DE102004047436A1 - Vorrichtung und Verfahren eines induktiven Sensors mit Pulssynchronisation - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren eines induktiven Sensors mit breitbandiger Pulsanregung und pulssynchroner Messwertabtastung über eine große Anzahl von Pulsen beschrieben, die den Einfluss von Störfeldern minimieren. Die Pulse werden in einem Pulsgenerator (1) erzeugt und aus dessem Ausgang einerseits an den Eingang des Messsolenoids (3), andererseits an den Schalteingang eines Abtast-Halte-Glieds (5) geleitet, so dass es synchron zum Anregungspuls geschaltet wird. Ein Kern (2) taucht in den Messsolenoiden ein und verändert dadurch dessen Induktanz. Der Ausgang des Messsolenoids ist mit dem Eingang eines Messwandlers (4) für entweder Spannung oder/und Strom verbunden, dessen Ausgangssignal an den analogen Eingang des Abtast-Halte-Glieds geführt wird. Die Impulsantworten des Messsolenoids addieren sich in einer nachgeschalteten Integration kohärent zum Ausgangssignal auf und stehen am Ausgang (6) des Abtast-Halte-Glieds zur Verfügung, während sich die inkohärenten Störsignale gegenseitig aus dem Ausgangssignal auslöschen. Die Pulsfolge ist dabei nicht zwangsläufig äquidistant, so dass sie im Frequenzspektrum auch als breitbandiges Rauschen auftreten kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren eines induktiven Sensors mit Pulsanregung und pulssynchroner Messwertabtastung.
• Es sind verschiedene induktive Sensoren bekannt, die die Nähe eines leitfähigen Gegenstands als Funktion der Induktanz einer Spule messen, die sich im Sensor befindet. Solche Sensoren stützen sich auf die bekannte Beziehung zwischen der Induktanz eines elektrischen Leiters und der Nähe des Leiters zu einem leitfähigen Gegenstand, siehe Khazan, A.D., Prentice Hall, New Jersey (1994). US 5 798 462 z.B. beschreibt einen induktiven Positionssensor mit einem Magnetfeldschirm. Ein spiralförmig auf einem Dielektrikum befestigter Leiter ist parallel zu einer leitfähigen Membran angeordnet. Fließt ein Wechselstrom, dessen Frequenz groß genug ist, durch den Leiter und ist die leitfähige Membran dick genug, so induziert das Magnetfeld des Stroms Skineffekt-Wirbelströme auf der Oberfläche der leitfähigen Membran, so dass die Membran als Abschirmung für das Magnetfeld wirkt und somit das Volumen für das Magnetfeld begrenzt. Ändert sich der Abstand zwischen dem Leiter und der Membran, so ändert sich das Volumen, in dem das Magnetfeld besteht, was zu einer sich ändernden magnetischen Energiedichte führt. Bewegt sich die Membran auf den Leiter zu, so verringert sich die effektive Induktanz des Leiters. Bewegt sich die Membran vom Leiter weg, erhöht sich die Induktanz. Die Induktanz könnte mit einer Induktanzbrücke oder einer anderen die Induktanz erfassende Schaltung ermittelt und ausgewertet werden. DE 42 37 879 A1 beschreibt eine Auswerteschaltung für einen Induktivsensor mit 2 Spulen, deren Induktivitäten sich in Abhängigkeit von einer zu ermittelnden Lage gegensinnig ändern und mit einem Oszillator, der mit einem Analogschalter abwechselnd mit den beiden Induktivitäten verbunden wird. Somit wird eine differentielle Auswertung möglich.
• Ein Nachteil dieser induktiven Sensoren ist die Empfindlichkeit gegenüber externen, variierenden, inhomogenen magnetischen und elektrischen Feldern, wie sie z. B. in der Nähe von Elektromotoren, Netztransformatoren, etc. vorkommen..
• Ausgehend von diesem Nachteil liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen ein induktiver Sensor auch in inhomogenen, variierenden Feldern betrieben werden kann.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des 4. Patentanspruchs gelöst.
