DE10131453A1

DE10131453A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Detektion eines aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Elements

Info

Publication number: DE10131453A1
Application number: DE10131453A
Authority: DE
Inventors: Mathias Klenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-09
Also published as: ITMI20021413A0; ITMI20021413A1; FR2826722A1; JP2003042804A

Abstract

Ein Verfahren zur Detektion eines aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Elements 1, bei welchem das Element 1 in den Nahbereich eines eine veränderbare Induktivität aufweisenden Sensors 2 gebracht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Element 1 verursachte Induktivitätsänderung des Sensors 2 zur Detektion ausgewertet wird. DOLLAR A Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor 2 in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 3 geschaltet ist, und ein Komparator 4 vorhanden ist, mittels dem die an dem Widerstand 3 abfallende Spannung mit einem Schwellwert 11 verglichen wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Detektion eines aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Elements, bei welchem das Element in den Nahbereich eines eine veränderbare Induktivität aufweisenden Sensors gebracht wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren beziehungsweise eine derartige Schaltungsanordnung sind im Stand der Technik insbesondere zur Erfassung der Drehzahl einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bekannt. Hierbei wird ein regelmäßig als Spule ausgebildeter Sensor so angeordnet, daß die Zähne eines auf der Kurbelwelle sitzenden Zahnrads in seinen Nahbereich eindringen. Die Zähne des Zahnrads können mit einem Dauermagneten versehen sein oder das Zahnrad als auch die Zähne können aus einem weichmagnetischen Material bestehen. Durch das Vorbeibewegen eines Zahnes an der Spule kann eine Änderung des Magnetfelds der Spule erreicht werden. Durch die Magnetfeldänderung wird in der Spule eine Spannung erzeugt.

Das in der Spule erzeugte Spannungssignal wird einer Auswerteschaltung zugeführt, in der basierend auf den zeitlichen Abstand der Signale die Drehzahl der Kurbelwelle ermittelt wird. Der bekannte induktive Sensor ist preiswert herzustellen und liefert ein genaues, analoges Drehzahlsignal.

Wegen der in zunehmendem Maße erfolgenden Verwendung von digitalen Schaltungen zur Signalverarbeitung ist die Abgabe eines analogen Ausgangssignals jedoch nachteilig. Es werden daher zunehmend aktive Sensoren eingesetzt, die nach dem Hall- oder magnetoresistiven Prinzip arbeiten. Diese Sensoren liefern ein digitales Ausgangssignal, was den analogen Schaltungsaufwand im Steuergerät reduziert und die Genauigkeit der Signalauswertung erhöht.

Dennoch ist die Genauigkeit dieser Sensoren geringer, als die der induktiven Sensoren. Auch sind die Kosten höher.

Es hat sich abgezeichnet, daß zukünftig an Sensoren zur Erfassung einer Drehzahl oder Position höhere Anforderungen bezüglich der Genauigkeit und der Winkelauflösung gestellt werden. Des weiteren wird ein digitales Ausgangssignal verlangt. Darüber hinaus sollen die Herstellungskosten gering sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Verfahren beziehungsweise eine eingangs genannte Schaltungsanordnung derart auszubilden, daß die Vorteile eines induktiven Sensors mit den Vorteilen eines digitalen Sensors verbunden werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion eines aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Elements, bei welchem das Element in den Nahbereich eines eine veränderbare Induktivität aufweisenden Sensors gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Element verursachte Induktivitätsänderung des Sensors zur Detektion ausgewertet wird. Die Induktivitätsänderung bewirkt ein anderes elektrisches Verhalten der Spule auf eine an sie angelegte Wechselspannung wie beispielsweise eine digital erzeugte Rechteckspannung oder ein Sinussignal, und kann somit zur Detektion eines aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Elements verwendet werden.

Des weiteren ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in Reihe mit einem ohmschen Widerstand geschaltet ist, und ein Komparator vorhanden ist, mittels dem die an dem Widerstand abfallende Spannung mit einem Schwellwert verglichen wird.

Dadurch, daß die durch das ferromagnetische Element im Sensor verursachte Induktivitätsänderung zur Detektion ausgewertet wird, läßt sich auf einfache Weise ein digitales Ausgangssignal gewinnen. Hierdurch ist es möglich einen induktiven Sensor ohne großen Schaltungsaufwand an eine digitale Signalverarbeitungseinheit anzuschalten. So kann beispielsweise eine in einem herkömmlichen Steuergerät enthaltene toleranzbehaftete analoge Eingangsbeschaltung als auch ein entsprechender Auswerteschaltkreis entfallen und ein preiswerterer, genauer digitaler Eingang verwendet werden.

