WO2014161618A1 - System for conditioning a signal of a magnetorestrictive measurement system - Google Patents

System for conditioning a signal of a magnetorestrictive measurement system Download PDF

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WO2014161618A1
WO2014161618A1 PCT/EP2014/000263 EP2014000263W WO2014161618A1 WO 2014161618 A1 WO2014161618 A1 WO 2014161618A1 EP 2014000263 W EP2014000263 W EP 2014000263W WO 2014161618 A1 WO2014161618 A1 WO 2014161618A1
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signal
stage
control unit
level
amplified
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Application number
PCT/EP2014/000263
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German (de)
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Inventor
Rainer Heuckelbach
Wolfgang BREGEL
Original Assignee
Hydac Electronic Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/18—Measuring magnetostrictive properties
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
    • H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers without distortion of the input signal
    • H03G3/20—Automatic control
    • H03G3/30—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices
    • H03G3/3084—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices in receivers or transmitters for electromagnetic waves other than radiowaves, e.g. lightwaves

Definitions

  • the invention relates to a system for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system in which a raw signal measured with a sensor can be amplified by an amplifier stage and then calibrated in a comparator stage with at least one desired value, wherein a control unit is connected to the comparator stage.
  • Magnetostrictive measuring systems are known. They are used in various fields as position measuring systems or for position determination.
  • a measuring wire which consists of a special metal alloy and forms a waveguide.
  • a structure-borne sound wave is generated on this waveguide. This is due to the interaction between a permanent magnet, which is movable as a position sensor along the measuring wire, and a current pulse in the measuring wire.
  • a structure-borne sound wave is generated as a mechanical impulse in the measuring wire, which propagates as a torsional or longitudinal wave from the point of origin on the magnet in both directions in or on the waveguide.
  • the position of the magnet along the measuring path formed by the measuring wire can be determined.
  • the raw signal recorded with the sensor has different signal levels due to the production of the measuring system. Furthermore, the strength of the raw signal varies as a result of various influences, such as temperature, aging, magnet type, etc.
  • the signal evaluation device connected downstream of the measuring sensor must therefore be designed so that the signal is always reliably detected.
  • the input stages of the signal evaluation device therefore typically consist of an amplifier stage and a signal trigger stage.
  • the amplification stage is conventionally tested during the manufacturing process of magnetostrictive displacement measuring systems and their amplification factor set to a fixed value.
  • the amplifier circuit downstream trigger circuit has in known systems either a fixed trigger point, whereby the accuracy of the magnetostrictive measuring system is reduced, or a variable trigger point, which is adjusted in dependence on the signal level.
  • the present invention seeks to provide a system for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system, which allows increased accuracy of the path measurement or position determination at a lower cost.
  • the amplifier stage can be controlled by the control unit such that the amplification factor of the amplifier stage is adjusted as a function of an output signal of the comparator stage.
  • the solution according to the invention is based on an automatic, continuous adaptation of the amplification factor of the amplifier stage.
  • the setting of the amplification factor is automated by the control unit.
  • the trigger circuit is set constructively to a fixed level.
  • the gain of the useful signals is thus variable. This variable, automatic level adjustment ensures that the same signal level is always present behind the amplifier - regardless of manufacturing tolerances, aging, temperature, etc.
  • One of the particular advantages of the solution according to the invention is the fact that the initial production adjustment can be omitted. Production-related tolerances can be compensated due to the automatic level adjustment during operation.
  • the signal-to-noise ratio can be constantly optimized by the comparatively high output signal at the amplifier.
  • the amplified by the amplifier stage signal is evaluated by a trigger circuit for measuring a signal delay. Since the triggering with the system according to the invention always takes place at the same signal strength, the measured value stabilizes, so that a higher accuracy of the distance measurement can be achieved.
  • the signal processing can work together with permanent magnets of different magnetic field strength. Furthermore, there is the
  • the gain is increased when the output signal of the comparator stage of the control unit indicates that at least a peak value of the signal level of the amplified signal is the preset, fixed setpoint not reached.
  • the amplification factor can be increased until the output signal is sufficiently amplified.
  • the measurement is performed in cycles in which a current pulse is conducted into the measuring wire and then the time is measured until the structure-borne sound wave has reached the sensor.
  • the raw signal picked up by the sensor may be too weak to trigger the trigger circuit to stop timing. This is reliably detected by the conditioning system according to the invention and then the amplification factor is increased at least until the signal level has reached a sufficient level.
  • the gain is lowered when the
  • Output signal of the comparator stage of the control unit indicates that at least a peak value of the signal level of the amplified signal reaches or exceeds the target value.
  • the signal amplified by the amplification stage can advantageously be attenuated.
  • a combination of raising and lowering the gain allows the signal to settle to a preset value.
  • the signal amplified by the amplifier stage can preferably be adjusted to a detection level.
  • This detection level is preferably constant to allow more accurate adjustment of the gain in the amplifier stage.
  • the amplifier stage may comprise a non-inverting amplifier, preferably in the form of an operational amplifier. Through the non-inverting amplifier, the signal is retained in its shape, only the amplitude is adjusted. In this way, the timing can be done very precisely.
  • Operational amplifiers are widely available and inexpensive.
  • An advantage of op amps is that they have a high gain, which may be 10 3 to 10 7 .
  • the raw signal can advantageously be variably amplified with the amplification stage. This allows the gain to be adjusted and thus the voltage of the amplified signal to be controlled at the output of the amplifier stage.
  • the amplifier stage of the control unit via a resistor circuit, in particular comprising a digital potentiometer, adjustable.
  • the digital potentiometer can be coupled to an output of the control unit. In this way, an electrical control of the amplifier stage is made possible. Due to this feedback, the adjustment of the amplification factor in the amplifier stage can be carried out continuously, without delay and safely.
  • an error message can be output with the control unit on the basis of the set amplification factor if the level of the raw signal is outside a tolerance range. If the raw signal is out of tolerance, the gain must be set to a particularly high or low value to produce the desired signal level at the output of the amplifier stage.
  • This tolerance range is therefore defined by a mean range of the amplification factor at which, according to experience, a reliable measurement is possible. If the amplification factor is outside the tolerance range, it can be concluded that there is a problem and reliable measurement with the system is currently not possible. Such a condition can be reliably detected by the system and then advantageously displayed.
  • the sensor is advantageously a pickup coil, with which preferably a deflection of the magnetostrictive measuring wire can be detected.
  • a pickup coil can be arranged such that it encompasses the measuring wire. In this way, a reliable recording of the measurement signal is ensured at low transmission losses.
  • Pickup coils are available in a variety of embodiments and require little maintenance.
  • the control unit is particularly preferably a microcontroller. Such microcontrollers are commercially available in a variety of embodiments cost and are characterized by their programmability. This makes it possible to adapt the microcontroller to different operating situations.
  • the adjustment of the amplifier stage can advantageously take place via a digital signal of the microcontroller. In principle, it is also conceivable that the amplifier stage and the trigger stage are integral components of the microcontroller.
  • the exceeding of the signal level of the amplified signal of the amplifier stage can be detectable via a trigger level and forwarded to the control unit for evaluating a signal propagation time.
