DE3600055A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des abstandes zwischen einem ortungsobjekt und einem abstandsdetektor - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung des abstandes zwischen einem ortungsobjekt und einem abstandsdetektorInfo
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Description
PATENTANWALT DIPL.-PHYS. DR. HERMANN FAY
.3. 3 6 O O i3 5
L'EQUIPEMENT ET LA CONSTRUCTION
ELECTRIQUE en abrege E.C.E.
157 rue Pelleport
F-PARIS 20 eme
ELECTRIQUE en abrege E.C.E.
157 rue Pelleport
F-PARIS 20 eme
7900 Ulm, 30.12.85 Akte V/6771 d/th
Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Abstandes zwischen einem Ortungsob.jekt und einem Abstandsdetektor.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Abstands eines beweglichen Ortungsobjekts mit
ferromagnetischen Eigenschaften in einem bestimmten Abstandsbereich bezüglich eines Bezugspunkts, an dem
ein Detektor angeordnet ist. Die Messung des Abstands eines Gegenstands oder Ortungsobjekts bezüglich eines
bestimmten Bezugspunkts findet zahlreiche Anwendungen, von welchen die Unterscheidung zwischen der geöffneten
und geschlossenen Stellung einer Metalltür, die Erfassung der Beinstellung des Fahrgestells eines
Luftfahrzeugs oder dergl. genannt seien. Der Meßbereich einer solchen Vorrichtung ist besonders dann
interessant, wenn das bewegliche Ortungsobjekt von verhältnismäßig großen metallischen Strukturen umgeben
ist, die die Werte der zu messenden Lageänderung nicht beeinflussen dürfen.
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-X-
/ι/ In bestimmten Anwendungen sind die Standorte, an
denen sich der Meßort und die elektronischen Mittel zur Auswertung der von der Erfassungseinrichtung
gelieferten Informationen befinden, bisweilen unter einem Abstand zueinander angeordnet, der von einigen
Zentimetern bis zu einigen zehn Metern betragen kann.
Im besonderen bei Luftfahrzeugen, bei denen das Installationsgewicht
einer solchen Vorrichtung, die mehrere Näherungsdetektoren umfassen kann, ein kritischer
Faktor ist, war man daher veranlaßt, den meßempfindlichen Teil bzw. Aufnehmer aus den elektronischen
Meßkreisen herauszunehmen, die in einer mit Abstand installierten Baugruppe oder einer Karte
zusammengefügt sind.
Es gibt bereits solche Vorrichtungen, die eine im Abstandsdetektor angeordnete Induktivität aufweisen,
wobei die Einheit der Informationsauswertung eine klassische Induktivitätsmeßbrücke enthält (Maxwell-Brücke).
Ein solches System erfordert zwischen dem bzw. den Abstandsdetektoren und der Auswerteeinheit
eine Verbindung mit drei Leitern. Zur weiteren Gewichtsreduzierung zieht man es vor, daß der bzw.
die Abstandsdetektoren und die Auswerteeinheit nur über zwei Leiter miteinander verbunden sind.
Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen bekannt,
die dazu einen im Abstandsdetektor angeordneten Serienresonanzkreis aufweisen. Insbesondere die
franz. Anmeldung Nr. 82/03 694 beschreibt eine Vorrichtung
eines induktiven Abstandsdetektors mit einem Serienresonanzkreis, der mit einem sinusförmigen
Signal niedriger Frequenz gespeist wird und an welchem die Phasenverschiebung mit einem Phasenkomparator
gemessen wird.
/X- Wenn auch die Funktion einer solchen Anordnung unter
dem Gesichtspunkt der Meßgenauigkeit des Abstands des Ortungsobjekts als im wesentlichen zufriedenstellend
anzusehen ist, so erlaubt sie es doch nicht, einer zwingenden Notwendigkeit gerecht zu werden,
wenn sie nämlich bei einem modernen Luftfahrzeug verwendet werden soll. Dort ist die Simulation der
Funktionsfähigkeit im Rahmen der teilweise strengen ^ Sicherheitskontrollen notwendig, die bei modernen
Flugzeugen gefordert wird. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen
und eine Vorrichtung zur AbStandserfassung
der oben beschriebenen Art zu schaffen, die eine solche Simulation durch sich selbst durchzuführen
erlaubt, d. h. ohne Verwendung eines zusätzlichen Geräts.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Verfahren
gelöst, bei welchem die Messung des Abstandes eines Ortungsobjekts durch die Erfassung einer Stö-
-M-
rung der Spannung in einem dreieckförmigen Signal erfolgt.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, hierzu eine Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines
beweglichen Ortungsobjekts mit magnetischen Eigenschaften zu schaffen, das von verhältnismäßig grossen
metallischen Sturkturen umgeben sein kann, wobei ein induktiver Abstandsdetektor einen Serienresonanzkreis
aufweist, der von einem Oszillator gespeist wird, ferner einen Komparator und eine stabilisierte
Stromversorgung. Wach der Erfindung ist der den Abstandsdetektor versorgende Oszillator ein dreieckförmige
Wellenzüge erzeugender Oszillator, der mit einem Leistungsverstärker verbunden ist, der so eingerichtet
ist, daß er ein Ausgangsspannungssignal
mit einer Störung erzeugt, wenn sich die Impedanz des Abstandsdetektors ändert, wobei ferner ein Logik-Schaltkreis
mit drei Eingängen und ein nachtriggerbarer monostabiler Schaltkreis vorgesehen sind.
Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher beschrieben;
es zeigen:
Fig. 1 ein Übersichtsschema der Vorrichtung des Abstandsdetektors
nach der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Leistungsverstärkers ,
Fig. 3 in den Teilfiguren a) bis d) die Verformung der Ausgangsspannung des Verstärkers, wenn der
Strom in dem Aufnehmer seine Richtung wechselt, wobei die Fig. 3b die Verformung am Ausgang
des Verstärkers zeigt, wenn das Ortungsobjekt sich an der Nachweisschwelle durch den Aufnehmer
befindet, während die Fig. 3c die gleiche Spannungzeigt, wenn das Ortungsobjekt dem Aufnehmer
am nächsten ist und die Fig. 3 entsprechend bei Entfernung des Ortungsobjekts.
Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung einen Abstandsdetektor 1 und eine allgemein mit der Bezugsziffer 2
bezeichnete elektronische Schaltungsanordnung auf, die mit dem Abstandsdetektor über die beiden Leitungen 3
verbunden ist. Wie an sich bekannt, enthält der Abstandsdetektor 1 einen von einer Reihenschaltung einer
Induktivität 4 und eines Kondensators 5 gebildeten Schwingkreis, der in einem Gehäuse 6 angeordnet ist.
Die elektronische Schaltungsanordnung 2 nach der Erfindung weist einen Oszillator O in der Art eines
spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) auf, der im wesentlichen aus den Spannungskomparatoren 1a, 2a, 3ay
den Widersiänden R1, R2, R3, R4, R5 und dem Kondensator C1 in an sich bekannter Weise gebildet ist.
Der Oszillator O ist einerseits mit einem Spannungsverstärker
7 und einem Eingang eines Komparators 8
und andererseits mit einem Logik-Schaltkreis 9 (Und-Galfter)
elektrisch verbunden. Der zweite Eingang des Komparators 8 ist an die Verbindung zwischen dem Spannungsverstärker
7 und einen Leistungsverstärker 10, dessen Aufbau im einzelnen nachfolgend noch beschrieben
wird, und an einem der Eingänge eines weiteren Komparatrs 11 angeschlossen, dessen zweiter Eingang
mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers 10 verbunden ist.
Die Ausgänge des Komparators 8 und des Komparators 11 sind ebenfalls mit dem Logik-Schaltkreis 9 verbunden.
Der Ausgang des Logik-Schaltkreises 9 ist mit einem nachtriggerbaren monostabilen Schaltkreis 12 verbunden,
dessen Ausgänge Q und Q für die Abzweigung zu einer geeigneten Meldevorrichtung benutzt werden.
Der Kondendator 5 des Abstandsdetektors 1 ist an den
Ausgang des Leistungsverstärkers 10 angeschlossen, während die Induktivität 4 mit Masse verbunden ist.
Das Ganze wird durch eine stabilisierte Stromversorgung 13 wie dargestellt gespeist.
Der an den Spannungsverstärker 7 angeschlossene Leistungsverstärker
10 weist, wie in Fig. 2 dargestellt, zwei komplementäre Transistoren (NPN und PNP-Typ)
auf, die mit den Bezugsziffern 14 bzw. 15 bezeichnet sind. Die Basen der beiden Transistoren 14 und 15
sind miteinander verbunden und an den Ausgang des Spannungsverstärkers 7 angeschlossen. Die Verbindung
der beiden Basen ist auch über einen Widerstand 16 mit dem Kollektor des Transistors 14 verbunden.
