DE9312612U1 - Vorrichtung zur Elimination eines Temperaturganges in einem Lagegeber, welcher magnetfeldabhängige Widerstände aufweist - Google Patents

Vorrichtung zur Elimination eines Temperaturganges in einem Lagegeber, welcher magnetfeldabhängige Widerstände aufweist

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Description

93 G 3 &Iacgr; 5 O DE
Siemens Aktiengesellschaft
Vorrichtung zur Elimination eines Temperaturganges in einem Lagegeber, welcher magnetfeldabhängige Widerstände aufweist
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Elimination eines Temperaturganges in einem Lagegeber, bei dem die Lagebestimmung erfolgt über eine lageabhängige Variation der magnetisehen Kopplung zwischen einem Sensor mit magnetfeldabhängigen Widerständen und einem stationären Magnetfeld durch ein lageveränderbares Meßelement mit einer Oberflächenrasterung, insbesondere einem Zahnrad oder einer Zahnstange.
Die aktuellen Werte von magnetfeldabhängigen Widerständen, welche z.B. im Inneren von Differentialfeldplatten genannten Sensoren angeordnet sind, und z.B. in Zahnradgebern oder Linearmaßstäben zur Bestimmung von Winkellagen oder Linearpositionen dienen, sind stark temperaturabhängig. Dabei besteht nicht nur das Problem, daß diese Temperaturabhängigkeit der Widerstandswerte stark nichtlinear ist. Ein weiteres Problem besteht vielmehr darin, daß sich die Werte auch in nichtlinearer Weise mit der aktuellen Größe der magnetischen Flußdichte des stationären Magnetfeldes ändern. Tritt somit eine Temperaturänderung auf, so kann anhand der an den magnetfeldabhängigen Widerständen auftretenden Meßspannungen nicht festgestellt werden, ob die Meßspannungsanderungen von der Temperaturänderung und/oder einer lageabhängigen Variation der magnetischen Flußdichte hervorgerufen worden sind.
Bisher wurde das Problem der Elimination eines Temperaturganges bei Schaltungen mit magnetfeldabhängigen Widerständen auf herkömmliche Weise gelöst. Bekannte Möglichkkeiten hierzu sind z.B. in dem Buch von Ulrich v. Borcke, "Feldplatten und
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Hallgeneratoren", herausgegeben von der Siemens Aktiengesellschaft 1985, auf den Seiten 94 bis 100 beschrieben. Mit Hilfe der dort angegebenen Kompensationsschaltungen wird versucht, einen Temperaturgang von magnetfeldabhängigen Widerständen z.B. im Inneren von Differentialfeldplatten durch nachgeschaltete Operationsverstärkerschaltungen mit speziell abgestimmten Kompensationswiderständen in Form eines elektrischen Modelles nachzubilden und durch subtraktive Aufschaltung eines derart gebildeten Korrekturwertes zu kompensieren.
Diese Schaltungen haben zum einen den Nachteil, daß sie auf einen bestimmten Temperaturarbeitsbereich der magnetfeldabhängigen Widerstände abgestimmt werden müssen. Ihre Genauigkeit hängt somit wesentlich davon ab, daß sich die tatsächliehe Temperatur der Widerstände möglichst genau in diesem Arbeitsbereich aufhält. Größere, unerwartete Schwankungen der tatsächlichen Temperatur können nur ungenau berücksichtigt werden. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung wird darin gesehen, daß die enge verkopplung von Temperaturabhängigkeit und Abhängigkeit vom aktuellen Wert der magnetischen Flußdichte naturgemäß nur ungenau nachbildbar wird.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen Lagegeber, der einen Sensor mit magnetfeldabhängigen Widerständen enthält, eine Vorrichtung zu geben, welche auch beim Auftreten von starken Schwankungen in der Umgebungstemperatur einen Temperaturgang der magnetfeldabhängigen Widerstände mit Sicherheit verhindern kann.
Die Aufgabe wird gelöst mit der im Anspruch 1 enthaltenen vorrichtung. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind im den nachfolgenden Unteransprüchen enthalten.