  • the signal transit time is proportional to the distance to be measured, since the propagation velocity of the structure-borne sound wave in the measuring wire is approximately constant due to its extensive homogeneity.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the operation of a magnetostrictive measuring system
  • Fig. 2 is a block diagram to illustrate the construction of the
  • Fig. 3 is a diagram illustrating the course of a raw signal over time
  • Fig. 4 is a diagram illustrating the waveform of a boosted signal over time
  • FIG. 5 shows the diagram of FIG. 4, wherein additionally the detection level and the trigger level are shown;
  • FIG. and Figs. 6 and 7 are diagrams showing the waveform of the peak level signal
  • Fig. 1 serving as a waveguide measuring wire is denoted by 10, which consists of a ferromagnetic metal alloy.
  • a permanent magnet 12 along the measuring wire is movable.
  • the magnet 12 On the basis of a current pulse 14 generated in the measuring wire 10, the magnet 12 generates a measuring signal in the form of a structure-borne sound wave 16 emanating from the place of origin on the magnet 12, which propagates in the measuring wire 10 in both directions.
  • the transit time of the shaft 16 is measured up to a signal pickup, where a sensor 18 is provided whose raw signal is evaluated by a signal evaluation device not shown in this figure.
  • the sensor 18 has the form of a pickup coil with which a deflection of the magnetostrictive measuring wire 10 can be detected.
  • the signal-emitting structure-borne sound wave 16 generates a reflection wave 20.
  • a damping system 24 is therefore arranged at the open end 22 of the system.
  • the system 26 according to the invention for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system is shown in FIG. 2 in the form of a block diagram.
  • a raw signal 30 recorded with a sensor 18 in a signal generation stage 28 is represented by a Amplifier stage 32 can be amplified. Subsequently, the amplified signal is adjusted in a comparator stage 34 with at least one set value, which is given for example by a detection level.
  • the comparator stage 34 is coupled to a control unit 36 in the form of a microcontroller.
  • the amplifier stage 32 is controlled by the control unit 36 in such a way that the amplification factor of the amplifier stage 32 is adjusted in dependence on an output signal of the comparator stage 34.
  • the sensor 18 is designed in the already mentioned form of a pickup coil which is coupled to a non-inverting operational amplifier 38.
  • the operational amplifier 38 is connected via resistors 40, 42 and a capacitor 44.
  • One of these resistors 42 is designed as a digital potentiometer, which is set by the microcontroller 36. In this way, the amplification factor of the operational amplifier 38 is adjusted.
  • the amplified signal is passed to the comparator stage 34, which has two comparators 46, 48 connected in parallel.
  • One of the comparators 46 compares the voltage of the signal amplified by the amplifier stage 34 with a signal level, which is also referred to as a recognition level. This detection level is set via resistors 50, 52 to an input 54 of the comparator 46 fixed.
  • the comparator 46 indicates the logic zero ("0", meaning "false") as long as the level of the amplified signal is less than the detection level. As soon as the level of the amplified signal reaches or exceeds the detection level, the signal at the output 56 of the comparator 46 jumps to logic one ("1", meaning "true”). Connected to the output 56 of the comparator 46 is an input 58 of the microcontroller 36 for monitoring signal strength.
  • the second comparator 48 of the comparator stage 34 forms part of a trigger circuit 60 for stopping the signal transit time measurement. Via resistors 62, 64, a trigger level is set at this comparator 48, which is lower than the detection level.
  • the signal jumps from the output of the comparator 48 from the logic zero to the logic one and indicates the microcontroller 36 in this way that the signal transit time measurement is to be terminated.
  • the gain of the amplifier stage 32 is increased when the output of the comparator stage 34 to the controller 36 in one measurement cycle indicates that at least one peak of the signal level of the amplified signal is off reached.
  • the gain factor is lowered when the output signal of the comparator stage 34 indicates to the control unit 36 in one measurement cycle that at least one peak value of the signal level of the amplified signal reaches or exceeds the setpoint value.
  • a measuring cycle is the time that passes from the emission of an electrical pulse in the measuring wire 10 to the detection of the structure-borne sound wave with the signal evaluation device. If the raw signal picked up by the sensor 18 is too weak, it will not be detected. In this case, the measurement cycle is terminated after a predetermined maximum time has elapsed. By raising or lowering the amplification factor, the amplified signal can be set to a value that oscillates around the detection level with negligible deviation. The conditioned signal in this way can then be used for reliable evaluation of the signal propagation time with the trigger circuit 60.
  • the functioning of the system 26 according to the invention for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system is explained below.
  • the signal generation takes place directly at the measuring system.
  • the interplay of magnetic fields in and on the magnetostrictive measuring wire 10 in the sensor 18 in the form of a pickup coil generates a raw signal, which depends in height by various factors, such as the field strength of the permanent magnet, its temperature and aging, etc.
  • Fig. 3 the course of the signal is shown as it is present at the output of the pickup coil 18.
  • the raw signal fluctuates relatively strongly for a short time. Maximum levels of 400 mV to 600 mV are achieved. However, these levels are still too weak for an evaluation, so that they have to be amplified in the downstream amplifier stage 32.
  • the sensor signal therefore passes as a raw signal 30 (see also FIG. 3) into the amplifier stage 32, in which the AC voltage component is amplified to a predefined value.
  • the degree of amplification is variable and is set by the microcontroller 36 via the digital potentiometer 42.
  • FIG. 4 shows the amplified signal profile which is present at the output 66 of the amplifier stage 32. The signal now reaches a maximum voltage of about one volt (1 V).
  • the output 66 of the amplifier stage 32 is coupled to the input 68 of the comparator stage 34.
  • the signal is compared by two comparators 46, 48, each having a default size.
  • a default quantity serves as a trigger level TR to stop the current signal runtime measurement.
  • the second preset quantity serves as the recognition level SP to recognize that the gain is properly set. In FIG. 5, therefore, in addition to the course of the amplified signal, the default variables trigger level TR and detection level SP are shown.
  • the microcontroller 36 monitors the state of the signal at the output 56 of the respective comparator 46 to control the gain of the amplifier stage 32. If no change in the output 56 is detected in a measurement cycle, the gain factor of the amplifier stage 32 is increased by a predetermined value. If a change is detected at the output 56 of the comparator 46, the gain is lowered accordingly by a predetermined value. In this way, the amplification factor settles over a series of measurement cycles so that the amplified signal reaches peak level values which fluctuate around the preset low SP detection level SP. In this way, approximately constant maximum values of the amplified measurement signal are generated, which is then very well suited for the evaluation of the signal transit time.
  • the respectively set amplification factor has a value within a predefined value range, which is also referred to as a tolerance range. If the amplification factor moves outside of this tolerance range, it can be concluded that the raw signal is faulty. In this case, an error message can be output with the control unit 36.
  • the advantages of the system 26 according to the invention for conditioning the signal of a magnetostrictive measuring system can be seen in the fact that the initial production adjustment can be omitted. Due to the regulation of the amplification factor, production-related tolerances can be compensated. The signal-to-noise ratio is optimized by the comparatively high output signal at the amplifier 38. The triggering for measuring the signal transit time results in a more stable signal value with always the same signal level.
  • different permanent magnets 12 can be used with deviating magnetic field strengths. Changes in the field strength of the permanent magnet 12 due to temperature fluctuations, aging, systemic
  • the result is a system 26, with which the distance measurements can be carried out more accurately and also more cost-effectively due to the components used.