Die Emitter der Trasistoren 14, 15 sind miteinander sowie mit dem Kondensator 5 des Abstandsdetektors
verbunden. Die Eigenschaft dieses Verstärkers ist, eine Störung seines Ausgaqgssignals zu erzeugen, wenn
eine Änderung der Impedanz eines LC-Kreises auftritt, den er diEekt speist. Die Funktionsweise der Vorrichtung
ist folgende: Der LC-Kreis des Abstandsdetektors wird im wesentlichen von dem Oszillator mit Hilfe
des LefetungsVerstärkers 10 auf einer Frequenz nahe
der Resonanzfrequenz des LC-Kreises gespeist.
Der Kondensator C1 des Oszillators wird linear über den Widerstand R1 aufgeladen und entlädt sich über
den Widerstand R2. Die Spannung am Punkt S1 hat einen dreieckförmigen Verlauf mit nur geringer Amplitude.
Diese Spannung wird durch den Spannungsverstärker verstärkt, um das gesamte Intervall der Spannungsversorgung
von 0 bis +V zu durchlaufen und dann leistungsmäßig verstärkt durch den Leistungsverstärker
10.
Der NPN-Transistor 14 des Leistungsverslärkers 10
speist in den LC-Kreis des Abstandsdetektors 1 einen Ladestrom ein, der linear von 0 bis +V anwächst.
Sobald der Strom aufhört anzuwachsen, wird die in dem
LC-Kreis gespeicherte Energie über den PNP-Transistor 15 abgegeben.
Diese Änderung der Betriebsweise zwischen Aufladung und Entladung, die eine Verformung der Ausgangsspannung
des Leistungsverstärkers 10 erzeugt, ist bedingt durch die Schwellspannung der Basis-Emitter-Strecke
jedes Transistors, die zum Übergang in die Leitfähigkeit zu überschreiten ist und aufgrund der reaktiven
Belastung des Spannungsverstärkers 7. Diese Verformung zeigt sich in Form einer Spannungsstufe.
Der LC-Kreis des Abstandsdetektors 1, der nahe der Resonanzfrequenz abgestimmt ist, verhält sich wie
ein reiner Widerstand, gespeist über eine Kapazität von unendlichem Wert. In diesem Fall liegt der Spannungssprung
bei einem Wert von +V/2.
Wenn das Ortungsobjekt C, das magnetische Eigenschaften aufweist (z. B. aus weichem Stahl besteht), sich
dem Abstandsdetektor 1 nähert, vergrößert sich die Induktivität der Spule 4 und somit die Impedanz des
LC-Kreises. Diese Veränderung zieht eine Verformung der Wellenform der Ausgangsspannung des Leistungs-
Verstärkers 10 nach sich. Wenn das Ortungsobjekt C sich nähert, verkleinert sich der Strom in dem LC-Kreis
und die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom ist derart, daß die Unterbrechung des
Stromflusses des komplementären Transistorpaars NPN und PNP sich auf einem höheren Spanungswert zwischen
+V/2 und +V vollzieht, so daß der Spannungssprung
»steigt».
Wenn sich das Ortungsobjekt C von dem Abstandsdetektor entfernt, vollzieht sich der umgekehrte Vorgang
und die Sp annungs stufe "sinkt", wie dies aus den Fig. 3"b»
c, d hervorgeht.
Die Messung besteht darin, die verformte Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 10 mit einer Spannung
der gleichen Art zu vergleichen, die als Referenzspannung dient und am Ausgang des Spannungsverstärkers
7 an der Verbindung zum Leistungsverstärker 10 abgegriffen wird.
Der Komparator 11, dem an einem seiner Eingänge die
Ausgangsspannung VS des Leistungsverstärkers 10 und
die Referenzspannung am Ausgang des Spannungsverstärkers 7 zugeführt wird, liefert an seinem Ausgang
eine Impulsspannung, deren Dauer proportional zur Annäherung des Ortungsobjekts C an den Abstandsdetektor
1 ist.
Diese Impulsspannung entspricht einem logischen Zustand
1, -wenn die erste Spannungsstufe S1 größer
ist als die zweite Spannungsstufe S2.
Um nur die Spannungsstufe zu berücksichtigen, die im
ansteigenden Teil des dreieckförmigen Wellenzugs auftritt, läßt der Logik-Schaltkreis 9 (Und-Gatter) mit
den drei Eingängen nur die Information während des Ze it Intervall s t^ und tp als gültig zu (Fig. 3c und
Der Ausgang des Logik-Schaltkreises 9 liefert einen Impuls von einer Länge, die proportional der Annäherung
des Ortungsobjekts C an den Abstandsdetektor 1
ist.