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Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht darauf, einen Temperaturgang der magnetfeldabhängigen Widerstände im Sensor des Lagegebers dadurch auszuschalten, daß die stationäre Gesamttemperatur des Sensors auf einem Wert konstant gehalten wird, welcher über dem maximal auftretenden Wert der stationären Umgebungstemperatur liegt. Die erfindungsgemäße "Eigenheizung11 des Sensors auf eine konstante Temperatur kann im Normalfall ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Heizelemente erfolgen. Hierzu wird erfindungsgemäß die Eingangsspannung oder der Eingangsstrom in die Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände so erhöht, daß eine gegenüber dem normalen Arbeitspunkt der Schaltung erhöhte thermische Verlustleistung in den magnetfeldabhängigen Widerständen auftritt, und somit die Gesamttemperatur des Sensors einen deutlich über der normalen Umgebungstemperatur liegenden, konstanten Wert annimmt.
Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausführungsformen derselben werden unter Zuhilfenahme der nachfolgend kurz angeführten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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Fig.l: das Beispiel eines Sensors zur Lagebestimmung in
Form einer Differentialfeldplatte mit vier magnetfeldabhängigen Widerständen,
Fig.2: ein mögliches, elektrisches Ersatzschaltbild des
Sensors von Fig.l mit einer beispielhaften Verschaltung der vier magnetfeldabhängigen Widerstände in Form von zwei Halbbrücken,
Fig.3: vier unterschiedliche Lagepositionen zwischen einem beispielhaften Sensor gemäß Fig.1,2 und einem ausschnittsweise dargestellten, lageveränderlichen
Meßzahnrad bzw. einer Meßzahnstange in Seitenansicht,
Fig.4: die Verläufe von beispielhaft zwei Meßspannungen am Ausgang eines Sensors gemäß dem Ersatzschaltbild
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von Fig.2 insbesondere für die vier Lagepositionen
gemäß Fig.3,
Fig.5: beispielhaft ein thermisches Ersatzschaltbild für
einen Sensor mit magnetfeldabhängigen Widerständen,
und eine erste Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Vorrichtung zur Temperaturgangelimination,
Fig.6: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Temperaturgangelimination,
Fig.7: eine mögliche und vorteilhafte Ergänzung der Vorrichtungen gemäß Fig.6,7 mit einer zusätzlichen
Fremdheizung, und
Fig.8: beispielhaft ein gegenüber der Fig.5 ergänztes
thermisches Ersatzschaltbild für einen Sensor, und
eine weitere vorteilhafte Ergänzung der Vorrich-
tungen gemäß Fig.6,7 mit einer zusätzlichen Kompen
sationseinrichtung für lageabhängige Schwankungen
des Gesamtwiderstandes der magnetfeldabhängigen
Widerstände des Sensors.
In FlG 1 ist beispielhaft ein zur Lageerfassung bestimmter Sensor DF dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Differentialfeldplatte mit vier magnetfeldabhängigen Widerständen R12,R23,R45,R56. Diese sind auf einem rahmenformigen Träger TR, welcher bevorzugt aus ferritischem Material besteht, nebeneinander liegend angeordnet. Zur Erleichterung des mechanischen Einbaues und des elektrischen Anschlusses ist bevorzugt ein Träger RA vorhanden. Die Widerstände R12,R23,R45,R56 sind über Leiterbahnen LB, welche auf der Oberfläche des Trägers TR und des umgebenden Rahmens RA verlaufen, mit Anschlußkontakten 1...6 am Rande des Rahmens RA verbunden.
Die Differentialfeldplatte von FIG 1 ist als ein zur Bestimmung der Lage &agr; dienender Sensor DF im Inneren eines Gebers angeordnet, bevorzugt eines Winkellagegebers oder eines
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Linearmaßstabes. Zur Abbildung der Bewegung des zu überwachenden Objektes dient ein lageveränderliches Meßelement mit einer Oberflächenrasterung, insbesondere ein Meßzahnrad oder eine Meßzahnstange. Die Lageerfassung erfolgt über eine lageabhängige Variation der magnetischen Kopplung zwischen den magnetfeldabhängigen Widerständen R12,R23,R45,R56 auf dem Sensor DP und einem stationären Magnetfeld, welche von einer Oberflächenrasterung des lageveränderbaren Meßelementes hervorgerufen wird. Hierzu ist der Sensor DF von einem möglichst homogenen stationären Magnetfeld durchsetzt, welches in FIG l durch einen senkrecht aus der Blattebene weisenden Wirkrichtungspfeil B symbolisiert ist. Das Magnetfeld wird bevorzugt von einem hinter dem Sensor DF angeordneten Permanentmagneten hervorgerufen und wirkt über die Oberfläche des Trägers TR und der darauf befindlichen magnetfeldabhängigen Widerstände auf das lageveränderliche Meßelement MZ ein. Dieses bewegt sich möglichst parallel zur Blattoberfläche von FIG 1. Dessen Bewegungsrichtungen sind in FIG 1 durch einen strichlierten und mit DR bezeichneten Doppelpfeil dargestellt.
