DE4241994C1 - Electrooptical transducer circuit for electrooptical and magnetoinductive measurement sensor - contains measurement and transmission circuits with common supply producing constant frequency and current alternating voltage - Google Patents
Electrooptical transducer circuit for electrooptical and magnetoinductive measurement sensor - contains measurement and transmission circuits with common supply producing constant frequency and current alternating voltageInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wandlerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a converter circuit according to the Preamble of claim 1.
Elektro- und magnetoinduktive Meßwertaufnehmer bestehen im Prinzip aus einer Wicklung auf einem Wicklungskern, wobei die zu messende Größe mechanisch auf den Wicklungskern einwirkt. Eine dadurch bewirkte Induktivitätsänderung der Wicklung wird mit einer geeigneten Auswerteschaltung in ein der Meßgröße entsprechendes elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.Electro- and magnetoinductive transducers exist in Principle of a winding on a winding core, the size to be measured acts mechanically on the winding core. A resulting change in inductance of the winding with a suitable evaluation circuit in one of the measured quantities corresponding electrical output signal converted.
Elektroinduktive Meßwertaufnehmer nutzen den Effekt, daß durch eine Lageveränderung des Wicklungskernes die Induktivität der Aufnehmerwicklung beeinflußt werden kann. Dagegen nutzen magne toinduktive Meßwertaufnehmer den magnetostriktiven (magneto elastischen) Effekt. Bei einem magnetostriktiven Werkstoff - weichmagnetische Legierungen sind bekannte Materialien -, wirkt sich eine durch von außen angreifende Kräfte verursachte Ver formung als Veränderung der magnetischen Eigenschaften wie z. B. der Permeabilität aus. Da die Induktivität der Wicklung von der Permeabilität des Wicklungskernes abhängt, variiert sie in Ab hängigkeit der zu sensierenden Krafteinwirkung auf den magne tostriktiven Wicklungskern. Je nach Anwendungszweck sind eine Reihe von Ausführungsformen magnetoinduktiver Meßwertaufnehmer bekannt. Sie werden schon seit langem zur Messung von Drehmo menten in Wellen und als Kraftaufnehmer eingesetzt. Electroinductive sensors use the effect that a change in position of the winding core the inductance of Pickup winding can be influenced. On the other hand, use magne toinductive transducers the magnetostrictive (magneto elastic) effect. With a magnetostrictive material - soft magnetic alloys are known materials -, works a ver caused by external forces shaping as a change in magnetic properties such. B. permeability. Since the inductance of the winding from the Permeability of the winding core depends, it varies in Ab dependence of the force to be sensed on the magne tostrictive winding core. Depending on the application, there are one Series of embodiments of magneto-inductive sensors known. They have long been used to measure torque elements in shafts and as force transducers.
Es sind einige elektronische Auswerteschaltungen bekannt (DE-Z: Technisches Messen tm, Heft 5/1985, 5.189-198, insb. S. 193), welche die Induktivitätsänderung in ein der Meßgröße entspre chendes elektrisches Ausgangssignal umwandeln. Die bekannten Schaltungen sind jedoch nicht an eine faseroptische Meßwert übertragung angepaßt.Some electronic evaluation circuits are known (DE-Z: Technical measuring tm, issue 5/1985, 5.189-198, esp. P. 193), which corresponds to the change in inductance in a measured variable Convert appropriate electrical output signal. The well-known Circuits, however, are not an optical fiber measurement adapted transmission.
Die Übertragung von Meßsignalen auf faseroptischem Wege mittels Lichtwellenleitern wird in zunehmenden Maße eingesetzt. Sie bietet viele Vorteile, insbesondere den der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Weiterhin ergeben sich Einsparungen an Gewicht und Volumen im Vergleich zu konventionellen Kupferka belbäumen, wobei die Gefahr eines Kabelbrandes aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses vermindert ist.The transmission of measurement signals by means of fiber optics Optical fibers are being used to an increasing extent. they offers many advantages, especially that of the electromagnetic Compatibility (EMC). There are also savings Weight and volume compared to conventional copper boxes liven up, the risk of a cable fire due to a electrical short circuit is reduced.
