DE4326766C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Winkel- oder Wegsensors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Betreiben eines Winkel- oder Wegsensors und mit einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens.

Wegsensoren werden beschrieben in dem Aufsatz von Prof. Dr. Wolf-Jürgen Becker und Thomas Wendt: "Mit Wirbelstrom Abstände bestimmen" in der Zeitschrift Meßtechnik, Heft 9, 1990, Seiten 8 bis 11.

Zwei ausgewählte Beispiele für die genannten Wegsensoren sind in Fig. 3 und Fig. 4 zur vorliegenden Beschreibung gezeigt.

In Fig. 3 sind zwei gleiche Spulen mit Induktivitäten L1 und L2 fest nebeneinander angeordnet. Dazwischen befindet sich ein in Richtung der Pfeile bewegbares Element B.

In Fig. 4 sind zwei gleiche Spulen mit Induktivitäten L3 und L4 ebenfalls fest nebeneinander angeordnet. Dazwischen befindet sich ein bewegbares Element B, das drehbar ist, wie die Pfeile andeuten.

Unterhalb der Figuren sind jeweils Querschnitte der dargestellten Anordnungen gezeichnet, die die Lage der Elemente verdeutlichen sollen.

Das Element B ist so angeordnet, dass sich jeweils die beiden Induktivitäten gegenläufig und annähernd linear ändern, wenn sich entweder in der Anord­ nung nach Fig. 3 das Element B, das die magnetischen Felder der Induktivitä­ ten L1 und L2 beeinflusst, nach rechts oder links bewegt oder wenn es sich in der Anordnung nach Fig. 4 um den Drehpunkt dreht.

Der Induktivitätsverlauf ist in Fig. 5 dargestellt, wo über dem Winkel oder Weg s, den das bewegbare Element B zurücklegt, jeweils die Größen dei Induktivitä­ ten L1, L2, L3, L4 eingezeichnet sind.

Durch Bestimmen der Abweichungen von der ursprünglichen Größe lassen sich die Ortsveränderungen der bewegbaren Elemente B ermitteln.

Die in der eingangs genannten Veröffentlichung beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Ortsveränderungen sind recht umständlich und erfordern einen hohen Aufwand.

In der Entgegenhaltung DE 40 17 846 A1 ist eine Auswerteschaltung für einen induktiven Wegaufnehmer beschrieben. Diese Auswerteschaltung verwendet einen Differentialtransformator, der eine zusätzliche, in unmittelbarer Nähe von Sensorspulen anzuordnende Speisespule benötigt. Hier führt eine grund­ sätzlich immer vorhandene Unsymmetrie dieser Speisespule verstärkt zu einer Nichtlinearität und einem Offset-Fehler der Messung.

Weiterhin ist aus E. Schiessle: Sensortechnik und Meßwertaufnahme, 1. Auf­ lage, Würzburg, Vogel, 1992, Seiten 93 bis 98, eine induktive Halb­ brückenschaltung für einen Differenz-Längsanker-Induktivaufnehmer bekannt. Bei dieser Schaltung wird als zur Messgröße proportionale Ausgangsgröße eine Wechselspannung erzeugt, die nur durch eine synchrone, aktive Gleichrich­ tung, beispielsweise mittels einer S/H-Schaltung, ausgewertet werden kann. Eine solche Schaltung ist jedoch für Frequenzen von einigen MHz aufwendig und wirft größere Realisierungsprobleme auf, was insbesondere dann gilt, wenn Messungen mit geringen Messfehlern gewünscht werden.

Aus Pallas-Areny, Webster: Sensors and signal conditioning, Wiley, 1991, Seiten 215 bis 217, ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die auf einem ähn­ lichen Prinzip beruht, das auch bei E. Schiessle (s. a. o.) verwendet wird.

