DE69214110T2 - Apparat zur Messung der Verschiebung bei Frequenzänderung eines Oszillators - Google Patents

Apparat zur Messung der Verschiebung bei Frequenzänderung eines Oszillators

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Messung von Verlagerung unter Verwendung eines Sensors in Verbindung mit Verarbeitungsmitteln für die Eichung, Linearisierung und Digitalumsetzung.
  • Es gibt viele Typen konventioneller Verlagerungssensoren, von denen die meisten einen analogen Ausgang erzeugen, beispielsweise lineare Differentialumsetzer. Einige Sensoren können jedoch einen digitalen Ausgang unter Anwendung von Moiré-Beugungstechniken oder Interferometrie liefern, doch sind diese mehr geeignet für die Messung großer Verlagerungen, beispielsweise in Werkzeugmaschinen.
  • Konventionelle analoge Sensoren erzeugen sehr kleine Signale, die eine erhebliche Verstärkung benötigen, bevor es möglich ist, das Signal zu digitalisieren und zu verarbeiten. In solchen Systemen ist es häufig notwendig, eine Einsteck-Eicheinheit speziell für den einzelnen Sensor vorzusehen, um die Verwendung standardisierter Elektronikbauteile zu ermöglichen. Wenn ein linear variabler Differentialtransformator verwendet wird, bei dem ein Wechselreferenzsignal an eine Spule angelegt wird und die Amplitude und die Phase des Ausgangs von der anderen Spule ein Maß für die Größe und Richtung der Bewegung des Kerns liefert, wird ein Netz variabler oder durch Testen ausgewählter Widerstände in dem Ausgangskreis vorgesehen, damit die Ausgangsamplitude standardisiert werden kann.
  • GB-A-2207765 richtet sich auf ein System für das Messen der Verlagerung einer Sonde, umfassend einen Kern, der mit der Sonde verbunden ist, welcher Kern zwischen den Spulen eines Colpitts-Oszillators beweglich ist. Die Spulen werden alternierend in die Oszillatorschaltung geschaltet und die Schwingfrequenzen der Spulen werden durch die Position des beweglichen Kerns bestimmt. Die Schwingfrequenzen werden mittels eines Zählers gezählt und die Ergebnisse werden einem Computer für die Verarbeitung und Berechnung der von der Sonde durchlaufenen Distanz zugeführt. Die durchlaufene Distanz wird unter Anwendung der Differenz der Frequenzzählungen berechnet. Eine Temperaturkorrektur erfolgt bezüglich der Messung der Frequenzdifferenz zwischen den Spulen, um eine Kompensation bezüglich der Temperaturcharakteristiken der Spulen zu bewirken.
  • GB-A-2060897 richtet sich auf einen Frequenzgenerator mit zwei Frequenzgeneratorschaltkreisen, deren Frequenzen sich durch einen geometrischen Wert verändern lassen. Die Induktivitäten der Spulen in den beiden Frequenzgeneratorschaltkreisen werden durch die Bewegung eines Eisenkerns variiert, wobei die Frequenzveränderung eine Funktion der Verlagerung, die zu messen ist, darstellt.
  • GB-A-2207512 richtet sich auf eine Verlagerungsmeßvorrichtung einschließlich eines Oszillators für die Erzeugung einer Schwingungsfrequenz entsprechend der Verlagerung einer Sonde mit einem Zähler für das Zählen der Schwingfrequenz des Oszillators und mit einem Rechner für das Berechnen der Verlagerung der Sonde entsprechend einem Ausgangssignal von dem Zähler.
  • US 4930096 richtet sich auf ein System für die Übertragung, unter manueller Steuerung, von Daten, erhalten von einer Anzahl unabhängiger Meßinstrumente zu einer entfernten Installation mittels Funkverbindungen. Die Messungen sind direkt mit Verarbeitungsschaltkreisen verbunden, die für jedes Meßinstrument spezifisch sind, mittels eines Verbinders in dem Meßinstrument, in das ein Verbindungsstecker einsteckbar ist, der an dem Gehäuse der Verarbeitungsschaltkreise angebracht ist. Die Übertragung von Daten von einem Meßinstrument zu einer entfernten Installation wird manuell eingeleitet. In einem Multisensorsystem sind die Sensoren voneinander freistehend und jeder überträgt Daten durch seinen eigenen Funksender. Ein RAM ist innerhalb des Gehäuses der Verarbeitungsschaltkreise für das Speichern des digitalen Dateneingangs von dem Meßinstrument vorgesehen zusammen mit einer Identifikationszahl, die dem betreffenden Meßinstrument zugeordnet ist.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung für die Messung von Verlagerung geschaffen, umfassend einen Sensorkopf für das Verändern der Frequenz eines Oszillators in Reaktion auf die zu messende Verlagerung, Mittel für das Messen der Frequenzänderung, und einen Mikroprozessor für das Umsetzen der gemessenen Frequenzänderung in einen digitalen Ausgang, der die Verlagerung repräsentiert durch Referenz auf gespeicherte Eichkoeffizienten, die für den Sensorkopf spezifisch sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzmeßmittel und der Mikroprozessor in einem Verbinder fern von dem Sensorkopf montiert sind, welcher Verbinder ausgebildet ist für den direkten Anschluß an ähnliche Verbinder von anderen Sensorköpfen, und daß der Mikroprozessor eine zugeordnete I.D. für jenen Sensorkopf enthält, welches einem Wirtsrechner ermöglicht, jeden Sensorkopf zu identifizieren.