Abstract

A system for conditioning a signal of a magnetorestrictive measurement system, wherein a raw signal (30) measured by a sensor (18) can be amplified by an amplification stage (32) and can then be compared to at least one set value in a comparator stage (34), a control unit (36) being connected to the comparator stage (34), is characterized in that the amplification stage (32) can be controlled by the control unit (36) such that the amplification factor of the amplification stage (32) is adapted according to an output signal of the comparator stage (34).

Description

System zur Konditionierung eines Signals  System for conditioning a signal
eines magnetostriktiven Messsystems  a magnetostrictive measuring system
Die Erfindung betrifft ein System zur Konditionierung eines Signals eines magnetostriktiven Messsystems, bei der ein mit einem Messaufnehmer gemessenes Rohsignal durch eine Verstärkerstufe verstärkbar ist und dann in einer Komparatorstufe mit mindestens einem Sollwert abgleichbar ist, wo- bei an die Komparatorstufe eine Steuereinheit angeschlossen ist. The invention relates to a system for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system in which a raw signal measured with a sensor can be amplified by an amplifier stage and then calibrated in a comparator stage with at least one desired value, wherein a control unit is connected to the comparator stage.
Magnetostriktive Messsysteme sind bekannt. Sie werden auf verschiedenen Gebieten als Wegmesssysteme oder zur Positionsermittlung eingesetzt. Kernstück derartiger Systeme ist ein Messdraht, der aus einer speziellen Metalllegierung besteht und einen Wellenleiter bildet. Als Messsignal wird auf diesem Wellenleiter eine Körperschallwelle erzeugt. Diese entsteht durch das Zusammenspiel zwischen einem Permanentmagneten, der als Positionsgeber entlang des Messdrahtes bewegbar ist, und einem Stromimpuls im Messdraht. Auf diese Weise wird eine Körperschallwelle als mechanischer Impuls im Messdraht erzeugt, die sich als torsionale oder longitudinale Welle vom Entstehungsort am Magneten ausgehend in beiden Richtungen im oder am Wellenleiter ausbreitet. Durch eine Messung der Laufzeit dieser Welle vom Entstehungsort am Magneten bis zu einem Messaufnehmer ist die Position des Magneten entlang der durch den Messdraht gebildeten Messstrecke ermittelbar. Das mit dem Messaufnehmer aufgenommene Rohsignal hat bedingt durch die Fertigung des Messsystems unterschiedliche Signalhöhen. Weiterhin variiert das Rohsignal in seiner Stärke durch verschiedene Einflüsse, wie zum Beispiel Temperatur, Alterung, Magnettyp usw. Die dem Messaufneh- mer nachgeschaltete Signalauswertungseinrichtung muss deshalb so gestaltet sein, dass das Signal stets sicher erkannt wird. Die Eingangsstufen der Signalauswertungseinrichtung bestehen daher typischerweise aus einer Verstärkerstufe und einer Signaltriggerstufe. Magnetostrictive measuring systems are known. They are used in various fields as position measuring systems or for position determination. At the heart of such systems is a measuring wire, which consists of a special metal alloy and forms a waveguide. As a measuring signal, a structure-borne sound wave is generated on this waveguide. This is due to the interaction between a permanent magnet, which is movable as a position sensor along the measuring wire, and a current pulse in the measuring wire. In this way, a structure-borne sound wave is generated as a mechanical impulse in the measuring wire, which propagates as a torsional or longitudinal wave from the point of origin on the magnet in both directions in or on the waveguide. By measuring the transit time of this wave from the point of origin on the magnet to a sensor, the position of the magnet along the measuring path formed by the measuring wire can be determined. The raw signal recorded with the sensor has different signal levels due to the production of the measuring system. Furthermore, the strength of the raw signal varies as a result of various influences, such as temperature, aging, magnet type, etc. The signal evaluation device connected downstream of the measuring sensor must therefore be designed so that the signal is always reliably detected. The input stages of the signal evaluation device therefore typically consist of an amplifier stage and a signal trigger stage.
Um die fertigungsbedingten Toleranzen auszugleichen, wird die Verstärker- stufe herkömmlicherweise während des Fertigungsprozesses von magneto- striktiven Wegmesssystemen geprüft und deren Verstärkungsfaktor auf einen festen Wert eingestellt. Die der Verstärkerstufe nachgeschaltete Triggerschaltung hat bei bekannten Systemen entweder einen festen Triggerpunkt, wodurch die Genauigkeit des magnetostriktiven Messsystems reduziert wird, oder aber einen variablen Triggerpunkt, der in Abhängigkeit von der Signalhöhe angepasst wird. To compensate for manufacturing tolerances, the amplification stage is conventionally tested during the manufacturing process of magnetostrictive displacement measuring systems and their amplification factor set to a fixed value. The amplifier circuit downstream trigger circuit has in known systems either a fixed trigger point, whereby the accuracy of the magnetostrictive measuring system is reduced, or a variable trigger point, which is adjusted in dependence on the signal level.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zur Konditionierung eines Signals eines magnetostriktiven Messsystems aufzuzeigen, das eine erhöhte Genauigkeit der Wegmessung bzw. Positionsermittlung bei geringeren Kosten ermöglicht. Based on this prior art, the present invention seeks to provide a system for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system, which allows increased accuracy of the path measurement or position determination at a lower cost.
Eine Lösung dieser Aufgabe besteht in einem System zur Konditionierung eines magnetostriktiven Messsystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 1 1 hervor. Erfindungsgemäß ist die Verstärkerstufe von der Steuereinheit derart ansteuerbar, dass der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Komparatorstufe angepasst wird. Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf einer automatischen, kontinuierlichen Anpassung des Verstärkungsfaktors der Verstärkerstufe. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors erfolgt automatisiert durch die Steuereinheit. Die Triggerschaltung wird konstruktiv auf einen festen Pegel eingestellt. Die Verstärkung der Nutzsignale erfolgt somit variabel. Diese variable, automatische Pegelanpassung bewirkt, dass hinter dem Verstärker stets der gleiche Signalpegel ansteht - unabhängig von Fertigungstoleranzen, Alterung, Temperatur, etc. A solution to this problem consists in a system for conditioning a magnetostrictive measuring system with the features of claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims 2 to 1 1. According to the invention, the amplifier stage can be controlled by the control unit such that the amplification factor of the amplifier stage is adjusted as a function of an output signal of the comparator stage. The solution according to the invention is based on an automatic, continuous adaptation of the amplification factor of the amplifier stage. The setting of the amplification factor is automated by the control unit. The trigger circuit is set constructively to a fixed level. The gain of the useful signals is thus variable. This variable, automatic level adjustment ensures that the same signal level is always present behind the amplifier - regardless of manufacturing tolerances, aging, temperature, etc.
