DE4105642C2 - - Google Patents
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- G01D5/22—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature differentially influencing two coils
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Temperaturkompensation an einem induktiven oder kapazitiven
Aufnehmer zur Erfassung einer Meßgröße nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, 2 oder 3.
Induktive Aufnehmer werden z. B. als Differentialdrosseln oder
Differentialtransformatoren (LVDT) vor allem in der Wegmessung,
besonders unter rauhen Umgebungsbedingungen und in weiten
Temperaturbereichen eingesetzt.
Kapazitive Aufnehmer finden vor allem als Näherungssensoren und
Feuchtemesser Anwendung.
Ein Problem besteht bei diesen Aufnehmern darin, daß die Messungen
von der Temperatur des Aufnehmers beeinflußt werden.
Es sind verschiedene Verfahren zur Verminderung des
Temperatureinflusses des Ausgangssignals bei induktiven und
kapazitiven Aufnehmern bekannt.
So kann man einen Temperaturfühler am Aufnehmer anbringen, und die
Signalauswertung des Aufnehmers entsprechend korrigieren, oder,
wie in der aus der DE 37 27 265 A1 bekannten Anordnung ein
Bauelement einbauen, das einen Temperaturkoeffizienten aufweist,
der dem des Aufnehmers gegenläufig ist.
Diese Bauelemente bedeuten jedoch zusätzlichen Aufwand beim Einbau
und messen die Temperatur nicht dort, wo sie Störungen verursacht,
nämlich im Aufnehmer selbst.
Auch sind Verfahren bekannt, wie in der DE 36 02 107 A1 beschrieben,
wo der Oszillator am Eingang so geregelt wird, daß die Summe der
Ausgangsspannungen gleichbleibt. Regelbare stabile Oszillatoren
sind aber wesentlich schwieriger aufzubauen als nicht regelbare.
Bekannt ist auch aus der DE 39 10 597 A1 ein Verfahren, bei dem als
Maß für die Temperatur des Aufnehmers der Ohmsche Widerstand der
Primärspule gemessen und das Ausgangssignal korrigiert wird.
Nachteilig an der aus der DE 39 10 597 A1 bekannten Einrichtung ist,
daß die Spulen induktiver Sensoren generell mit Wechselströmen
betrieben werden, so daß die Messung des Ohmschen Widerstandes
nicht einfach und preiswert zu realisieren ist. Außerdem wird hier
nur die Widerstandsänderung des Leiterwerkstoffes gemessen. Der
Temperatureinfluß auf induktive Aufnehmer bei Wechselstrombetrieb
hat aber mehrere verschiedene Komponenten. So existieren bei
üblichen Oszillatorfrequenzen um 10 kHz Wirbelstromverluste, die
sich auch als nicht vernachlässigbarer ohmscher Widerstand
bemerkbar machen. Außerdem wird hier nur der Temperatureinfluß auf
die Primärspule kompensiert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, auf einfache und praktikable Art
eine Verringerung der Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals
von induktiven oder kapazitiven Aufnehmern zu ermöglichen,
- - ohne daß zusätzliche temperaturempfindliche Bauelemente am Aufnehmer befestigt werden müssen, und
- - ohne daß der Oszillator nachgeregelt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
der Ansprüche 1, 2 oder 3 jeweils angegeben Merkmale gelöst. Die
Größen Strom und Spannung sind dabei Wechselgrößen gleicher
Frequenz, die durch ihre Amplitude und Phasenverschiebung
gegeneinander charakterisiert sind. So ist es möglich, während der
laufenden Messung, ohne Unterbrechung, und ohne Anbringung eines
Temperaturfühlers, ein Naß für den Temperatureinfluß zu gewinnen,
wie er im Wechselstrombetrieb im induktiven Aufnehmer selbst
entsteht, und den Temperatureinfluß in der Auswerteelektronik
entsprechend zu korrigieren.
Dazu können bei Verwendung eines phasenselektiven Demodulators in
der Auswerteelektronik die Schaltpunkte des phasenselektiven
Demodulators nicht, wie üblich, in den Nulldurchgang des
umzuschaltenden Signals gelegt werden, sondern an eine Stelle, an
der die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals minimal wird.
Das beschriebene Verfahren funktioniert nicht nur bei
sinusförmigen Wechselgrößen am Eingang, sondern auch bei anderen
Signalverläufen, so z. B. bei der Anregung mit rechteckförmigen
Pulsen oder Pulsfolgen, wie sie bei Wirbelstromaufnehmern oft
verwendet werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Verwendung eines Differentialtransformators und eines
phasenselektiven Demodulators als Auswerteelektronik.
Fig. 3 zeigt die Signalverläufe in der Elektronik gemäß Fig. 2.