Eine Anordnung zum Erfassen einer mechanischen Größe, bei der die Meßwerte mittels eines Lichtwellenleiters an eine Auswer teeinrichtung übermittelt werden, ist aus der DE 32 03 933 A1 bekannt. Allerdings wird dabei ein piezo-Keramikkörper, dessen elektrische Ausgänge mit einer Leuchtdiode verbunden sind, eingesetzt. Diese einfache Schaltungsanordnung kann bei einem elektro- oder magnetoinduktiven Meßwertaufnehmer nicht verwen det werden.An arrangement for detecting a mechanical quantity in which the measured values to an evaluator by means of an optical waveguide teeinrichtung are transmitted, is from DE 32 03 933 A1 known. However, a piezo-ceramic body whose electrical outputs are connected to a light emitting diode, used. This simple circuit arrangement can Do not use electro- or magneto-inductive sensors be det.
Der allgemeine Aufbau eines Sensors mit optischer Schnittstelle, der auch in Verbindung mit einem elektro- oder magnetoinduktiven Meßwertaufnehmer angewendet werden kann, ist in der DE-GM 91 05 121 beschrieben: Ein physikalisch-elektrischer Meßwandler setzt eine zu erfassende physikalische Größe unter Verwendung einer Stromversorgung in ein elektrisches Signal um. Dieses elektrische Signal steuert einen Modulator, der den Lichtübertritt von einer Lichtquelle zu einer optischen Schnittstelle freischaltet bzw. sperrt und damit als Steuermittel zur Abgabe eines optischen Ausgangssignals dient. Für den Fall, daß ein elektro- oder magnetoinduktiver Meßwertaufnehmer verwendet wird, muß daher die Induktivitätsänderung zunächst in ein der Meßgröße entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden, welches dann den Modulator ansteuert. Nachteilig an diesem Aufbau ist der durch die mehrfache Umwandlung des Meßsignals bedingte Materialaufwand, so daß eine Schaltungsanordnung wün schenswert erscheint, die besser an elektro- oder magnetoinduktive Meßwertaufnehmer angepaßt ist.The general structure of a sensor with an optical interface, which is also in connection with an electro- or magneto-inductive sensor can be used in the DE-GM 91 05 121 describes: A physical-electrical transducer closes one detecting physical quantity using a power supply in an electrical Signal around. This electrical signal controls a modulator that blocks the passage of light from one Enables or blocks the light source to an optical interface and thus as a control means for Delivery of an optical output signal is used. In the event that an electrical or magneto-inductive sensor is used, the change in inductance are first converted into an electrical signal corresponding to the measured variable, which then drives the modulator. The disadvantage of this structure is that of the multiple Conversion of the measurement signal required material, so that a circuit arrangement wün seems worthwhile, which better adapted to electro- or magnetoinductive transducers is.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzuge ben, mit der das Signal eines elektro- oder magnetoinduktiven Meßwertaufnehmers auf einfache Weise an eine faseroptische Meßwertübertragung angepaßt wird.The object of the invention is to provide a circuit arrangement ben with which the signal of an electro- or magnetoinductive Sensor in a simple way to a fiber optic Measured value transmission is adjusted.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa tentanspruchs 1 gelöst.This task is carried out with the characteristic features of Pa claim 1 solved.
In vorteilhafter Weise wird mittels der erfindungsgemäßen Wandlerschaltung eine durch die Meßgröße verursachte Induktivitätsänderung im Meßwertaufnehmer ohne weitere Umwand lungsstufen, unmittelbar in eine entsprechende Variation eines optischen Signals umgeformt. Da lediglich ein Oszillatorbaustein benötigt wird ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Wand lerschaltung sehr einfach und wenig störanfällig.Advantageously, by means of the Converter circuit caused by the measured variable Change in inductance in the sensor without further conversion levels, immediately into a corresponding variation of a optical signal transformed. Since only an oscillator module what is needed is the structure of the wall according to the invention Switching circuit very simple and less prone to failure.
Besondere Aus- und Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet. So werden in einem ersten Aus führungsbeispiel Maßnahmen getroffen zur Kompensation von ther mischen Nullpunktsdriften, während in einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel zusätzlich eine thermische Empfindlichkeitsände rung kompensiert wird.The basic features of the Subclaims marked. So in a first out management example Measures taken to compensate for ther mix zero drifts while in a second execution example, a thermal sensitivity sand tion is compensated.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigtTwo embodiments of the invention are in the drawing are shown and are described in more detail below. It shows
Fig. 1 die Prinzipschaltung eines Sensorsystems mit faseroptischer Meßwertübertragung, Fig. 1 shows the basic circuit diagram of a sensor system with fiber-optic transmission of measured values,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektro-optischen Wandlers, Fig. 2 shows a first embodiment of the electro-optical transducer according to the invention,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektro-optischen Wandlers. Fig. 3 shows a second embodiment of the electro-optical converter according to the invention.