Einer der besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass der initiale Fertigungsabgleich entfallen kann. Fertigungsbedingte Toleranzen können aufgrund der automatischen Pegelanpassung im laufenden Betrieb ausgeglichen werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann durch das vergleichsweise hohe Ausgangssignal am Verstärker ständig optimiert werden. Das durch die Verstärkerstufe verstärkte Signal wird mit einer Triggerschaltung zur Messung einer Signallaufzeit ausgewertet. Da das Triggern mit dem erfindungsgemäßen System auf stets der gleichen Signalstärke erfolgt, stabilisiert sich der Messwert, so dass eine höhere Genauigkeit der Wegmessung erreicht werden kann. Die Signalverarbeitung kann mit Permanentmagneten unterschiedlicher magnetischer Feldstärke zusammenarbeiten. Weiterhin besteht die One of the particular advantages of the solution according to the invention is the fact that the initial production adjustment can be omitted. Production-related tolerances can be compensated due to the automatic level adjustment during operation. The signal-to-noise ratio can be constantly optimized by the comparatively high output signal at the amplifier. The amplified by the amplifier stage signal is evaluated by a trigger circuit for measuring a signal delay. Since the triggering with the system according to the invention always takes place at the same signal strength, the measured value stabilizes, so that a higher accuracy of the distance measurement can be achieved. The signal processing can work together with permanent magnets of different magnetic field strength. Furthermore, there is the
Möglichkeit des Ausgleichs von Änderungen der Magnetfeldstärke des Permanentmagneten durch Temperaturschwankungen, Alterung oder systembedingte Änderungen des magnetischen Feldverlaufs und anderes mehr. Possibility of compensation for changes in the magnetic field strength of the permanent magnet due to temperature fluctuations, aging or system-related changes in the magnetic field profile and more.
Vorteilhaft wird der Verstärkungsfaktor angehoben, wenn das Ausgangssignal der Komparatorstufe der Steuereinheit anzeigt, dass zumindest ein Spitzenwert des Signalpegels des verstärkten Signals den voreingestellten, fixen Sollwert nicht erreicht. Auf diese Weise kann bei zyklischer Messwerterfassung der Verstärkungsfaktor soweit angehoben werden, bis das Ausgangssignal ausreichend verstärkt wird. Die Messung erfolgt dabei in Zyklen, in denen ein Stromimpuls in den Messdraht geleitet wird und an- schließend die Zeit gemessen wird, bis die Körperschallwelle den Messaufnehmer erreicht hat. Das vom Messaufnehmer aufgenommene Rohsignal kann aber zu schwach sein, um die Triggerschaltung zum Anhalten der Zeitmessung auszulösen. Dies wird durch das erfindungsgemäße Kondi- tionierungssystem zuverlässig erkannt und daraufhin wird der Verstärkungs- faktor zumindest solange angehoben, bis der Signalpegel eine ausreichende Stärke erreicht hat. Advantageously, the gain is increased when the output signal of the comparator stage of the control unit indicates that at least a peak value of the signal level of the amplified signal is the preset, fixed setpoint not reached. In this way, in the case of cyclic measured value detection, the amplification factor can be increased until the output signal is sufficiently amplified. The measurement is performed in cycles in which a current pulse is conducted into the measuring wire and then the time is measured until the structure-borne sound wave has reached the sensor. However, the raw signal picked up by the sensor may be too weak to trigger the trigger circuit to stop timing. This is reliably detected by the conditioning system according to the invention and then the amplification factor is increased at least until the signal level has reached a sufficient level.
Weiter bevorzugt wird der Verstärkungsfaktor abgesenkt, wenn das More preferably, the gain is lowered when the
Ausgangssignal der Komparatorstufe der Steuereinheit anzeigt, dass zumindest ein Spitzenwert des Signalpegels des verstärkten Signals den Sollwert erreicht oder überschreitet. Auf diese Weise kann das durch die Verstärkungsstufe verstärkte Signal vorteilhaft gedämpft werden. Durch eine Kombination von Anheben und Absenken des Verstärkungsfaktors lässt sich das Signal auf einen vorgegebenen Wert einpendeln. Output signal of the comparator stage of the control unit indicates that at least a peak value of the signal level of the amplified signal reaches or exceeds the target value. In this way, the signal amplified by the amplification stage can advantageously be attenuated. A combination of raising and lowering the gain allows the signal to settle to a preset value.
In der Komparatorstufe ist das von der Verstärkerstufe verstärkte Signal vor- zugsweise mit einem Erkennungspegel abgleichbar. Dieser Erkennungspegel ist vorzugsweise konstant, um eine genauere Einstellung des Verstärkungsfaktors in der Verstärkerstufe zu ermöglichen. In the comparator stage, the signal amplified by the amplifier stage can preferably be adjusted to a detection level. This detection level is preferably constant to allow more accurate adjustment of the gain in the amplifier stage.
Die Verstärkerstufe kann einen nichtinvertierenden Verstärker, vorzugsweise in Form eines Operationsverstärkers, umfassen. Durch den nicht- invertierenden Verstärker bleibt das Signal in seiner Form erhalten, lediglich die Amplitude wird angepasst. Auf diese Weise kann die Zeitmessung besonders präzise erfolgen. Operationsverstärker sind weit verbreitet und kostengünstig erhältlich. Ein Vorteil von Operationsverstärkern ist, dass sie einen hohen Verstärkungsfaktor aufweisen, der 103 bis 107 betragen kann. Das Rohsignal ist mit der Verstärkungsstufe vorteilhaft variabel verstärkbar. Dies ermöglicht die Anpassung des Verstärkungsfaktors und damit die Regelung der Spannung des verstärkten Signals am Ausgang der Verstärkerstufe. The amplifier stage may comprise a non-inverting amplifier, preferably in the form of an operational amplifier. Through the non-inverting amplifier, the signal is retained in its shape, only the amplitude is adjusted. In this way, the timing can be done very precisely. Operational amplifiers are widely available and inexpensive. An advantage of op amps is that they have a high gain, which may be 10 3 to 10 7 . The raw signal can advantageously be variably amplified with the amplification stage. This allows the gain to be adjusted and thus the voltage of the amplified signal to be controlled at the output of the amplifier stage.
Mit besonderem Vorteil ist die Verstärkerstufe von der Steuereinheit über eine Widerstandsbeschaltung, insbesondere umfassend ein Digitalpotentiometer, einstellbar. Das Digitalpotentiometer kann dazu mit einem Ausgang der Steuereinheit gekoppelt sein. Auf diese Weise wird eine elektrische Steuerung der Verstärkerstufe ermöglicht. Aufgrund dieser Rückkopplung kann die Anpassung des Verstärkungsfaktors in der Verstärkerstufe konti- nuierlich, verzögerungsfrei und sicher erfolgen. With particular advantage, the amplifier stage of the control unit via a resistor circuit, in particular comprising a digital potentiometer, adjustable. The digital potentiometer can be coupled to an output of the control unit. In this way, an electrical control of the amplifier stage is made possible. Due to this feedback, the adjustment of the amplification factor in the amplifier stage can be carried out continuously, without delay and safely.
Besonders bevorzugt ist mit der Steuereinheit auf Basis des eingestellten Verstärkungsfaktors eine Fehlermeldung ausgebbar, wenn der Pegel des Rohsignals außerhalb eines Toleranzbereichs liegt. Wenn das Rohsignal außerhalb des Toleranzbereichs liegt, muss der Verstärkungsfaktor auf einen besonders hohen oder niedrigen Wert eingestellt werden, um den gewünschten Signalpegel am Ausgang der Verstärkerstufe zu erzeugen. Dieser Toleranzbereich ist daher durch einen mittleren Bereich des Verstärkungsfaktors definiert, bei dem erfahrungsgemäß eine zuverlässige Messung möglich ist. Befindet sich der Verstärkungsfaktor außerhalb des Toleranzbe- reichs, so ist darauf zu schließen, dass ein Problem vorliegt und eine zuverlässige Messung mit dem System zurzeit nicht möglich ist. Ein solcher Zustand kann durch das System zuverlässig erkannt und anschließend vorteilhaft zur Anzeige gebracht werden. Particularly preferably, an error message can be output with the control unit on the basis of the set amplification factor if the level of the raw signal is outside a tolerance range. If the raw signal is out of tolerance, the gain must be set to a particularly high or low value to produce the desired signal level at the output of the amplifier stage. This tolerance range is therefore defined by a mean range of the amplification factor at which, according to experience, a reliable measurement is possible. If the amplification factor is outside the tolerance range, it can be concluded that there is a problem and reliable measurement with the system is currently not possible. Such a condition can be reliably detected by the system and then advantageously displayed.