In vorteilhafter Weise ist der Sensor als Spule ausgebildet. Hierdurch läßt sich ein herkömmlicher induktiver Sensor verwenden, so daß auf Standardbauelemente zurückgegriffen werden kann. Um beim Betrieb der Spule mit einer hohen Frequenz möglichst geringe Ummagnetisierungsverluste zu erreichen, sollte die Spule als Luftspule ausgebildet sein. Es könnte im Inneren der Spule aber auch ein Kunststoff vorhanden sein. Die Permeabilität des Spulenvolumens muß jedoch gering sein, um eine geringe Induktivität zu erzielen. Ein geringer Durchmesser wie beispielsweise ein Millimeter und eine große Spulenlänge wie beispielsweise zehn bis zwanzig Millimeter ermöglichen im Endbereich der Spule ein relativ homogenes, nadelförmiges Magnetfeld. Ein derartiges Magnetfeld läßt sich sehr gut zur Erfassung eines aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Elements verwenden.

In vorteilhafter Weise wird der Sensor mit einer Rechteckspannung beaufschlagt und der hierdurch verursachte Strom durch den Sensor erfaßt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Gewinnung eines digitalen Ausgangssignal.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, sich nicht bewegende Elemente zu detektieren. Durch das eigen erzeugte Wechselfeld ist die Empfindlichkeit gegenüber Fremdfeldern sehr gering.

Besonders einfach läßt sich ein Digitalsignal bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gewinnen, bei der der Sensor in Reihe mit einem ohmschen Widerstand geschaltet ist, und ein Komparator vorhanden ist, mittels dem die an dem Widerstand abfallende Spannung mit einem Schwellwert verglichen wird. Durch den ohmschen Widerstand wird der durch den Sensor fließende Strom in eine Spannung umgewandelt, so daß ein Vergleich mit einer Schwellwertspannung möglich ist. Hierdurch kann ein herkömmlicher Komparator verwendet werden.

Durch den Vergleich mit einem Schwellwert ist es möglich, den sich durch eine Veränderung der Induktivität des Sensors verzögerten Stromanstieg durch den Sensor in eine Zeit umzusetzen.

Als sehr vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform der Erfindung erwiesen, bei der ein Zeitmesser zur Erfassung der Anstiegszeit bis zur Erreichung des Schwellwerts vorhanden ist. Hierdurch wird die durch das aus einem ferromagnetischen Material bestehende Element im Sensor verursachte Induktivitätsänderung in einen Zeitwert umgesetzt. Dies ermöglicht es, einen Vergleich mit einer vorbestimmten Zeit vorzunehmen, was in einer digitalen Signalverarbeitung sehr einfach und sehr genau durchgeführt werden kann.

So kann beispielsweise ein Vergleicher vorhanden sein, mittels dem die Anstiegszeit mit einer vorbestimmten Zeit verglichen wird, wie dies bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist.

Befindet sich im Nahbereich des Sensors kein aus einem ferromagnetischen Material bestehendes Element, ist die Induktivität des Sensors sehr gering. Die an den Sensor angelegte Rechteckspannung hat daher einen nahezu unverzögerten Anstieg des Stroms durch den Sensor zur Folge. Dies wiederum bedeutet, daß die an dem ohmschen Widerstand abfallende Spannung eine sehr steil ansteigende Flanke hat.

Der Schwellwert wird daher nahezu gleichzeitig mit dem Auftreten der ansteigenden Flanke des an den Sensor angelegten Rechteckspannung erreicht. Somit ergibt der Vergleich der Anstiegszeit bis zum Erreichen des Schwellwerts mit einer vorbestimmten Zeit, daß sich die Zeit unterhalb der vorbestimmten Zeit befindet. Dies kann als Signal dafür genommen werden, daß sich im Nahbereich des Sensors kein ferromagnetisches Element befindet.

Befindet sich im Nahbereich des Sensors ein aus einem ferromagnetischen Material bestehendes Element, weist der Sensor eine höhere Induktivität auf. Der durch das an den Sensor angelegte Rechtecksignal im Sensor hervorgerufene Strom steigt daher nach einer e-Funktion an. Entsprechend sieht das an dem ohmschen Widerstand erzeugte Spannungssignal aus. Dessen ansteigende Flanke entspricht ebenfalls einer e-Funktion.

Die an dem ohmschen Widerstand abfallende Spannung erreicht den Schwellwert daher gegenüber dem Auftreten der ansteigenden Flanke des an den Sensor angelegten Rechtecksignals später. Die Zeit bis zur Erreichung des Schwellwerts wird vom Zeitmesser erfaßt. Ein Vergleich der Anstiegszeit mit der vorbestimmten Zeit ergibt dann, daß die Anstiegszeit größer als die vorbestimmte Zeit ist. Dies kann als Signal dafür gewertet werden, daß sich im Nahbereich des Sensors ein Element befindet.