Die magnetfeldabhängigen Widerstände des Sensors können auf unterschiedliche Weise zu einer Schaltung zusammengefaßt werden. Eine besonders vorteilhafte Verschaltung derselben in der Form von zwei Halbbrücken ist beispielhaft im elektrisehen Ersatzschaltbild der FIG 2 dargestellt. Dabei bildet die Reihenschaltung der Widerstände R12,R23 eine erste Halbbrücke HBl und die Reihenschaltung der Widerstände R45,R56 eine zweite Halbbrücke HB2. Beide Halbbrücken sind parallel geschaltet, und werden von einer Eingangsspannung Ub und einem Eingangsstrom Ib versorgt. Bei einem Betrieb der Schaltung mit einer eingeprägten Spannung ist die Eingangsspannung Ub einstellbar und hat die Funktion einer Brückenspeisespannung. Andererseits kann die Schaltung von FIG 2 auch mit
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einem eingeprägten Strom betrieben werden. In diesen Fall ist der Eingangsstrom Ib ein einstellbarer Brückenspeisestrom.
Im Beispiel der FIG 2 weist die Schaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen R12,R23,R45,R56 des Sensors DF zwei Ausgänge auf, an denen eine erste und zweite Meßspannung UdI, Ud2 abgegriffen werden kann. Als Abgriff von UdI dient der Anschlußkontakt 2 in der Mitte der Reihenschaltung der Widerstände R23,R12. Als Abgriff vom Ud2 dient der Anschlußkontakt 5 in der Mitte der Reihenschaltung der Widerstände R56,R45. Bei dem im elektrischen Ersatzschaltbild FIG 2 dargestellten Beispiel ist der Fußpunkt der parallelen Halbbrücken HBl,HB2, d.h. der Anschlußkontakt 1 bzw. 4, und damit auch der Bezugspunkt der Eingangsspannung Ub mit dem Massepotential verbunden. Andererseits dient vorteilhaft der halbe Wert der Eingangsspannung Ub/2 als Bezugspotential für die Meßspannungen UdI,Ud2 am Ausgang der Schaltung. Auf diese Weise bereitgestellte Meßspannungen UdI,Ud2 sind besonders geeignet, um daraus in üblicher Weise einen Wert einer Winkellage bzw. Linearposition eines Meßzahnrades bzw. einer Meßzahnstange relativ zur Lage des Sensors DF abzuleiten. Es handelt sich dabei in der Regel um sinus- bzw. cosiusförmige Meßsignale mit einer Phasenverschiebung von üblicherweise 90°. Hieraus kann unter Verwendung von bekannten Methoden ein Wert für die aktuelle Lage abgeleitet werden.