Der Messaufnehmer ist vorteilhaft eine Pickup-Spule, mit der vorzugsweise eine Auslenkung des magnetostriktiven Messdrahts erfassbar ist. Eine solche Pickup-Spule kann derart angeordnet werden, dass sie den Messdraht um- fasst. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Aufnahme des Messsignals bei geringen Übertragungsverlusten sichergestellt. Pickup-Spulen sind in vielfältigen Ausführungsformen erhältlich und wartungsarm. Die Steuereinheit ist besonders bevorzugt ein MikroController. Derartige Mikrocontroller sind im Handel in vielfältigen Ausführungsformen kostengünstig beschaffbar und zeichnen sich durch ihre Programmierbarkeit aus. Dies erlaubt es, den Mikrocontroller an unterschiedliche Einsatzsituationen anzupassen. Die Einstellung der Verstärkerstufe kann vorteilhaft über ein Digitalsignal des MikroControllers erfolgen. Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass die Verstärkerstufe und die Triggerstufe integrale Bestandteile des MikroControllers sind. The sensor is advantageously a pickup coil, with which preferably a deflection of the magnetostrictive measuring wire can be detected. Such a pickup coil can be arranged such that it encompasses the measuring wire. In this way, a reliable recording of the measurement signal is ensured at low transmission losses. Pickup coils are available in a variety of embodiments and require little maintenance. The control unit is particularly preferably a microcontroller. Such microcontrollers are commercially available in a variety of embodiments cost and are characterized by their programmability. This makes it possible to adapt the microcontroller to different operating situations. The adjustment of the amplifier stage can advantageously take place via a digital signal of the microcontroller. In principle, it is also conceivable that the amplifier stage and the trigger stage are integral components of the microcontroller.
Weiterhin kann in der Komparatorstufe das Überschreiten des Signalpegels des verstärkten Signals der Verstärkerstufe über einen Triggerpegel erfassbar sein und an die Steuereinheit zur Auswertung einer Signallaufzeit weiterleitbar sein. Die Signal laufzeit ist dabei proportional zur zu messenden Wegstrecke, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Körperschallwelle im Messdraht aufgrund seiner weitgehenden Homogenität annähernd konstant ist. Über das System zur Konditionierung des Signals eines magneto- striktiven Messsystems kann damit auch die eigentliche Wegmessung des magnetostriktiven Messsystems vorgenommen werden. Furthermore, in the comparator stage, the exceeding of the signal level of the amplified signal of the amplifier stage can be detectable via a trigger level and forwarded to the control unit for evaluating a signal propagation time. The signal transit time is proportional to the distance to be measured, since the propagation velocity of the structure-borne sound wave in the measuring wire is approximately constant due to its extensive homogeneity. By means of the system for conditioning the signal of a magnetostrictive measuring system, the actual displacement measurement of the magnetostrictive measuring system can thus also be carried out.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von einem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise eines magnetostriktiven Messsystems; The invention is explained in more detail with reference to an embodiment shown in the figures. 1 is a schematic diagram for explaining the operation of a magnetostrictive measuring system;
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des Aufbaus des Fig. 2 is a block diagram to illustrate the construction of the
erfindungsgemäßen Systems zur Konditionierung eines Signals eines magnetostriktiven Messsystems; Fig. 3 ein Diagramm, das den Verlauf eines Rohsignals über der Zeit darstellt; Fig. 4 ein Diagramm, das den Verlauf eines verstärkten Signals über der Zeit darstellt; system according to the invention for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system; Fig. 3 is a diagram illustrating the course of a raw signal over time; Fig. 4 is a diagram illustrating the waveform of a boosted signal over time;
Fig. 5 das Diagramm der Fig. 4, wobei zusätzlich der Erkennungspegel und der Triggerpegel eingezeichnet sind; und Fig. 6 und 7 Diagramme, die den Verlauf des Spitzenpegelsignals bei FIG. 5 shows the diagram of FIG. 4, wherein additionally the detection level and the trigger level are shown; FIG. and Figs. 6 and 7 are diagrams showing the waveform of the peak level signal
unterschiedlichen Verläufen des verstärkten Signals verdeutlichen, wobei der Verlauf des verstärkten Signals den Erkennungspegel in der Fig. 6 nicht erreicht und in der Fig. 7 erreicht. In Fig. 1 ist ein als Wellenleiter dienender Messdraht mit 10 bezeichnet, der aus einer ferromagnetischen Metalllegierung besteht. Als Positionsgeber ist ein Permanentmagnet 12 längs des Messdrahtes verfahrbar. Der Magnet 12 erzeugt aufgrund eines im Messdraht 10 generierten Stromimpulses 14 ein Messsignal in Form einer vom Entstehungsort am Magneten 12 ausgehen- den Körperschallwelle 16, die sich im Messdraht 10 in beiden Richtungen ausbreitet. Zur Positionsbestimmung des Magneten 12 wird die Laufzeit der Welle 16 bis zu einem Signalabgriff gemessen, wo ein Messaufnehmer 18 vorgesehen ist, dessen Rohsignal von einer in dieser Figur nicht gezeigten Signalauswertungseinrichtung ausgewertet wird. Der Messaufnehmer 18 hat die Form einer Pickup-Spule, mit der eine Auslenkung des magneto- striktiven Messdrahts 10 erfassbar ist. Wie in Fig. 1 angedeutet, erzeugt die signalgebende Körperschallwelle 16 eine Reflektionswelle 20. Um deren störende Beeinflussung des Messergebnisses zu beheben, ist deshalb am offenen Ende 22 des Systems ein Dämpfungssystem 24 angeordnet. Das erfindungsgemäße System 26 zur Konditionierung eines Signals eines magnetostriktiven Messsystems ist in Fig. 2 in Form eines Blockschaltbildes gezeichnet. Ein mit einem Messaufnehmer 18 in einer Signalerzeugungsstufe 28 aufgenommenes Rohsignal 30 (siehe auch Fig. 3) ist durch eine Verstärkerstufe 32 verstärkbar. Anschließend wird das verstärkte Signal in einer Komparatorstufe 34 mit mindestens einem Sollwert, der zum Beispiel durch einen Erkennungspegel gegeben ist, abgeglichen. Die Komparatorstufe 34 ist mit einer Steuereinheit 36 in Form eines Mikrocontrollers ge- koppelt. Die Verstärkerstufe 32 wird von der Steuereinheit 36 derart angesteuert, dass der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 32 in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Komparatorstufe 34 angepasst wird. illustrate different courses of the amplified signal, wherein the course of the amplified signal does not reach the detection level in FIG. 6 and reached in FIG. 7. In Fig. 1 serving as a waveguide measuring wire is denoted by 10, which consists of a ferromagnetic metal alloy. As a position sensor, a permanent magnet 12 along the measuring wire is movable. On the basis of a current pulse 14 generated in the measuring wire 10, the magnet 12 generates a measuring signal in the form of a structure-borne sound wave 16 emanating from the place of origin on the magnet 12, which propagates in the measuring wire 10 in both directions. To determine the position of the magnet 12, the transit time of the shaft 16 is measured up to a signal pickup, where a sensor 18 is provided whose raw signal is evaluated by a signal evaluation device not shown in this figure. The sensor 18 has the form of a pickup coil with which a deflection of the magnetostrictive measuring wire 10 can be detected. As indicated in FIG. 1, the signal-emitting structure-borne sound wave 16 generates a reflection wave 20. In order to eliminate its disturbing influence on the measurement result, a damping system 24 is therefore arranged at the open end 22 of the system. The system 26 according to the invention for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system is shown in FIG. 2 in the form of a block diagram. A raw signal 30 recorded with a sensor 18 in a signal generation stage 28 (see also FIG. 3) is represented by a Amplifier stage 32 can be amplified. Subsequently, the amplified signal is adjusted in a comparator stage 34 with at least one set value, which is given for example by a detection level. The comparator stage 34 is coupled to a control unit 36 in the form of a microcontroller. The amplifier stage 32 is controlled by the control unit 36 in such a way that the amplification factor of the amplifier stage 32 is adjusted in dependence on an output signal of the comparator stage 34.