Sehr vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Zeitgeber vorhanden ist, welcher nach einer vorbestimmten Zeit ein Signal abgibt, zur Durchführung eines Vergleichs der am ohmschen Widerstand abfallenden Spannung mit dem Schwellwert. Hierdurch kann nach einer fest definierten Zeit nach dem Umschalten des Rechtecksignals die am Widerstand abfallende Spannung mit dem Schwellwert verglichen werden. Dies hat den Vorteil, daß man auf eine in der Regel aufwendige Zeitmessung verzichten kann und statt dessen nach einer fest vorgegebenen Zeit lediglich prüfen muß, ob die am Widerstand abfallende Spannung größer oder kleiner als ein bestimmter Schwellwert ist. Der einfachere Schaltungsaufbau wirkt sich vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit und die Kosten aus.

Wenngleich es auch besonders vorteilhaft ist, den Sensor mit einer Rechteckspannung zu beaufschlagen und den Sensor in der vorstehend beschriebenen Weise in eine Schaltungsanordnung einzubinden, so läßt sich der Sensor aber auch als frequenzbestimmendes Glied in einem Oszillator anordnen, wie dies in einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist. Denn durch die Änderung der Induktivität ändert sich auch die Frequenz des Oszillators, so daß die Frequenzänderung als Signal dafür verwendet werden kann, ob sich im Nahbereich des Sensors ein aus einem ferromagnetischen Material bestehendes Element befindet oder nicht.