  • Die Eichkoeffizienten bilden eine Suchtabelle, die zweckmäßigerweise in einem ROM gespeichert ist.
  • Ein Verlagerungssensor, bei dem die Erfindung angewandt wird, kann eine Anzahl von Vorteilen haben, insbesondere durch Umsetzen der mechanischen Verlagerung in eine Frequenzverschiebung ist der Sensor in der Lage, einen digitalen Ausgang ohne Notwendigkeit für hochverstärkende Verstärker oder Analog/Digital-Umsetzer zu erzeugen. Außerdem sind die Elektroniken für den Betrieb des Sensors in einem Verbinder montiert, der eine kompakte Einheit darstellt, die keine weiteren Verarbeitungselektroniken benötigt und die direkt mit einer Anzahl anderer ähnlicher Sensoren gekoppelt werden kann.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielshalber beschrieben und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • Figur 1 ein schematisches Diagramm des Sensorkopfes ist;
  • Figur 2 ein schematisches Blockdiagramm des Sensors gemäß der Erfindung ist einschließlich des Sensorkopfes, der in Figur 1 gezeigt ist; und
  • Figur 3 eine typische Installation einschließlich des Sensors der Figur 2 ist.
  • Der Sensorkopf 1 der Figur 1 mißt die Verlagerung, indem sie in eine Veränderung der Frequenz eines Oszillators 2 umgesetzt wird. Die zu messende Verlagerung bewirkt die Bewegung eines Kerns aus ferromagnetischem Material 4, wie eine Funkmetall-Legierung, innerhalb eines Paares von Induktorspulen 6A und 6B, wodurch eine Veränderung von deren Induktivität erzeugt wird. jede der Spulen 6A und 6B kann einen Teil einer Abstimmschaltung eines Oszillators 2 bilden und demgemäß ändert sich die Schwingfrequenz entsprechend der zu messenden Verlagerung. Die Veränderung der Frequenz in Abhängigkeit von der Verlagerung ist nichtlinear, doch kann diese Nichtlinearität innerhalb der Verarbeitungsschaltkreise korrigiert werden. Obwohl der Oszillator 2, die beiden Schalter 7A und 7B, die zwischen den beiden Spulen 6A und 6B umschalten, und der erste Zähler 8, der die Ausgangszyklen des Oszillators 2 zählt, in Figur 1 als außerhalb des Sensorkopfes 1 befindlich dargestellt sind, können in einer anderen Ausführungsform diese Bauteile in den Sensorkopf eingefügt sein.
  • Das Zweispulensystem der Figur 1 ist ein Differentialsystem, bei dem sich das magnetische Material 4 aus einer Spule 6A heraus in eine ähnliche Spule 6B hineinbewegt, die koaxial derart angeordnet sind, daß mit der Verringerung der Induktivität eines Induktors die Induktivität des anderen erhöht wird, und die Frequenzdifferenz wird nachfolgend in einem Mikroprozessor berechnet.
  • Die Ausgangszyklen des Oszillators 2 werden in Figur 1 in einem ersten Zähler 8 gezählt. Nach der Zählung von n-Schwingungszyklen erzeugt der Zähler 8 einen Ausgangsimpuls 9. Der Impuls 9 betätigt die beiden Schalter 7A und 7B, welche zwischen den beiden Spulen 6A und 6B der Abstimmschaltung des Oszillators 2 umschalten, um eine der beiden Spulen 6A und 6B abzuklemmen und die andere Spule mit der Abstimmschaltung zu verbinden. Der Ausgangsimpuls 9 von dem ersten Zähler 8 setzt auch den Zähler 8 auf Null zurück und sperrt den Betrieb des Zählers für eine hinreichend lange Zeitperiode, daß die Frequenz des Oszillators 2 sich stabilisieren kann, wonach der Zähler 8 fortfährt, n-Zyklen der Frequenz infolge der jeweils angeschlossenen Spule 6A oder 6B zu zählen.