Hierbei ist der Messaufnehmer 18 in der bereits erwähnten Form einer Pickup-Spule ausgeführt, die mit einem nichtinvertierenden Operations- Verstärker 38 gekoppelt ist. Der Operationsverstärker 38 ist über Widerstände 40, 42 und einen Kondensator 44 beschaltet. Einer dieser Widerstände 42 ist als Digitalpotentiometer ausgeführt, das vom MikroController 36 eingestellt wird. Auf diese Weise wird der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 38 eingestellt. Das verstärkte Signal wird an die Komparatorstufe 34 weitergeleitet, die zwei parallel geschaltete Komparatoren 46, 48 aufweist. Einer der Kompara- toren 46 vergleicht die Spannung des von der Verstärkerstufe 34 verstärkten Signals mit einem Signalpegel, der auch als Erkennungspegel bezeichnet wird. Dieser Erkennungspegel wird über Widerstände 50, 52 an einem Ein- gang 54 des Komparators 46 fix eingestellt. Am Ausgang 56 zeigt der Komparator 46 die logische Null („0", bedeutet„falsch") an, solange der Pegel des verstärkten Signals geringer ist als der Erkennungspegel. Sobald der Pegel des verstärkten Signals den Erkennungspegel erreicht oder überschreitet, springt das Signal am Ausgang 56 des Komparators 46 auf die logische Eins („1 ", bedeutet„wahr"). Mit dem Ausgang 56 des Komparators 46 ist ein Eingang 58 des Mikrocontrollers 36 zur Überwachung der Signalstärke gekoppelt. Der zweite Komparator 48 der Komparatorstufe 34 bildet einen Teil einer Triggerschaltung 60 zum Anhalten der Signal laufzeit- messung. Über Widerstände 62, 64 ist an diesem Komparator 48 ein Triggerpegel eingestellt, der geringer ist als der Erkennungspegel. Über- schreitet die Spannung des von der Verstärkerstufe 32 verstärkten Signals den Triggerpegel, so springt das Signal am Ausgang des Komparators 48 von der logischen Null auf die logische Eins und zeigt dem MikroController 36 auf diese Weise an, dass die Signal laufzeitmessung zu beenden ist. Mit dem erfindungsgemäßen System 26 zur Konditionierung des Signals des magnetostriktiven Messsystems wird im Betrieb der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 32 angehoben, wenn das Ausgangssignal der Komparator- stufe 34 der Steuereinheit 36 in einem Messzyklus anzeigt, dass zumindest ein Spitzenwert des Signalpegels des verstärkten Signals den Sollwert nicht erreicht. Weiterhin wird der Verstärkungsfaktor abgesenkt, wenn das Ausgangssignal der Komparatorstufe 34 der Steuereinheit 36 in einem Messzyklus anzeigt, dass zumindest ein Spitzenwert des Signalpegels des verstärkten Signals den Sollwert erreicht oder überschreitet. Ein Messzyklus ist die Zeit, die von dem Aussenden eines elektrischen Impulses im Messdraht 10 bis zur Detektion der Körperschallwelle mit der Signalauswertungseinrichtung vergeht. Ist das mit dem Messaufnehmer 18 aufgenommene Rohsignal zu schwach, kommt es aber nicht zu einer Detektion desselben. In diesem Falle wird der Messzyklus nach Ablauf einer vorgegebenen maximalen Zeitdauer beendet. Durch das Anheben bzw. Absenken des Verstärkungsfaktors kann das verstärkte Signal auf einen Wert eingestellt werden, der um den Erkennungspegel bei vernachlässigbar geringer Abweichung pendelt. Das auf diese Weise konditionierte Signal kann dann zur zuverlässigen Auswertung der Signallaufzeit mit der Triggerschaltung 60 verwendet werden. Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems 26 zur Konditionierung eines Signals eines magnetostriktiven Messsystems erläutert. Here, the sensor 18 is designed in the already mentioned form of a pickup coil which is coupled to a non-inverting operational amplifier 38. The operational amplifier 38 is connected via resistors 40, 42 and a capacitor 44. One of these resistors 42 is designed as a digital potentiometer, which is set by the microcontroller 36. In this way, the amplification factor of the operational amplifier 38 is adjusted. The amplified signal is passed to the comparator stage 34, which has two comparators 46, 48 connected in parallel. One of the comparators 46 compares the voltage of the signal amplified by the amplifier stage 34 with a signal level, which is also referred to as a recognition level. This detection level is set via resistors 50, 52 to an input 54 of the comparator 46 fixed. At the output 56, the comparator 46 indicates the logic zero ("0", meaning "false") as long as the level of the amplified signal is less than the detection level. As soon as the level of the amplified signal reaches or exceeds the detection level, the signal at the output 56 of the comparator 46 jumps to logic one ("1", meaning "true"). Connected to the output 56 of the comparator 46 is an input 58 of the microcontroller 36 for monitoring signal strength. The second comparator 48 of the comparator stage 34 forms part of a trigger circuit 60 for stopping the signal transit time measurement. Via resistors 62, 64, a trigger level is set at this comparator 48, which is lower than the detection level. About- If the voltage of the amplifier stage 32 amplified signal goes to the trigger level, the signal jumps from the output of the comparator 48 from the logic zero to the logic one and indicates the microcontroller 36 in this way that the signal transit time measurement is to be terminated. With the magnetostrictive measuring system signal conditioning system 26 of the present invention, in operation, the gain of the amplifier stage 32 is increased when the output of the comparator stage 34 to the controller 36 in one measurement cycle indicates that at least one peak of the signal level of the amplified signal is off reached. Furthermore, the gain factor is lowered when the output signal of the comparator stage 34 indicates to the control unit 36 in one measurement cycle that at least one peak value of the signal level of the amplified signal reaches or exceeds the setpoint value. A measuring cycle is the time that passes from the emission of an electrical pulse in the measuring wire 10 to the detection of the structure-borne sound wave with the signal evaluation device. If the raw signal picked up by the sensor 18 is too weak, it will not be detected. In this case, the measurement cycle is terminated after a predetermined maximum time has elapsed. By raising or lowering the amplification factor, the amplified signal can be set to a value that oscillates around the detection level with negligible deviation. The conditioned signal in this way can then be used for reliable evaluation of the signal propagation time with the trigger circuit 60. The functioning of the system 26 according to the invention for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system is explained below.