In ähnlicher Weise läßt sich der Sensor in einem aus einer Induktivität und einer Kapazität bestehenden Schwingkreis anordnen, welcher vorzugsweise als Parallelschwingkreis ausgebildet ist. Da sich durch die Induktivitätsänderung die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert, läßt sich die Verschiebung der Resonanzfrequenz als Signal dafür verwenden, ob sich im Nahbereich des Sensors ein aus einem ferromagnetischen Material bestehendes Element befindet oder nicht.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungsanordnung, wobei sich im Nahbereich des Sensors kein aus einem ferromagnetischen Material bestehendes Element befindet,
Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Sensor, wobei sich im Nahbereich des Sensors ein aus einem ferromagnetischen Material bestehendes Element befindet,
Fig. 3 drei Spannungsverläufe bei einem sich nicht im Nahbereich des Sensors befindlichen Element und
Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellten Spannungsverläufe bei einem sich im Nahbereich des Sensors befindlichen Element.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist ein als Luftspule ausgebildeter Sensor 2 so an einem auf einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angeordneten Zahnrads angeordnet, daß die Zähne 1 des Zahnrads bei Drehung des Zahnrads vorübergehend in den Nahbereich des Sensors 2 eindringen. Die Zähne 1 beziehungsweise das Zahnrad bestehen beziehungsweise besteht aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Eisen. Der Sensor 2 ist zwar als Luftspule ausgebildet, kann jedoch auch einen Kern aus einem nicht ferromagnetischen Material wie beispielsweise Kunststoff haben.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Zahnrads befindet sich im Nahbereich des Sensors 2 kein Zahn 1.
Mit der Spule 2 in Reihe geschaltet ist ein ohmscher Widerstand 3. An die aus Spule 2 und ohmschen Widerstand 3 bestehende Reihenschaltung wird eine in einem Rechteckgenerator erzeugte Rechteckspannung 8 angelegt. Die Rechteckspannung 8 hat eine Frequenz von etwa 100 KH bis 10 MHZ.
Die beiden Anschlüsse des ohmschen Widerstands 3 sind mit den Eingängen eines ersten Komparators 4 verbunden. Der Ausgang des ersten Komparators 4 ist mit einem ersten Eingang eines Zeitmessers 5 verbunden. Mit einem zweiten Eingang des Zeitmessers 5 ist der Ausgang eines zweiten Komparators 7 verbunden. An den Eingängen des zweiten Komparators 7 liegt die Rechteckspannung 8 an.
Der Ausgang des Zeitmessers 5 ist mit einem Vergleicher 6 verbunden, mittels dem das vom Zeitmesser 5 ausgegebene Signal mit einem vorbestimmten Signal verglichen wird.
Das an die Reihenschaltung aus Spule 2 und ohmschen Widerstand 3 angelegte Rechtecksignal 8 verursacht in der Spule 2 einen Stromfluß. Da sich im Nahbereich der Spule 2 kein Zahn 1 befindet, ist die Induktivität der Spule 2 sehr gering. Hierdurch folgt der Verlauf des Stromes nahezu dem Verlauf der Spannung.
Der in der Spule 2 fließende Strom ruft am ohmschen Widerstand 3 einen Spannungsabfall hervor. Die am ohmschen Widerstand 3 abfallende Spannung ist mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Der Verlauf der Spannung 9 entspricht nahezu dem Verlauf der Rechteckspannung 8. Das heißt, zwischen der ansteigenden Flanke des Spannungsabfalls 9 und der ansteigenden Flanke der Rechteckspannung 8 besteht nahezu kein Unterschied. Somit entspricht die an den Eingängen des ersten Komparators 4 anliegende Spannung 9 im wesentlichen der an den Eingängen des zweiten Komparators 7 anliegenden Rechteckspannung 8. Das Ausgangssignal des ersten Komparators 4 ist somit gegenüber dem Ausgangssignal des zweiten Komparators 7 nahezu unverzögert. Das Ausgangssignal des ersten Komparators 4 ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Zur Verdeutlichung wurde die nur geringfügig vorhandene zeitliche Verzögerung des Ausgangssignal des ersten Komparators 4 gegenüber dem Ausgangssignal des zweiten Komparators 7 übertrieben dargestellt und mit delta t₁ bezeichnet.
Da die Ausgangsignale der Komparatoren 4, 7 nahezu zeitlich gleich sind, ist die vom Zeitmesser 5 erfaßte Zeit etwa null. Somit ergibt der im Vergleicher 6 vorgenommene Vergleich der vom Zeitmesser 5 erfaßten Zeit mit einer vorbestimmten Zeit, daß sich die vom Zeitmesser 5 erfaßte Zeit unterhalb der vorbestimmten Zeit befindet. Das Ausgangssignal des Vergleichers 6 ist daher null.
Hat sich das Zahnrad soweit gedreht, daß sich im Nahbereich des Sensors 2 ein Zahn 1 befindet, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, weist der Sensor 2 eine höhere Induktivität auf. Hierdurch kann der durch die Rechteckspannung 8 in der Spule 2 hervorgerufene Strom nicht mehr der Rechteckspannung 8 folgen. Er steigt nach einer e-Funktion an. Entsprechend ist auch der am ohmschen Widerstand 3 hervorgerufene Spannungsabfall 9', wie dies Fig. 4 entnommen werden kann. Die ansteigende Flanke des am ohmschen Widerstand 3 hervorgerufenen Spannungsabfalls 9' folgt ebenfalls einer e-Funktion. Somit wird der Schwellwert 11' des ersten Komparators 4 später erreicht als der durch die Rechteckspannung 8 erreichte Schwellwert des zweiten Komparators 7. Das Ausgangssignal des ersten Komparators 4 ist in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 10' versehen. Die zeitliche Verzögerung des ersten Komparators 4 gegenüber dem Ausgangssignal des zweiten Komparators 7 ist mit delta t₂ bezeichnet.
Die zeitliche Verzögerung des Ausgangssignals des ersten Komparators 4 wird im Zeitmesser 5 erfaßt und als entsprechendes Signal auf den Vergleicher 6 gegeben. Durch Vergleich mit der vorbestimmten Zeit stellt der Vergleicher 6 fest, daß die Verzögerungszeit größer als die vorbestimmte Zeit ist. Das Ausgangssignal des Vergleichers 6 ist daher 1.

Claims

1. Verfahren zur Detektion eines aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Elements (1), bei welchem das Element (1) in den Nahbereich eines eine veränderbare Induktivität aufweisenden Sensors (2) gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Element (1) verursachte Induktivitätsänderung des Sensors (2) zur Detektion ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) eine Spule ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) mit einer Rechteckspannung (8) beaufschlagt wird und der hierdurch verursachte Strom von dem Sensor (2) erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als frequenzbestimmendes Glied in einem Oszillator angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in einem aus einer Induktivität und einer Kapazität bestehenden Schwingkreis angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis ein Parallelschwingkreis ist.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) in Reihe mit einem ohmschen Widerstand (3) geschaltet ist, und ein Komparator (4) vorhanden ist, mittels dem die an dem Widerstand (3) abfallende Spannung mit einem Schwellwert (11) verglichen wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitmesser (5) zur Erfassung der Anstiegszeit bis zur Erreichung des Schwellenwerts (11) vorhanden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleicher (6) vorhanden ist, mittels dem die Anstiegszeit mit einer vorbestimmten Zeit verglichen wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitgeber vorhanden ist, welcher nach einer vorbestimmten Zeit ein Signal abgibt, zur Durchführung eines Vergleichs der am Widerstand (3) abfallenden Spannung mit dem Schwellwert (11).