscharakteristik der Schaltung führt, als dies bei herkömmlichen Schaltungen mit dem gleichen Aufnehmer und mit Wechselstrombrücke der Fall ist, wobei die Linearität durch Approximation der Funktion (7), z. B. durch ein Polynom, weiter verbessert werden kann.

Die Steuerung des Umschalters 2, die Messung der Periodendauer T₁ und T₂ der Schwingungen des Oszillators 3, die Berechnung der Meßgröße y und ihre Darstellung oder weitere Verarbeitung werden durch die Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung 4 sichergestellt. Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bei gleichzeitig kleineren Ansprüchen an die Meßgeschwindigkeit kann die Periodendauer T₁, T₂ der Schwingungen des Oszillators 3 gegen die Dauer T₁′, T₂′ einer geeigneten gleichen Zahl aufeinanderfolgender Schwingungen des Oszillators 3 getauscht werden.

Aufgrund der oben erläuterten Eigenschaften eignet sich der erfindungsgemäße differentielle induktive Geber mit Digitalausgang für nichtelektrische Größen sehr vorteilhaft zum Einsatz in der Meß-, Regelungs- und Automatisierungstechnik.

Claims

1. Differentieller induktiver Geber mit Digitalausgang zur Erfassung nichtelektrischer und insbesondere mechanischer Größen, gekennzeichnet durch
einen differentiellen induktiven Aufnehmer (1), dessen beide Ausgänge (6, 7) der beiden Zweige mit den beiden Eingängen (8, 9) eines steuerbaren Umschalters (2) und dessen gemeinsamer Ausgang (5) der beiden Zweige mit dem Eingang (12) eines Oszillators (3) verbunden sind, an dessen anderen Eingang (13) der Ausgang (11) des Umschalters (2) angeschlossen ist,
sowie eine Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung (4), deren Eingang (15) mit dem Ausgang (14) des Oszillators (3) und deren Ausgang (16) mit dem Steuereingang (10) des steuerbaren Umschalters (2) verbunden sind.

2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der differentielle induktive Aufnehmer (1) zwei Induktionsspulen aufweist.

3. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (2) und/oder der Oszillator (3) und/oder die Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung (4) in Form von einer oder mehreren integrierten Halbleiterschaltungen vorliegen.

4. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung (4) eine Mikroprozessorschaltung ist.

5. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs-, Auswertungs- und Indizierungsschaltung (4) so ausgebildet ist, daß sie neben der Steuerung des Umschalters (2) die Periodendauer T₁ und T₂ der Schwingungen des Oszillators (3) sowie die Berechnung der Meßgröße y und ihre Darstellung und/oder ihre Weiterverarbeitung durchführt.