  • Die Zeit zwischen der Abfallflanke eines Ausgangsimpulses von dem ersten Zähler 8 und der Anstiegsflanke des nachfolgenden Ausgangsimpulses definiert die Periode von n-Zyklen des Oszillators für jede Spule 6A und 6B und damit die Schwingungsfrequenz entsprechend jeder Spule. Die Differenz zwischen den Perioden von n-Zyklen entsprechend jeder Spule ist eine Funktion der zu messenden Verlagerung.
  • Um die Periode von n-Zyklen des Oszillators 2 zu messen, wird der Ausgangsimpuis 9 von dem ersten Zähler 8 an einen zweiten Zähler 12 der Figur 2 angelegt, der von einem Hochfrequenzquarztaktgeber 10 angesteuert wird. Bei der Abfallflanke des Impulses 9 wird dem zweiten Zähler 12 ermöglicht, Zyklen des Hochfrequenztaktgebers 10 zu zählen, bis die Anstiegsflanke des nachfolgenden Ausgangsimpulses von dem ersten Zähler 8 empfangen wird. Der Zählstand des zweiten Zählers 12, der die Periode von n-Zyklen des Oszillators 2 repräsentiert und damit die Schwingfrequenz, wird in den Mikroprozessor 14 geladen und der zweite Zähler 12 wird auf Null rückgesetzt.
  • Bei der Abfallflanke des Ausgangsimpulses 9 von dem ersten Zähler 8 wird der obige Prozeß für die andere der beiden Spulen 6A und 6B wiederholt.
  • Die Differenz zwischen den Zählständen, erhalten entsprechend jeder Spule 6A und 6B, die repräsentativ für die zu messende Verlagerung ist, wird von dem Mikroprozessor 14 erfaßt und verglichen mit einer Suchtabelle 16, die bei der anfänglichen Eichung in dem Speicher abgelegt worden ist. Der Mikroprozessor 14 setzt demgemäß die Zählstände des Zählers 12 in eine Positionsablesung um, die hinsichtlich der Nichtlinearität der Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Verlagerung und hinsichtlich der individuellen Charakteristiken des Sensorkopfes korrigiert ist, und er interpoliert zwischen abgespeicherten Werten in dem Speicher.
  • Der Ausgang von dem Mikroprozessor ist mit einem bidirektionalen Schnittstelle/Bus 18 über Treiber 20, beispielsweise das RS485- oder RS232-System, verbunden. Es ist möglich, einige der erhaltenen Daten in dem Mikroprozessor zu verarbeiten, beispielsweise Maxima, Minima und mittlere Resultate über eine Periode zu bestimmen oder Messungen zu vorbestimmten Zeiten auszuführen, womit die Datenmenge verringert wird, die über das Bussystem zu übertragen ist.
  • Für jeden Sensor der in Figur 2 gezeigten Art ist der Meßoder Sensorkopf 1 durch eine lange Leitung mit einem Verbinder verbunden, der die Verarbeitungsschaltkreise enthält, d.h. die Elemente 10, 12, 14, 16 und 20. Dieser Verbinder ist so konstruiert, daß er direkt auf andere Verbinder oder andere Sensoren gestöpselt werden kann, um den bidirektionalen Bus 18 aufzubauen, der die Sensoren mit einem Wirtscomputer/Datenlogger 22, wie in Figur 3 gezeigt, verbindet. Der Verbinder umfaßt ein Kunststoffgehäuse für die Elektroniken einschließlich eines Leiters, der mit dem Sensorkopf verbunden ist. Alternativ kann ein Metallgehäuse für den Schutz gegen Funkfrequenzinterferenz verwendet werden. Ein Eingangssockel vom D-Typ und ein Ausgangssockel vom D-Typ sorgen für die Stöpselverbindung aufeinanderfolgender Einheiten.
  • In einer weiteren Ausfiihrungsform umfaßt der Verbinder ein Metallgehäuse, das zumindest bis zu der IP60-Norm abgedichtet ist. Der Verbinder kann direkt mit anderen ähnlichen Verbindern verbunden werden, ohne die Notwendigkeit für eine Leitungsverbindung mit komplementären Verbindern an jedem Ende, um eine einzige Baugruppe zu bilden, die auf der Vorrichtung montierbar ist, über welche die einzelnen Sensorköpfe verteilt sind.
  • Jeder der Sensoren ist mit einem nur ihm zugeordneten ID (Identifikation) versehen, der in ihn ab Werk einprogrammiert ist, so daß der Wirtscomputer identifizieren kann, welcher Sensor in welcher Position auf dem Bus ist.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung befinden sich der Speicher (16) der Figur 2, in dem die Sensor-Eichkoeffizienten gespeichert sind, und die nur einem von jedem Sensor zugeordnete ID in einer getrennten Einheit, die in den Verbinder einstöpselbar ist, der die Verarbeitungsschaltkreise enthält. Auf diese Weise würde irgendeine Beschädigung, die bei dem zugeordneten Sensorkopf oder -zuleiter auftritt, nicht automatisch den Ersatz der gesamten Einheit erforderlich machen. Auch kann der Speicher (16) physisch beispielsweise in Form eines Schlüssels implementiert sein und braucht nicht neu programmierbar zu sein.