Zusätzlich wird aber hier noch auf die Möglichkeit einer aktiven Gleichrichtung hingewiesen und es werden verschiedene integrierte Schaltungen beschrieben. Diese integrierten Schaltungen vereinfachen zwar die Realisierung einer Schal­ tungsanordnung, benötigen aber auch einen erhöhten Fertigungsaufwand, was durch das zur Anwendung gelangende Differenzialtransformatorprinzip und die dadurch bedingten Wickelgüter hervorgerufen ist.

Schließlich ist in DE 41 41 264 C1 ein induktiver Annäherungssensor beschrie­ ben, dessen Messmethode auf der Dämpfung beruht, welche ein magnetisches Wechselfeld einer Spule durch ein magnetisierbares und/oder elektrisch leitfä­ higes Material erfährt. Diese Dämpfung ist stark von Materialeigenschaften und damit von der Temperatur und vom Einsatzzweck des Annäherungssensors ab­ hängig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und Schaltungsanord­ nungen anzugeben, die die Auswertung der Messgrößen von Winkel- oder Wegs­ ensoren, wie in Fig. 3 oder 4 beschrieben oder ähnlichen, wesentlich einfacher gestalten.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird in den Patentansprüchen 1 und 2 beschrieben, während Patentanspruch 3 eine vorteilhafte Weiterbindung der Erfindung angibt.

Näher dargestellt ist diese Lösung in den Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt Induktivitäten L10 und L20, die in Reihe mit einer Kapazität C1 von einem Wechselstrom aus einer potenzialfreien Wechselspannungsquelle U_HF durchflossen werden. Die Größe der Kapazität wird so gewählt, dass der Wech­ selstrom Alls eingeprägt gelten kann. Die Spannung U_HF wird symmetrisch zu einem Bezugspotenzial angelegt. Jeweils die Spannung jeder Induktivität L10 bzw. L20 gegen das Bezugspotential wird gleichgerichtet durch die Gleichrichter D1 bzw. D2. Die so erzeugten Gleichspannungen liegen zwischen Punkten a bzw. b und dem Bezugspotential. Über einen Pufferverstärker V1 und einen Anpassungswiderstand R₄ wird die Gleichspannung von Punkt a an einen Eingang eines Vergleichsverstärkers V2 geführt, während die Gleichspannung von Punkt b über einen Spannungsteiler R₂/R₃ an den anderen Eingang des Vergleichsverstärkers V2 gelegt ist. Die Verstärker V1 bis V3 können zusätzlich als Tiefpaß beschaltet sein.

Am Ausgang A steht eine Meßspannung als Maß für die Verschiebung s des bewegbaren Elementes B. Die Widerstände R1, R2, R3 sind so ausgelegt, daß die Belastungen der Punkte a und b untereinander gleich sind.

Die Gleichspannung an den Punkten a und b wird über den Spannungsteiler R₆/R₇ gemittelt und durch einen Vergleichsverstärker V3 mit einer festen Referenzspannung UV verglichen. Der Vergleichsverstärker V3 ist über R₈ und C6 gegengekoppelt. Seine Ausgangsspannung UR dient als Regelspannung für die Amplitude der Wechselspannung U_HF. Damit wird die Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen verringert.

Fig. 2 zeigt eine andere Art der Einspeisung der Wechselspannung U_HF über einen Übertrager TR. An C4 und C5 werden die Potentiale für die Vergleichsverstärker V1 und V2 abgegriffen. Ein Kondensator C3 kann alternativ oder zusätzlich zu C2 vorgesehen sein. Die Kapazitäten und Induktivitäten bilden einen Schwingkreis.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß beide Induktivitäten L10 und L20 von ein und demselben Wechselstrom durchflossen werden. So ist das Verhältnis der an den Induktivitäten abfallenden Wechselspannungen nur vom Verhältnis der Induktivitäten abhängig, die Größe der Wechselspannungen im wesentlichen nur von C1, wenn C1 << C2, C3, C4, C5.

Die Messung des Weges bzw. des Winkels ist um so einfacher, je genauer jeweils die Innenwiderstände und Eigenkapazitäten (und deren Temperaturabhängigkeiten) von beiden Induktivitäten bei der Weglänge bzw. dem Winkel Null übereinstimmen.