Ein Sensorsystem mit faseroptischer Meßwertübertragung, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, setzt sich im allgemeinen aus einer Sensorstufe 2 zur Umwandlung einer Meßgröße 1 in ein op tisches Signal, einem Lichtwellenleiter 5 zur Weiterleitung des optischen Signals und einer Auswertestufe 6 zusammen. Die Aus wertestufe 6 dient zur Auswertung des optischen Signals und zur Aufbereitung in eine geeignete elektrische Größe 9, 11. Sie besteht aus einem opto-elektronischen Empfänger 7 zur Demodulation des optischen Signals, einem Meßverstärker 8 mit einem Spannungs- oder Stromausgang 9 für das demodulierte, analoge Signal und/oder einem Spannungs-/Frequenzumsetzer 10 zur Ausgabe eines frequenzanalogen Signals 11.A sensor system with fiber-optic measured value transmission, as shown in FIG. 1, generally consists of a sensor stage 2 for converting a measured variable 1 into an optical signal, an optical waveguide 5 for forwarding the optical signal and an evaluation stage 6 . The evaluation stage 6 is used to evaluate the optical signal and to process it into a suitable electrical variable 9 , 11 . It consists of an opto-electronic receiver 7 for demodulating the optical signal, a measuring amplifier 8 with a voltage or current output 9 for the demodulated analog signal and / or a voltage / frequency converter 10 for outputting a frequency-analog signal 11 .
In der Sensorstufe 2 wird in einem z. B. magnetoinduktiven Meß kreis 3 die zu messende nichtelektrische Meßgröße 1 sensiert und über einen erfindungsgemäßen elektro-optischen Wandler 4 ein analoges, optisches Signal generiert. Der Meßkreis 3 und der elektro-optische Wandler 4 können als bauliche Einheit - als preiswertes Hybridmodul - zu einem magnetoinduktiven Sensor mit optischem Ausgang integriert werden. Andererseits können der Meßkreis 3 und der Wandler 4 auch separat ausgeführt wer den, beispielsweise wenn der erfindungsgemäße elektro-optische Wandler 4 als Eingangsschaltung einer Leiterplatine mit Glas faserleitern dient. Die Übertragung der Meßwerte vom Meßkreis 3 zu dem elektro-optischen Wandler 4 erfolgt dann auf elektri schem Wege.In sensor stage 2 is in a z. B. magnetoinduktiven measuring circuit 3, the sensed electrical measured variable to be measured is not 1 and generates an analog optical signal over an inventive electro-optical transducer. 4 The measuring circuit 3 and the electro-optical converter 4 can be integrated as a structural unit - as an inexpensive hybrid module - to form a magneto-inductive sensor with an optical output. On the other hand, the measuring circuit 3 and the converter 4 can also be carried out separately, for example when the electro-optical converter 4 according to the invention serves as the input circuit of a circuit board with glass fiber conductors. The transmission of the measured values from the measuring circuit 3 to the electro-optical converter 4 then takes place by electrical means.
In der Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau des Erfindungsgegen standes dargestellt, wobei in diesem wie auch im folgenden Ausführungsbeispiel sowohl ein elektro- als auch ein magneto induktiver Meßwertaufnehmer 3.1 verwendet werden kann. Der elektro-optische Wandler 4 für den Meßkreis 3 enthält einen frequenzkonstanten Oszillatorbaustein 4.1 mit Konstantstrom ausgang (f=const., i=const.). Die externe Beschaltung des Os zillatorbausteins 4.1 besteht aus zwei parallelen (temperatur kompensierten) Stromkreisen. Der Oszillator 4.1 speist im Meß kreis 3 einen elektro- oder magnetoinduktiven Meßwertaufnehmer 3.1 und im Sendekreis 4.4 einen geeigneten optoelektronischen Sender 4.3 z. B. eine lichtemittierende Diode (LED). An diesen optoelektronischen Sender 4.3 kann zur Übertragung des opti schen Signals der Lichtwellenleiter (nicht dargestellt) ange schlossen werden. In Fig. 2 the basic structure of the subject of the invention is shown, both in this and in the following embodiment, both an electro- and a magneto-inductive transducer 3.1 can be used. The electro-optical converter 4 for the measuring circuit 3 contains a frequency-constant oscillator module 4.1 with a constant current output (f = const., I = const.). The external circuitry of the oscillator module 4.1 consists of two parallel (temperature compensated) circuits. The oscillator 4.1 feeds in the measuring circuit 3 an electro- or magnetoinductive transducer 3.1 and in the transmitting circuit 4.4 a suitable optoelectronic transmitter 4.3 z. B. a light emitting diode (LED). At this optoelectronic transmitter 4.3 can be connected to the transmission of the optical signal's optical fiber (not shown).