FIG 3 zeigt beispielhaft vier unterschiedliche Lagepositionen I,II,III,IV zwischen einem Sensor DF gemäß dem Ausführungsbeispiel von FlG 1 und einem abschnittsweise dargestellten, lageveränderlichen Meßzahnrad bzw. einer Meßzahnstange MZ in Seitenansicht. Zum Aufbau des homogenen Magnetfeldes B dient ein auf der Rückseite des Trägers TR des Sensors DF angebrachter Permanentmagnet PM. Auf der Vorderseite von TR sind die magnetfeldabhängigen Widerstände
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R23,R12,R45,R56 angeordnet. An diesen bewegt sich das lageveränderliche Meßelement MZ mit zugewandter Oberflächenrasterung in einem möglichst konstanten, lageunabhängigen Abstand L in Bewegungsrichtung DR entlang. Als Oberflächenrasterung sind im Beispiel der FIG 3 Meßzähne in die Oberfläche des Meßelementes MZ eingearbeit, mit denen eine lageabhängige Variation der magnetischen Kopplung zwischen den magnetfeldabhängigen Widerständen des Sensor DF und dem stationären Magnetfeld B bewirkt wird. So befindet sich bei der mit I bezeichneten Lage in FIG 3 ein Meßzahn C von MZ gerade unterhalb des Widerstandes R45. In diesem Bereich tritt somit aufgrund der guten magnetischen Kopplung eine hohe Flußdichte auf, welche wiederum einen hohen Wert des magnetfeldabhängigen Widerstandes R45 hervorruft. Der benachbarte Zahngrund D befindet sich gerade gegenüber dem Widerstand R56. Aufgrund der dort geringeren magnetischen Kopplung tritt eine niedrige Flußdichte auf, was wiederum einen niedrigen Wert des magnetfeldabhängigen Widerstandes R56 zur Folge hat. Schließlich befinden sich die Zahnschrägen A,B gerade unterhalb der Widerstände R23,R12. Aufgrund der mittleren magnetischen Kopplung an diesen Stellen treten magnetische Flußdichten mit mittleren werten auf, was widerum mittlere Werte der magnetfeldabhängigen Widerstände R23,R12 zur Folge hat.
Aufgrund einer Lageveränderung des Meßelementes MZ ergibt sich eine lageabhängige Variation der magnetischen Kopplung zwischen dem Sensor DF aufgrund der Oberflächenrasterung des Meßelementes. Diese wird wiederum in eine entsprechende, lageabhängige Variation der Werte der magnetfeldabhängigen Widerstände R12,R23,R45,R56 abgebildet, und kann schließlich in Form der sinus- und cosinusähnlichen Meßsignale UdI,Ud2 am Ausgang der Schaltung der Widerstände abgegriffen werden. FIG 4 zeigt hierzu beispielhaft die Verläufe von zwei derartigen Meßspannung UdI,Ud2. Darin sind die vier diskreten Lageposi-
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tionen I,II,II,IV gemäß der Darstellung von FIG 3 in Form von senkrechten Strichen eingetragen. Diese Lagepositionen sind beispielhaft gerade so gewählt, daß dabei Maxima, Nulldurchgänge bzw. Minima bei den Werten der zugehörigen magnetfeldabhängigen Widerstände und somit der Meßspannungen UdI,Ud2 auftreten. Aus diesen kann in üblicher Weise der Wert &agr; der aktuellen Winkellage bzw. der Linearposition des lageveränderlichen Meßzahnrades bzw. Meßzahnstange abgeleitet werden.
Anhand der FIG 5 werden nachfolgend ein mögliches thermisches Ersatzschaltbild des Sensors DF und eine erste, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
Erfindungsgemäß weist der Sensor DF eine stationäre Gesamttemperatur T mit einem deutlich über der im Normalfall auftretenden Umgebungstemperatur Ta liegenden Wert auf. Um diesen einzustellen und konstant zu halten verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über Meßgeber MI,MU, womit die Istwerte der Eingangs spannung Ub und des Eingangsstromes Ib der Schaltung aus dem magnetfeldabhängigen Widerständen R12,R23, R45,R56 des Sensors DF erfaßt werden. Diese werden einem Umsetzer WD zugeführt, der eine dem Istwert des Gesamtwiderstandes Rges der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände entprechende Größe &khgr; ableitet. Diese wird einem Regler R mit mindestens einem integrierenden Anteil als eine Eingangsgröße zugeführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt desweiteren über einen Sollwertgeber SW, womit eine dem Gesamtwiderstand der Schaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen entsprechende Größe w vorgegeben wird. Diese wird erfindungsgemäß so ausgewählt, daß eine gegenüber dem normalen Arbeitspunkt der Schaltung erhöhte thermische Verlustleistung in den magnetfeldabhängigen Widerständen Rl2, R2 3,R45,R56 auftritt. In erster Annäherung kann angenommen werden, daß die stationäre Gesamttemperatur T des Sensors DF
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linear vom aktuellen Wert des Gesamtwiderstandes Rges der magnetfeldabhängigen Widerstände abhängt, d.h. Rges« -|k| * T.