  • Verschiedene Alternativen zu den beschriebenen Ausführungsformen sind möglich und in Reichweite von Fachleuten. Beispielsweise können alternative magnetische Materialien, wie Ferrit, für den beweglichen Kern verwendet werden. Auch könnte ein Einspulensystem verwendet werden, obwohl das Zweispulensystem den Vorteil hat, daß eine Differenzmessung viel weniger empfindlich gegenüber Temperaturänderung ist.
  • Für das Zweispulensystem ist es, wenn einmal die Frequenzen entsprechend dieser Spule gewonnen worden sind, möglich, entweder das Verhältnis oder die Differenz der beiden Frequenzen zu verwenden, um die von dem Sensor gemessene Verlagerung zu berechnen. Im Falle des Frequenzverhältnisses werden die Zählstände entsprechend den beiden Frequenzen separat vom Zähler 12 zum Mikroprozessor 14 transferiert, der dann das Verhältnis berechnet und es mit den gespeicherten Werten im ROM 16 vergleicht.
  • Darüber hinaus kann, falls erwünscht, die Zeitlage des Betriebes der Schalter 7A und 7B und die Zeitlage des Beginns der Zählung von n-Zyklen des Oszillators 2 für jede Spule 6A und 6B von dem Mikroprozessor 14 gesteuert sein.

Claims (7)

1. Vorrichtung für die Messung von Verlagerung, umfassend einen Sensorkopf (1,2,3,4,5,6,) für das Verändern der Frequenz eines Oszillators (2) in Reaktion auf die zu messende Verlagerung, Mittel (7A,7B,8,9;10,12) für das Messen der Frequenzänderung, und einen Mikroprozessor (14) für das Umsetzen der gemessenen Frequenzänderung in einen digitalen Ausgang, der die Verlagerung repräsentiert durch Referenz auf gespeicherte Eichkoeffizienten, die für den Sensorkopf (1,2,3,4,5,6) spezifisch sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzmeßmittel (7A,7B,8,9;10,12) und der Mikroprozessor (14) in einem Verbinder fern von dem Sensorkopf (1,2,3,4,5,6) montiert sind, welcher Verbinder ausgebildet ist für den direkten Anschluß an ähnliche Verbinder von anderen Sensorköpfen, und daß der Mikroprozessor (14) eine zugeordnete I.D. für jenen Sensorkopf enthält, welches einem Wirtsrechner ermöglicht, jeden Sensorkopf zu identifizieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Sensorkopf einen Kern (4) umfaßt, der innerhalb einer Spule (6A,6B) des Oszillators (2) verlagerbar ist, um die Frequenz zu verändern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Kern (4) zwischen zwei Spulen (6A,6B) verlagerbar ist, die alternierend mit dem Oszillator (2) verbunden sind, und die Frequenzänderung zwischen den beiden Spulen ein Maß für die Verlagerung bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend einen ersten Zähler (8), angekoppelt an den Ausgang des Oszillators (2) und ausgebildet zum Schalten der Verbindung zwischen den Spulen (6A,6B) und dem Oszillator nach einem Zeitintervall, das zumindest n-Zyklen des Oszillators umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Mittel (7A,7B,8,9;10,12) für das Messen der Frequenzänderung einen zweiten Zähler (12) umfassen, gegattert durch den Ausgang des ersten Zählers (8) zum Zählen von Taktimpulsen, und Mittel (14) umfassen für das Erzeugen eines Differenzzählwerts entsprechend der Differenz der Oszillatorfrequenz zwischen den beiden Spulen (6A,6B).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Mittel (7A,7B,8,9;10,12) für das Messen der Frequenzänderung einen Zähler (12) umfassen, ausgebildet zum Liefern von Zählständen an den Mikroprozessor (14) entsprechend den beiden Frequenzen des Oszillators (2), welcher Mikroprozessor (14) konstruiert ist zum Berechnen der Differenz der Frequenzen für den Vergleich mit den gespeicherten Eichkoeffizienten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Mittel (7A,7B,8,9;10,12) für das Messen der Frequenzänderung einen Zähler (12) umfassen, ausgebildet zum Liefern von Zählständen an den Mikroprozessor (14) entsprechend den beiden Frequenzen des Oszillators (2), welcher Mikroprozessor (14) konstruiert ist zum Berechnen des Verhältnisses der Frequenzen für den Vergleich mit den gespeicherten Eichkoeffizienten.
DE69214110T 1991-12-20 1992-12-18 Apparat zur Messung der Verschiebung bei Frequenzänderung eines Oszillators Expired - Lifetime DE69214110T2 (de)

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