Die ansteigende Flanke dieses Impulses wird zur Triggerung des monostabilen Schaltkreises 12 benutzt,
dessen Zeitkonstante größer ist als die Periode des dreieckförmigen Wellenzugs, so daß sein Ausgang
so lange in dem logischen Zustand 1 verharrt, wie an seinem Ausgang Impulse auftreten. Man verfügt
so über ein kontinuierliches Signal, dessen logischer Zustand sich in Abhängigkeit des Abstandes
des Ortungsobjekts C vom Abstandsdetektor 1 ändert.
Das Ausgangssignal des Schaltkreises 12 kann je nach
Wunsch benutzt werden, um eine Melde-, Anzeige-, oder deigL. Vorrichtung zu betätigen.
Um die Lage des Ortungsobjekts bezüglich des Abstandsdetektors zu lokalisieren, muß die Frequenz
des VCO-Oszillators O zunächst derart eingestellt werden, daß sich ein Verlauf nach Fig. 3b ergibt,
der der Position des OrtungsObjekts an der Schwelle
des Nachv/eises entspricht.
Wenn die Verwendung der Vorrichtung nur die Messung eines einzigen Abstandswertes des Ortungsobjekts C
vom Abstandsdetektor 1 notwendig macht, wird nur der Beginn des Impulses verwendet.
Da als Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator benutzt wird, dessen Frequenz durch eine Gleichspannung
eingestellt werden kann, ist es möglich, im Rahmen von Testversuchen eine angenäherte oder entferntere
Position des Ortungsobjekts zu simulieren und zwar unabhängig von der tatsächlichen Position
des Ortungsobjekts bezüglich des Abstandsdetektors.
Diese Eigenschaft ist im Rahmen von Wartungstests insbes. in den Fällen von Bedeutung, wenn die Vorrichtung
nach der Erfindung in einem Luftfahrzeug eingesetzt ist.
Von Bedeutung ist schließlich auch, daß ein dreieckförmiger
Wellenzug gewählt worden ist, um das Auftreten parasitärer Hochfrequenz auf der den Abstandsdetektor
mit der Vorrichtung verbindenden Leitung zu vermeiden.
Claims (4)
1. Verfahren zur Messung des Abstandes eines Ortungsobjekts mit magnetischen Eigenschaften mit Hilfe
eines induktiven Abstandsdetektors, dadurch gekennzeichnet, daß dazu eine Störung in
der Spannung eines Signals mit dreieckförmigem Wellenverlauf erfaßt "wird, das direkt den Abstands
detektor speist.
2. Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines beweglichen Ortungsobjekts mit magnetischen Eigenschaften
zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in der Art eines induktiven Abstandsdetektors
mit einem von einem Oszillator gespeisten Serienresonanzkreis, einem Komparator und
einer stabilisierten Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß der den Abstandsdetektor (1)
speisende Oszillator 0 ein dreieckförmige Wellen erzeugender Oszillator ist, an dem ein Leistungsverstärker
(10) angeschlossen ist, der direkt den
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Abstandsdetektor (1) speist und so ausgebildet ist, daß er ein Ausgangsspannungssignal erzeugt, das
eine Störung aufweist, wenn sich die Impedanz des Abstandsdetektors ändert, wobei ferner ein Logik-Schaltkreis (9) mit drei Eingängen und ein nachtriggerbarer monostabiler Schaltkreis (12) vorgesehen ist.
eine Störung aufweist, wenn sich die Impedanz des Abstandsdetektors ändert, wobei ferner ein Logik-Schaltkreis (9) mit drei Eingängen und ein nachtriggerbarer monostabiler Schaltkreis (12) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet,
daß da* Oszillator O ein spannungsgesteuerter
Oszillator (VCO) ist, dessen Frequenz durch eine
Gleichspannung regelbar ist.
Gleichspannung regelbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch'gekennzeichnet,
daß der Leistungsverstärker (10) einen NPN-Transistor
(14) und einen PNP-Transistor (15)
aufweist, deren Basen miteinander verbunden sind
und deren Emitter ebenfalls miteinander verbunden sind, wobei der Kollektor des NPN-Transistors (14) mit seiner Basis über einen Widerstand (16) und die Verbindung der Emitter direkt mit dem Abstandsdetektor (1) verbunden sind.
aufweist, deren Basen miteinander verbunden sind
und deren Emitter ebenfalls miteinander verbunden sind, wobei der Kollektor des NPN-Transistors (14) mit seiner Basis über einen Widerstand (16) und die Verbindung der Emitter direkt mit dem Abstandsdetektor (1) verbunden sind.
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