Die Signalerzeugung erfolgt direkt am Messsystem. Hier wird durch das Zusammenspiel von Magnetfeldern in und an dem magnetostriktiven Mess- draht 10 in dem Messaufnehmer 18 in Form der Pickup-Spule ein Rohsignal generiert, welches in seiner Höhe von verschiedenen Faktoren, wie zum Beispiel der Feldstärke des Permanentmagneten, dessen Temperatur und Alterung etc. abhängt. In der Fig. 3 ist der Verlauf des Signals gezeigt, wie er am Ausgang der Pickup-Spule 18 ansteht. Wenn die Körperschallwelle den Messaufnehmer 18 erreicht, schwankt das Rohsignal für eine kurze Zeit relativ stark. Hierbei werden maximale Pegel von 400 mV bis 600 mV erreicht. Diese Pegel sind aber für eine Auswertung noch zu schwach, so dass sie in der nachgeschalteten Verstärkerstufe 32 verstärkt werden müs- sen. The signal generation takes place directly at the measuring system. Here, the interplay of magnetic fields in and on the magnetostrictive measuring wire 10 in the sensor 18 in the form of a pickup coil generates a raw signal, which depends in height by various factors, such as the field strength of the permanent magnet, its temperature and aging, etc. In Fig. 3 the course of the signal is shown as it is present at the output of the pickup coil 18. When the structure-borne sound wave reaches the sensor 18, the raw signal fluctuates relatively strongly for a short time. Maximum levels of 400 mV to 600 mV are achieved. However, these levels are still too weak for an evaluation, so that they have to be amplified in the downstream amplifier stage 32.
Das Sensorsignal geht daher als Rohsignal 30 (siehe auch Fig. 3) in die Verstärkerstufe 32, in der der Wechselspannungsanteil auf einen vordefinierten Wert verstärkt wird. Das Maß der Verstärkung ist variabel und wird vom Mikrocontroller 36 über das Digital potentiometer 42 eingestellt. In der Fig. 4 ist der verstärkte Signalverlauf gezeigt, der am Ausgang 66 der Verstärkerstufe 32 ansteht. Das Signal erreicht nun eine maximale Spannung von ca. einem Volt (1 V). The sensor signal therefore passes as a raw signal 30 (see also FIG. 3) into the amplifier stage 32, in which the AC voltage component is amplified to a predefined value. The degree of amplification is variable and is set by the microcontroller 36 via the digital potentiometer 42. FIG. 4 shows the amplified signal profile which is present at the output 66 of the amplifier stage 32. The signal now reaches a maximum voltage of about one volt (1 V).
Der Ausgang 66 der Verstärkerstufe 32 ist mit dem Eingang 68 der Kom- paratorstufe 34 gekoppelt. In der Komparatorstufe 34 wird das Signal durch zwei Komparatoren 46, 48 mit jeweils einer Vorgabegröße verglichen. Als Ergebnis der Vergleiche wird an dem jeweiligen Komparator 46, 48 die logische Null oder die logische Eins ausgegeben. Eine Vorgabegröße dient als Triggerpegel TR, um die laufende Signallaufzeitmessung anzuhalten. Die zweite Vorgabegröße dient als Erkennungspegel SP, um zu erkennen, dass der Verstärkungsfaktor richtig eingestellt ist. In der Fig. 5 sind deshalb neben dem Verlauf des verstärkten Signals die Vorgabegrößen Triggerpegel TR und Erkennungspegel SP eingezeichnet. The output 66 of the amplifier stage 32 is coupled to the input 68 of the comparator stage 34. In the comparator stage 34, the signal is compared by two comparators 46, 48, each having a default size. As a result of the comparisons, the logical zero or the logical one is output at the respective comparator 46, 48. A default quantity serves as a trigger level TR to stop the current signal runtime measurement. The second preset quantity serves as the recognition level SP to recognize that the gain is properly set. In FIG. 5, therefore, in addition to the course of the amplified signal, the default variables trigger level TR and detection level SP are shown.
Für das System 26 zur Konditionierung eines Signals eines magneto- striktiven Messsystems ist lediglich das Ergebnis des Vergleichs des verstärk- ten Signals mit dem Erkennungspegel SP relevant. In den Fig. 6 und 7 ist daher nur der Verlauf des verstärkten Signals und der Erkennungspegel SP eingezeichnet. Zusätzlich ist der Verlauf des Signals 70 am Ausgang 56 des zugeordneten Komparators 46 gezeigt. In Fig. 6 ist der Verlauf des verstärk- ten Signals stets geringer als der Erkennungspegel SP. Am Ausgang 56 des Komparators 46 konstant auf logisch Null („0"). In Fig. 7 überschreitet der Verlauf des verstärkten Signals kurzzeitig den Erkennungspegel SP. Solange das Signal den Erkennungspegel SP erreicht oder überschreitet, springt der Ausgang 56 des Komparators 46 auf logisch Eins („1 "), wie man an den ent- sprechenden Peaks oder zinnenförmigen Verläufen 72 erkennen kann. For the system 26 for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system, only the result of the comparison of the amplification signal with the detection level SP relevant. In FIGS. 6 and 7, therefore, only the course of the amplified signal and the detection level SP are shown. In addition, the waveform of the signal 70 is shown at the output 56 of the associated comparator 46. In FIG. 6, the course of the amplified signal is always lower than the detection level SP. At the output 56 of the comparator 46, constant at logic zero ("0"). In Figure 7, the waveform of the amplified signal briefly exceeds the detection level SP. As long as the signal reaches or exceeds the detection level SP, the output 56 of the comparator 46 will jump to logic One ("1"), as can be seen from the corresponding peaks or crenellated curves 72.
Während der einzelnen Messzyklen überwacht der Mikrocontroller 36 den Zustand des Signals am Ausgang 56 des jeweiligen Komparators 46, um den Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 32 zu regeln. Wenn in einem Messzyklus keine Änderung am Ausgang 56 detektiert wird, wird der Ver- Stärkungsfaktor der Verstärkerstufe 32 um einen vorgegebenen Wert angehoben. Wird eine Änderung am Ausgang 56 des Komparators 46 festgestellt, wird der Verstärkungsfaktor entsprechend um einen vorgegebenen Wert gesenkt. Auf diese Weise pendelt sich der Verstärkungsfaktor über eine Reihe von Messzyklen so ein, dass das verstärkte Signal Spitzenpegel- werte erreicht, die um den voreingestellten Erkennungspegel SP bei geringer Bandbreite schwanken. Auf diese Weise werden annähernd konstante Maximalwerte des verstärkten Messsignals erzeugt, das sich dann sehr gut für die Auswertung der Signal laufzeit eignet. During the individual measurement cycles, the microcontroller 36 monitors the state of the signal at the output 56 of the respective comparator 46 to control the gain of the amplifier stage 32. If no change in the output 56 is detected in a measurement cycle, the gain factor of the amplifier stage 32 is increased by a predetermined value. If a change is detected at the output 56 of the comparator 46, the gain is lowered accordingly by a predetermined value. In this way, the amplification factor settles over a series of measurement cycles so that the amplified signal reaches peak level values which fluctuate around the preset low SP detection level SP. In this way, approximately constant maximum values of the amplified measurement signal are generated, which is then very well suited for the evaluation of the signal transit time.