• Ein Grundgedanke der Erfindung ist, durch breitbandige Anregung des induktiven Sensors mit Pulssynchronisation bei der Messwertaufnahme und der Messwertermittlung über eine große Anzahl von Pulsen den Einfluss von Störfeldern zu minimieren. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines induktiven Sensors mit Pulssynchronisation. Die Pulse werden in einem Pulsgenerator (1) erzeugt und aus dessem Ausgang einerseits an den Eingang des Messsolenoids (3) geleitet. Der Kern (2) taucht in den Messsolenoiden ein. Er ist mit der Messmechanik verbunden, die durch ihre Ausführung den Messparameter, wie z.B. Wegmessung, Kraftmessung, etc., bestimmt. Der Ausgang des Messsolenoids ist mit dem Eingang eines Messwandlers (4) für entweder Spannung oder/und Strom verbunden. Das Ausgangssignal des Messwandlers wird über dessen Ausgang an den Eingang eines Abtast-Halte-Glieds (5) geführt. Das Abtast-Halte-Glied ist mit seinem Schalteingang mit dem Ausgang des Pulsgenerators (1) verbunden, so dass es synchron zum Anregungspuls geschaltet wird. Die Impulsantworten des Messsolenoids addieren sich in einer nachgeschalteten Integration so kohärent zum Ausgangssignal auf und steht am Ausgang (6) des Abtast-Halte-Glieds zur Verfügung, während sich die inkohärenten Störsignale gegenseitig aus dem Ausgangssignal auslöschen. Die Pulsfolge kann dabei auch nicht äquidistant sein, so dass sie im Frequenzspektrum nur als breitbandiges Rauschen auftritt.
• Eine Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Als Pulsgenerator (1) dient ein Portpin eines Mikro-Controllers, der zum einen an einen Anschluss des Messsolenoids (2) angeschlossen ist. Der andere Anschluss des Messsolenoids ist mit dem Kollektor und der Basis eines Transistors (3) verbunden. Der Emitter ist über einen Widerstand (4) an die Bezugsmasse (17) angebunden. Die Basis eines weiteren Transistors (6), dessen Emitter ebenfalls über einen Widerstand (7) an die Bezugsmasse angebunden ist, ist an die Basis des ersten Transistors angeschlossen, so dass diese beiden Transistoren einen Stromspiegel bilden.
• Der Kollektorwiderstand (5) des zweiten Transistors, der einseitig an die Betriebsspannung (15) angeschlossen ist, ist zusätzlich mit dem anderen Anschluss mit der Basis eines dritten Transistors (10) verbunden, dessen Emitter ebenfalls über einen Widerstand (9) und parallel dazu über einen Kondensator (12) an die Betriebsspannung angeschlossen ist. Der Kollektor dieses Transistors ist mit dem Kollektor eines vierten Transistors (11) verbunden, dessen Basis über den Widerstand (8) an den Ausgang des Pulsgenerators angeschlossen ist. Der Emitter des vierten Transistors liegt an der Bezugsmasse. Somit bilden die Transistoren (10) und (11) ein nachlaufendes Abtast-Halte-Glied. Das Potential am Emitter des dritten Transistors wird über einen Widerstand (13) an den Ausgang der Schaltung (16) geführt. Ein Kondensator (14), der zwischen dem Ausgang und der Bezugsmasse geschaltet ist, bildet mit dem Widerstand (13) einen Tiefpass. In der Ausführungsform wurde der Ausgang der Schaltung mit dem Eingang eines sich in dem Mikro-Controller befindlichen Analog-Digital-Wandlers verbunden, dessen gewandelte Signale somit zur weitern digitalen Auswertung genutzt werden konnten. Eine analoge Nutzung der Ausgangssignale, z.B. für eine Regleranordnung, ist aber ebenso möglich.