Fig. 4 zeigt die Temperaturdrift mit und ohne Kompensation.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird ein Aufnehmer A mit komplexer
Impedanz an der Eingangsseite von einem Oszillator O gespeist, so
daß eine Wechselspannung U anliegt und ein Wechselstrom I fließt.
Der Aufnehmer A liefert am Ausgang ein oder mehrere Signale S, aus
denen die Auswerteelektronik AE ein Ausgangssignal AS gewinnt, das
der Meßgröße X entspricht.
Die Steuerelektronik SE bildet nun aus einer der beiden
Eingangsgrößen U oder I, oder deren Phasen- oder
Amplitudenverhältnis ein Steuersignal ST mit dem die
Auswerteelektronik AE so beeinflußt wird, daß die
Temperaturabhängigkeit minimal wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2 und Fig. 3
verwendet einen Differentialtransformator als induktiven Aufnehmer
A zur Wegmessung X und einen phasenselektiven Demodulator, der aus
der Steuerelektronik SE , den Verstärkern V+, V- und dem Umschalter
US besteht.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Strom I in die Primärspule
PS eingeprägt und induziert über die magnetische Kopplung durch
den Kern K in den Sekundärspulen SS Wechselspannungen, zwischen
denen die Differenz S gebildet wird. Die Amplitude der
Wechselspannung als Signal S am Ausgang des Aufnehmers ist ein Maß
für die Verschiebung des Kernes K also für die Meßgröße X. Um
daraus ein Ausgangssignal AS zu gewinnen, das der Meßgröße X
entspricht, die ja ein Gleichsignal ist, wird günstigerweise ein
phasenselektiver Demodulator verwendet, der von Wechselsignalen am
Eingang des induktiven Aufnehmers A gesteuert wird.
Der Verstärker V+ verstärkt das Signal S, während V- ein um 180°
phasenverschobenes Signal erzeugt. Der Umschalter US wird über die
Steuerelektronik SE von der Primärseite des Aufnehmers A
gesteuert, so daß nach der Glättung im Filter F eine
Gleichspannung anliegt, die der Meßgröße X entpricht.
Üblicherweise wird die Steuerelektronik SE so eingestellt, daß der
Umschalter US jeweils die an V+ oder V- anliegenden positiven
Halbwellen aneinanderreiht, also im Nulldurchgang des Signals S
umschaltet. Dies reduziert die Oberwellen, die im Filter F
geglättet werden müssen.
Gegenstand der Erfindung ist es aber, daß diese Umschaltpunkte
nicht in den Nulldurchgang des Signals S gelegt werden, sondern,
um einen optimalen Phasenwinkel Φ opt an eine andere Stelle des
Signals S verschoben, und zwar dorthin, wo sich die
Temperatureinflüsse im Aufnehmer A kompensieren.
Die Wirkungsweise wird bei einer Temperaturerhöhung anhand von
Fig. 3 näher erläutert.
Fig. 3a zeigt den sinusförmigen Strom I der am Eingang des
Aufnehmers A eingeprägt wird.
In Fig. 3b ist die Primärspannung U am Eingang des Aufnehmers zu
sehen, die sich bei einer Temperaturerhöhung U′ mit ändert.
Die Primärspannung hat nach der Temperaturerhöhung eine andere
Amplitude und eine andere Phasenlage verglichen mit dem
Primärstrom, als vorher.
Die Spannung S (Fig. 3d ) ist ebenfalls nach einer
Temperaturerhöhung in der Phasenlage und Amplitude gegenüber dem
eingeprägten Strom I geändert.
Werden nun die Schaltpunkte des phasenselektiven Demodulators
durch die Nulldurchgänge der Eingangsspannung U gesteuert, und um
den optimalen Phasenwinkel Φ opt konstant verschoben, so ergibt
sich ein Signal von aneinandergereihten Teilwellen TW nach Fig. 3f
und Fig. 3g, die im Filter P zu einer Gleichspannung geglättet
werden.
Bei der angenommenen Temperaturerhöhung erhöht sich die Amplitude
dieser Teilwellen. Es verschieben sich jedoch die Umschaltpunkte
des phasenselektiven Demodulators durch die temperaturbedingte
Verschiebung der Phasenlage der Primärspannung U, U′, die den
Umschalter steuert weiter nach rechts (Fig. 3g). Dadurch werden
die negativen Teilwellen NW stärker angeschnitten, die positiven
Teilwellen PW dagegen schwächer, so daß die Amplitudenerhöhung
kompensiert wird, und die Fläche unter der Kurve, die die
Ausgangsspannung AS bestimmt, durch die Temperaturänderung weniger
beeinflußt wird.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer
Steuerelektronik SE zeigt Fig. 2a. Es handelt sich um eine
Phasenschieberbrücke und einen Komparator.