Üblicherweise hat der jeweils eingestellte Verstärkungsfaktor einen Wert innerhalb eines vordefinierten Wertebereichs, der auch als Toleranzbereich bezeichnet wird. Bewegt sich der Verstärkungsfaktor außerhalb dieses Toleranzbereichs, kann darauf geschlossen werden, dass das Rohsignal fehlerhaft ist. In diesem Fall kann mit der Steuereinheit 36 eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems 26 zur Konditionierung des Signals eines magnetostriktiven Messsystems sind darin zu sehen, dass der initiale Fertigungsabgleich entfallen kann. Aufgrund der Regelung des Verstärkungsfaktors können fertigungsbedingte Toleranzen ausgeglichen wer- den. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist durch das vergleichsweise hohe Ausgangssignal am Verstärker 38 optimiert. Das Triggern zum Messen der Signal laufzeit hat bei einer stets gleichen Signalhöhe einen stabileren Messwert zur Folge. Im Rahmen des Systems 26 können unterschiedliche Permanentmagnete 12 mit abweichenden magnetischen Feldstärken ein- gesetzt werden. Änderungen der Feldstärke des Permanentmagneten 12 aufgrund von Temperaturschwankungen, Alterung, systembedingter Usually, the respectively set amplification factor has a value within a predefined value range, which is also referred to as a tolerance range. If the amplification factor moves outside of this tolerance range, it can be concluded that the raw signal is faulty. In this case, an error message can be output with the control unit 36. The advantages of the system 26 according to the invention for conditioning the signal of a magnetostrictive measuring system can be seen in the fact that the initial production adjustment can be omitted. Due to the regulation of the amplification factor, production-related tolerances can be compensated. The signal-to-noise ratio is optimized by the comparatively high output signal at the amplifier 38. The triggering for measuring the signal transit time results in a more stable signal value with always the same signal level. In the context of the system 26 different permanent magnets 12 can be used with deviating magnetic field strengths. Changes in the field strength of the permanent magnet 12 due to temperature fluctuations, aging, systemic
Änderung des magnetischen Feldverlaufs etc. können vorteilhaft ausgeglichen werden. Schließlich kann anhand des einzustellenden Verstärkungsfaktors auf eine eventuelle Fehlfunktion des Messaufnehmers 18 ge- schlössen werden. Change in the magnetic field profile, etc. can be compensated advantageous. Finally, it can be concluded on the basis of the gain to be set on a possible malfunction of the sensor 18.
Im Ergebnis ergibt sich ein System 26, mit dem die Wegmessungen genauer und aufgrund der eingesetzten Komponenten auch kostengünstiger durchgeführt werden können. The result is a system 26, with which the distance measurements can be carried out more accurately and also more cost-effectively due to the components used.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P a n t a n s p r e c h e
System zur Konditionierung eines Signals eines magnetostriktiven Messsystems, bei der ein mit einem Messaufnehmer (18) gemessenes Rohsignal (30) durch eine Verstärkerstufe (32) verstärkbar ist und dann in einer Komparatorstufe (34) mit mindestens einem Sollwert abgleichbar ist, wobei an die Komparatorstufe (34) eine Steuereinheit (36) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerstufe (32) von der Steuereinheit (36) derart ansteuerbar ist, dass der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe (32) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Komparatorstufe (34) angepasst wird. System for conditioning a signal of a magnetostrictive measuring system, in which a raw signal (30) measured by a sensor (18) can be amplified by an amplifier stage (32) and then calibrated in at least one reference value in a comparator stage (34), to the comparator stage (34) a control unit (36) is connected, characterized in that the amplifier stage (32) of the control unit (36) is controllable such that the gain of the amplifier stage (32) in response to an output signal of the comparator stage (34) is adjusted ,
System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor angehoben wird, wenn das Ausgangssignal der Komparatorstufe (34) der Steuereinheit (36) anzeigt, dass zumindest ein Spitzenwert des Signalpegels des verstärkten Signals den Sollwert nicht erreicht. A system according to claim 1, characterized in that the gain is increased when the output signal of the comparator stage (34) of the control unit (36) indicates that at least a peak value of the signal level of the amplified signal does not reach the target value.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor abgesenkt wird, wenn das Ausgangssignal der Komparatorstufe (34) der Steuereinheit (36) anzeigt, dass zumindest ein Spitzenwert des Signalpegels des verstärkten Signals den Sollwert erreicht oder überschreitet. A system according to any one of the preceding claims, characterized in that the gain factor is lowered when the output signal of the comparator stage (34) indicates to the control unit (36) that at least a peak value of the signal level of the amplified signal reaches or exceeds the setpoint.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Komparatorstufe (34) das von der Verstärkerstufe (32) verstärkte Signal mit einem Erkennungspegel (SP) abgleichbar ist. 5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerstufe (32) einen Verstärker (38), vorzugsweise in Form eines Operationsverstärkers, umfasst. 4. System according to any one of the preceding claims, characterized in that in the comparator stage (34) of the amplifier stage (32) amplified signal with a detection level (SP) can be adjusted. 5. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the amplifier stage (32) comprises an amplifier (38), preferably in the form of an operational amplifier.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohsignal (30) in der Verstärkerstufe (32) variabel verstärkbar ist. 6. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the raw signal (30) in the amplifier stage (32) is variably amplified.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Verstärkerstufe (32) von der Steuereinheit7. System according to any one of the preceding claims, character- ized in that the amplifier stage (32) from the control unit
(36) über ein Rückkopplungsnetzwerk (40, 42), vorzugsweise einem Digitalpotentiometer (42), einstellbar ist. (36) via a feedback network (40, 42), preferably a digital potentiometer (42), is adjustable.
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuereinheit (36) auf Basis des ein- gestellten Verstärkungsfaktors eine Fehlermeldung ausgebbar ist, wenn der Pegel des Rohsignals (30) außerhalb eines Toleranzbereichs liegt. 8. System according to any one of the preceding claims, characterized in that with the control unit (36) based on the set gain an error message can be output when the level of the raw signal (30) is outside a tolerance range.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (18) eine Pickup-Spule ist, mit der vorzugsweise eine Auslenkung eines magnetostriktiven9. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor (18) is a pickup coil, with preferably a deflection of a magnetostrictive
Messdrahts (10) erfassbar ist. Measuring wire (10) can be detected.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine programmierbare Logikeinheit, vorzugsweise ein MikroController (36) ist. 1 1 . System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Komparatorstufe (34) das Überschreiten des Signalpegels des verstärkten Signals der Verstärkerstufe (32) über einen Triggerpegel erfassbar und an die Steuereinheit (36) zur Auswertung einer Signallaufzeit weiterleitbar ist. 10. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the control unit is a programmable logic unit, preferably a microcontroller (36). 1 1. System according to one of the preceding claims, characterized in that in the comparator stage (34) exceeding the signal level of the amplified signal of the amplifier stage (32) can be detected via a trigger level and forwarded to the control unit (36) for evaluating a signal propagation time.
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