Zur Kompensation von thermischen Nullpunktsdriften kann in den Meßkreis 3 und in den Sendekreis 4.4 jeweils ein geeignetes resistives Kompensationsbauelement 3.2 bzw. 4.2 (z. B. PTC- oder NTC-Widerstände) eingebracht sein oder statt dessen ein geeig netes temperaturabhängiges resistives Kleinstnetzwerk. Das Kompensationsbauelement 3.2 und der Meßwertaufnehmer 3.1 sind dann räumlich so angeordnet, daß sie demselben Temperaturfeld ausgesetzt sind. Das gleiche gilt auch für das Kompensations bauelement 4.2 und den optoelektronischen Sender 4.3.To compensate for thermal zero drift, a suitable resistive compensation component 3.2 or 4.2 (e.g. PTC or NTC resistors) can be introduced in measuring circuit 3 and in transmitting circuit 4.4 , or a suitable temperature-dependent resistive micro-network instead. The compensation component 3.2 and the transducer 3.1 are then arranged spatially so that they are exposed to the same temperature field. The same also applies to the compensation component 4.2 and the optoelectronic transmitter 4.3 .
Ändert sich die Meßgröße 1, so ändert sich im Meßkreis 3 auf grund eines der oben genannten Effekte, die Induktivität und damit die Impedanz des Meßwertaufnehmers 3.1. Da der von dem Oszillatorbaustein 4.1 eingespeiste Konstantstrom fester Fre quenz (f=1 . . . 100 kHz) sich zwischen dem Meßkreis 3 und dem Sendekreis 4.4 aufteilt, variiert mit der Impedanz des Meß wertaufnehmers 3.1 auch der Strom im Sendekreis 4.4 proportio nal zur Induktivitätsänderung. Eine Vergrößerung der Indukti vität hat damit eine Erhöhung der emittierten Lichtintensität des optoelektronischen Senders 4.3 zur Folge. Mithin wird ein frequenzkonstantes, mit der Meßgröße 1 amplitudenmoduliertes optisches Signal erzeugt, das in den Lichtwellenleiter 5 ein gespeist wird.If the measured variable 1 changes, the inductance and thus the impedance of the sensor 3.1 changes in the measuring circuit 3 due to one of the effects mentioned above. Da (.. F = 1. 100 kHz) of the fed from the oscillator block 4.1 constant current fixed fre quency between the measuring circuit 3 and divides the transmitting circuit 4.4, the measurement also the current in the transmitting circuit 4.4 proportio nal varies with the impedance wertaufnehmers 3.1 to inductance . An increase in the inductivity thus results in an increase in the emitted light intensity of the optoelectronic transmitter 4.3 . Thus, a constant frequency, amplitude modulated with the measured value 1 optical signal is generated which is fed to the optical waveguide 5 a.
Der Temperaturgang der resistiven Kompensationsbauelemente 3.2, 4.2 ist so zu wählen, daß bei verschwindender Meßgröße 1 eine thermische Änderung der Induktivität des Sensorelementes 3.1 bzw. der emittierten Lichtintensität des optoelektronischen Senders 4.3 kompensiert wird.The temperature response of the resistive compensation components 3.2 , 4.2 is to be selected such that when measured variable 1 disappears, a thermal change in the inductance of the sensor element 3.1 or the emitted light intensity of the optoelectronic transmitter 4.3 is compensated.