Die Ergebnisse eines Versuchs sind in Fig. 4 aufgezeigt.
Zu sehen ist die auslenkungsabhängige Änderung des Ausgangssignals
AS, hier Δ AS genannt, bei einer Temperaturerhöhung um 60 K.
Die durchgezogenen Linien zeigen die Änderung bei einer
Auswerteelektronik mit Effektivwertbildung, also ohne
Kompensation, während die gestrichelten Linien die Drift bei
Verwendung eines phasenselektiven Demodulators mit eingestelltem
optimalen Phasenwinkel Φ opt zeigt.
Claims (7)
1. Verfahren zur Temperaturkompensation an einem induktiven oder
kapazitiven Aufnehmer (A) zur Erfassung einer Meßgröße (X), der
als Eingangsgrößen eine Wechselspannung (U) und einen Wechselstrom
(I) aufweist, wobei eine der beiden Größen eingeprägt wird, der an
der Ausgangsseite mindestens ein Signal (S) liefert, aus dem oder
denen eine Auswerteelektronik (AE) ein der Meßgröße (X)
entsprechendes Ausgangssignal (AS) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
mit einer Steuerelektronik (SE) aus einer der beiden
Eingangsgrößen ein Steuersignal (ST) erzeugt wird, das die
Auswerteelektronik (AE) so beeinflußt, daß die
Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals (AS) minimal wird.
2. Verfahren zur Temperaturkompensation an einem induktiven oder
kapazitiven Aufnehmer (A) zur Erfassung einer Meßgröße (X), der
als Eingangsgrößen eine Wechselspannung (U) und einen Wechselstrom
(I) aufweist, wobei eine der beiden Größen eingeprägt wird, der an
der Ausgangsseite mindestens ein Signal (S) liefert, aus dem oder
denen eine Auswerteelektronik (AE) ein der Meßgröße (X)
entsprechendes Ausgangssignal (AS) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Steuerelektronik (SE) aus dem Amplitudenverhältnis der
Eingangsgrößen zueinander ein Steuersignal (ST) erzeugt, das die
Auswerteelektronik (AE) so beeinflußt, daß die
Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals (AS) minimal wird.
3. Verfahren zur Temperaturkompensation an einem induktiven oder
kapazitiven Aufnehmer (A) zur Erfassung einer Meßgröße (X), der
als Eingangsgrößen eine Wechselspannung (U) und einen Wechselstrom
(I) aufweist, wobei eine der beiden Größen eingeprägt wird, der an
der Ausgangsseite mindestens ein Signal (S) liefert, aus dem oder
denen eine Auswerteelektronik (AE) ein der Meßgröße (X)
entsprechendes Ausgangssignal (AS) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
aus der Phasenverschiebung beider Eingangsgrößen gegeneinander
durch eine Steuerelektronik (SE) ein Steuersignal (ST) erzeugt
wird, das die Auswerteelektronik (AE) so beeinflußt, daß die
Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals (AS) minimal wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Auswertung der Signale (S) an der Ausgangsseite des Aufnehmers
(A) ein phasenselektiver Demodulator verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Steuerelektronik (SE) aus der Phasenlage der nicht
eingeprägten Eingangsgröße in Bezug auf die eingeprägte
Eingangsgröße, oder in Bezug auf die Phasenlage eines der Signale
(S) an der Ausgangsseite ein Steuersignal (ST) erzeugt, das die
Auswerteelektronik (AE) so steuert, daß die Temperaturabhängigkeit
des Ausgangssignals (AS) minimal wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, daß
das von der Steuerelektronik (SE) erzeugte Steuersignal (ST), das
die Schaltpunkte der Auswerteelektronik bestimmt, um einen
optimalen Phasenwinkel (Φ opt ) gegenüber dem Signal (S) verschoben
ist, so daß die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals (AS)
minimal wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, daß
der optimale Phasenwinkel (Φ opt) so eingestellt wird, daß die
durch eine Temperaturänderung im Aufnehmer (A) entstehende
Änderung der Amplitude des Signals (S) an der Ausgangsseite des
Aufnehmers (A) durch die temperaturbedingte Verschiebung der
Schaltpunkte des phasenselektiven Demodulators so kompensiert
wird, daß die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals (AS)
minimal wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914105642 DE4105642A1 (de) | 1991-02-22 | 1991-02-22 | Temperaturkompensation an induktiven und kapazitiven aufnehmern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
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DE4105642C2 true DE4105642C2 (de) | 1993-09-09 |
Family
ID=6425702
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19914105642 Granted DE4105642A1 (de) | 1991-02-22 | 1991-02-22 | Temperaturkompensation an induktiven und kapazitiven aufnehmern |
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Country | Link |
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