• 3 zeigt eine Variante der Ausführungsform mit zwei Spulen, deren Induktivität sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes gegensinnig ändern. Als Pulsgenerator (1) dient ein Portpin eines Mikro-Controllers, der jeweils an einen Anschluss der Messsolenoide (2) und (18) angeschlossen ist. Die jeweils andere Anschlüsse der Messsolenoide sind jeweils an einen Stromspiegel aus den Transistoren (3) und (6) bzw. (19 und (22) und den Widerständen (4) und (7) bzw. (20) und (23) angeschlossen. Die Kollektorwiderstände (5) bzw. (21), die einerseits jeweils mit der Betriebsspannung (15) verbunden sind, sind mit dem anderen Anschluss zusätzlich jeweils über die Widerstände (24) bzw. (25) mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (27) und den Widerständen (26) bzw. (28) verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit dem analogen Eingang eines nachlaufenden Abtast-Halte-Glieds, das aus den Transistoren (10) und (11), den Widerständen (8) und (9) und dem Kondensator (12) besteht, zusammengeschlossen. Der Schalteingang am Widerstand (8) ist an dem Ausgang des Pulsgenerators angebunden. Der Ausgang des Abtast-Halte-Glieds ist über einen Tiefpass bestehend aus dem Widerstand (13) und dem Kondensator (14) an den Ausgang (16) der Schaltung angeschlossen, der in der Ausführungsform mit dem Eingang eines sich in dem Mikro-Controller befindlichen Analog-Digital-Wandlers verbunden wurde, dessen gewandelte Signale somit zur weitern digitalen Aus wertung genutzt werden konnten. Eine analoge Nutzung der Ausgangssignale, z.B. für eine Regleranordnung, ist ebenfalls möglich.

Claims (6)

1. Vorrichtung eines induktiven Sensors mit wenigstens einer Spule, dessen Induktivität sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes ändert und die an eine Impulsquelle angeschlossen ist, mit wenigstens einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch die Spule oder der Spannung über der Spule oder beides erfassen kann, und wenigstens einem Abtast-Halte-Glied, dessen analoger Eingang mit dem Ausgang der Messeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteingang des Abtast-Halte-Glieds ebenfalls mit dem Ausgang der Impulsquelle zusammengeschlossen ist.
2. Vorrichtung eines induktiven Sensors mit wenigstens zwei Spulen, deren Induktivitäten sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes gegensinnig ändern und die jeweils an eine Impulsquelle angeschlossen sind, mit wenigstens jeweils einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch jeweils eine Spule oder der Spannung über jeweils einer Spule oder beides erfassen kann, mit wenigstens einem Differenzverstärker, dessen Eingänge an den Ausgang jeweils einer Messeinrichtung und dessen Ausgang an den analogen Eingang wenigstens eines Abtast-Halte-Glied angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteingang des Abtast-Halte-Glieds ebenfalls mit der Impulsquelle verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Abtast-Halte-Glieds an den Eingang eines Integrators angeschlossen ist, dessen Ausgang das Ausgangssignal bereit stellt.
4. Verfahren eines induktiven Sensors mit wenigstens einer Spule, dessen Induktivität sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes ändert und die an eine Impulsquelle angeschlossen ist, mit wenigstens einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch die Spule oder der Spannung über der Spule oder beides erfassen kann, und wenigstens einem Abtast-Halte-Glied, dessen analoger Eingang mit dem Ausgang der Messeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht zwangsläufig äquidistante Folge von Pulsen zum einen die Spule bestromt und zum anderen synchron das Abtast-Halte-Glied schaltet.
5. Verfahren eines induktiven Sensors mit wenigstens zwei Spulen, deren Induktivitäten sich in Abhängigkeit der Position eines Kernes gegensinnig ändern und die jeweils an eine Impulsquelle angeschlossen sind, mit wenigstens jeweils einer Messeinrichtung, die wenigstens den Strom durch jeweils eine Spule oder der Spannung über jeweils einer Spule oder beides erfassen kann, mit wenigstens einem Differenzverstärker, dessen Eingänge an den Ausgang jeweils einer Messeinrichtung und dessen Ausgang an den analogen Eingang wenigstens eines Abtast-Halte-Glied angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht zwangsläufig äquidistante Folge von Pulsen zum einen die Spule bestromt und zum anderen synchron das Abtast-Halte-Glied schaltet.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal aus der Überlagerung der Pulsantworten der Spule mindestens zweier Impulse gebildet wird.