Die symmetrische Anordnung und die Amplitudenregelung bewirken, daß weder die Länge eines Kabels zwischen Sensor (d. h. den Induktiviäten mit D1, D2, C1, C2) und dem Rest der Schaltung (also der Auswerteschaltung) noch elektrische oder magnetische Einstrahlungen Einfluß auf das Ausgangssignal haben.

Die aus den Kapazitäten und Induktivitäten gebildeten Schwingkreise werden durch die nachfolgende Auswerteschaltung bedämpft und haben dadurch eine relativ große Bandbreite. Dadurch wird die Wirkung einer Frequenzänderung auf das Ausgangssignal sehr gering.

Durch geeignete Wahl der Kapazitätswerte kann einer der Kondensatoren C3, C4, C5 entfallen, bei geeigneter Wahl der Wechselspannungsquelle U_HF ebenso C2.

Zwei weitere Schaltungsvarianten sind in den Fig. 6 und 7 angegeben.

Wichtig für die Genauigkeit des beschriebenen Verfahrens ist das Maß der Oberwellenfreiheit der Wechselspannungsquelle. Die ungeradzahligen Frequenzvielfachen bewirken einen Offset, die geradzahligen einen Verstärkungsfehler; bei der Schaltung nach Fig. 7 sind die Verhältnisse umgekehrt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betreiben eines Winkel- oder Wegsensors mit zwei Induk­ tivitäten (L10, L20), deren magnetische Felder durch ein beide Felder durchset­ zendes, bewegbares Element (B) gegenläufig beeinflußt werden, mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) die beiden Induktivitäten (L10, L20) und ein in Reihe zwischen diesen liegender Kondensator (C1) werden von ein und demselben Wechselstrom durchflossen, so daß die Differenz der an den beiden Induktivitäten (L10, L20) abfallenden Wechselspannungen nur von der Differenz der Induktivitätswerte dieser Induktivitäten und die Größen dieser Wechselspannungen nur vom Kapazitätswert des Kondensators (C1) abhängig sind,
• b) die dadurch an den Induktivitäten (L10, L20) entstehenden Wech­ selspannungen werden jede für sich gleichgerichtet,
• c) die Differenz der so gewonnenen Gleichspannungen wird als dem Drehwinkel bzw. der Verschiebung des bewegbaren Elementes (B) proportiona­ les Signal weiterverarbeitet.

2. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Patent­ anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - an eine Serienschaltung der ersten Induktivität (L10) mit dem Konden­ sator (C1), der einen Wechselstromwiderstand aufweist, der ähnlich demjenigen der Summe beider Induktivitäten ist, und mit der zweiten Induktivität (L20) eine Wechselspannungsquelle (U_HF) gelegt ist,
• - parallel zum Kondensator (C1) die Reihenschaltung zweier Gleichrich­ ter (D1, D2) gelegt ist, deren Verbindungspunkt auf ein der Gesamtschaltung gemeinsames Bezugspotential gelegt ist, und
• - die Potentiale, die proportional zu den Spannungsabfällen sind, welche jeweils an den Reihenschaltungen einer der Gleichrichter und einer der Induk­ tivitäten abfallen, an die Eingänge (a, b) einer Differenzschaltung (V1, V2) ge­ legt sind, deren Ausgangsspannung (A) ein Maß für den Unterschied zwischen der ersten und zweiten Induktivität und damit für den zurückgelegten Winkel bzw. Weg (s) des bewegbaren Elementes (B) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die an den Eingängen (a, b) liegenden Potentiale gemeinsam an eine Eingangsklemme einer weiteren Vergleichsschaltung (V3) gelegt sind, an deren anderer Eingangsklemme eine feste Referenzspannung (UV) liegt und deren Ausgangsgröße (UR) zur Regelung der Wechselspannungsquelle (U_HF) dient.