Ist darüber hinaus eine Kompensation der thermischen Empfind lichkeitsänderung des Meßwertaufnehmers 3.1 notwendig, wird die Schaltung nach Fig. 3 vorgeschlagen. In den Sendezweig 4.4 wird ein weiteres resistives Kompensationselement 3.3 oder -Netzwerk eingebaut. Allerdings ist dieses der Baugruppe des Meßkreises 3 zugeordnet, indem es räumlich so angeordnet wird, daß es dem selben Temperaturfeld ausgesetzt ist wie der Meßwertaufnehmer 3.1 und das Kompensationsbauelement 3.2. Der Temperaturgang des Kompensationsbauelementes 3.3 ist so zu wählen, daß eine ther mische Empfindlichkeitsänderung des Meßwertaufnehmers 3.1 weitgehend kompensiert wird. Bei gegebener, konstant anliegen der Meßgröße 1 emittiert der optoelektronische Sender 4.3 mit konstanter Lichtintensität, die nicht von der Temperatur ab hängt. Nimmt z. B. die Meßempfindlichkeit des Meßwertaufnehmers 3.1 mit steigender Temperatur ab, so nimmt auch der Wider standswert des Kompensationselementes 3.3 bei richtiger Dimen sionierung im entsprechenden Maße ab, so daß die Aufteilung des Konstantstromes aus dem Oszillatorbaustein 4.1 unverändert bleibt und damit auch die emittierte Lichtintensität des opto elektronischen Senders 4.3 über der Temperatur weitgehend kon stant bleibt.If, in addition, compensation for the thermal sensitivity change in the sensor 3.1 is necessary, the circuit according to FIG. 3 is proposed. Another resistive compensation element 3.3 or network is installed in the transmission branch 4.4 . However, this is assigned to the assembly of the measuring circuit 3 by being spatially arranged so that it is exposed to the same temperature field as the measuring sensor 3.1 and the compensation component 3.2 . The temperature response of the compensation component 3.3 should be chosen so that a thermal change in sensitivity of the transducer 3.1 is largely compensated. For a given, constant measurement 1, the optoelectronic transmitter 4.3 emits with constant light intensity, which does not depend on the temperature. Takes z. B. the measuring sensitivity of the transducer 3.1 with increasing temperature, the resistance value of the compensation element 3.3 also decreases with correct dimen sioning to a corresponding extent, so that the distribution of the constant current from the oscillator module 4.1 remains unchanged and thus also the emitted light intensity of the opto electronic transmitter 4.3 remains largely constant over the temperature.
Eine thermische Empfindlichkeitsänderung kann theoretisch auch im Rahmen des einfacheren ersten Ausführungsbeispiels in Fig. 2 von dem Kompensationsbauelement 3.2 kompensiert werden. Aller dings kann es sehr schwierig sein, ein resistives Kompensa tionsbauelement 3.2 für den Meßkreis 3 zu finden, dessen Tempe raturgang sowohl eine Nullpunktsdrift als auch eine Empfind lichkeitsänderung des Meßwertaufnehmers 3.1 kompensiert.A thermal change in sensitivity can theoretically also be compensated for by the compensation component 3.2 in the context of the simpler first exemplary embodiment in FIG. 2. However, it can be very difficult to find a resistive compensation component 3.2 for the measuring circuit 3 , whose temperature response compensates for both a zero point drift and a change in sensitivity of the sensor 3.1 .
Mit dem erfindungsgemäßen elektro-optischen Wandler 4 werden kleinste Induktivitätsänderungen von elektro- oder magneto induktiven Meßwertaufnehmern 3.1 meßbar und gleichzeitig zur faseroptischen Übertragung in ein analoges optisches Signal um gewandelt. Damit wird besonders der kleinen Meßschwelle und der hohen Meßempfindlichkeit von Magnetfeldaufnehmern mit amorphen Metallen und magnetoelastischen Meßwertaufnehmern auf der Basis amorpher magnetoelastischer Schichten oder namokristallinen Folien Rechnung getragen.With the electro-optical converter 4 according to the invention, the smallest changes in inductance of electro- or magneto-inductive transducers 3.1 can be measured and at the same time converted into an analog optical signal for fiber-optic transmission. This takes into account in particular the small measuring threshold and the high measuring sensitivity of magnetic field sensors with amorphous metals and magnetoelastic measuring sensors based on amorphous magnetoelastic layers or namocrystalline foils.
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