Dem integrierenden Regler R werden die Größen x,w am Ausgang des Umsetzers WD und des Sollwertgebers SW als Eingangsgrößen zugeführt. Eine Abweichung dieser Größen, d.h. | x-w | > oder < 0, wird ausgeglichen durch eine Erhöhung oder Erniedrigung der Eingangsspannung Ub oder des Eingangsstromes Ib für die Schaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen. Dabei wird die Eingangsspannung Ub erhöht vorgegeben, wenn die Schaltung der Widerstände mit eingeprägter Spannung betrieben wird. In diesem Fall stellt sich der Wert des Eingangsstromes Ib über den jeweils vorliegenden Wert des Gesamtwiderstandes Rges selbsttätig ein. Umgekehrt wird bei Betrieb der Schaltung mit eingeprägtem Strom der Eingangsstrom Ib vom Regler R erhöht vorgegeben, während sich dann die Eingangsspannung Ub abhängig vom aktuellen Wert von Rges selbsttätig einstellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt, daß in den magnetfeldabhängigen Widerständen R12,R23,R45,R56 gezielt erhöhte elektrische Verlustleistung auftritt. Im thermischen Ersatzschaltbild in FIG 5 ist diese "ohmsche Erwärmung" durch "Stromwärme" in R12...R56 in Form eines Funktionsblockes FE symbolisch dargestellt. Hierdurch wird dem Sensor DF ohmsche Wärmeenergie &Ogr;.&OHgr; zugeführt. Naturgemäß kann diese wärmeenergie über den jeweiligen Wert der Wärmekapazität des Sensors DF nicht unmittelbar den Wert von dessen stationärer Gesamttemperatur T bestimmen. Vielmehr treten natürliche Wärmeverluste auf. Hierzu ist im thermischen Ersatzschaltbild ein Funktionsblock FK vorgesehen, wodurch das unter anderem von der Oberfläche, einer möglichen Kapselung und der Wärmekapazität des Sensors DF abhängige Wärmeabstrahlverhalten symbolisiert wird. So wird in FIG 5 die ohmsche Wärmeenergie 0.&OHgr; in einen fiktiven Summenpunkt Sl eingespeist, von dem die durch
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natürliche Konvektion abgegebene Wärmeenergie Qa über den symbolischen Funktionsblock FK in die Umgebung abfließt. Das jeweilige Temperaturgefälle zur Umgebung ist durch einen auf den Funktionsblock FK gerichteten Pfeil für die stationäre Umgebungstemperatur Ta symbolisiert. Durch einen dritten Funktionsblock FL werden die durch Windkühlung hervorgerufenen Wärmeverluste Qw symbolisiert. Diese sind insbesondere abhängig von der Größe des Luftspaltes L zwischen Meßelement MZ und dem Sensor DF, von Zahntiefe und Zahnteilung der Oberflächenrasterung des Meßelementes und insbesondere von der Relativgeschwindigkeit &ohgr; zwischen Sensor und Meßelement.
Nach Bilanzierung der zugeführten und abgehenden Wärmeenergien ergibt sich am Ausgang des fiktiven Summenpunktes Sl eine resultierende Gesamtwärmeenergie Q für den Sensor DF, welche über dessen Wärmekapazität FC eine stationäre Gesamttemperatur T bewirkt. Deren Wert liegt deutlich über der normalen Umgebungstemperatur, d.h. T > Ta. In der Praxis hat sich ein Wert von T als vorteilhaft erwiesen, welcher im Bereich zwischen 100 und 1200C liegt. Da dieser Wert mit Sicherheit oberhalb eines im Normalbetrieb des Lagegebers auftretenden Größtwertes für die Betriebstemperatur liegt, kann ein möglicher Temperaturgang der magnetfeldabhängigen Widerstände R12,R23,R45,R56 mit Sicherheit eliminiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den besonderen Vorteil, daß keine aufwendige und naturgemäß unvollständige, modellartige Nachbildung eines Temperaturganges erfolgt, und somit keine Justierung auf einen bestimmten Arbeitspunkt notwendig ist. Vielmehr muß lediglich durch Vorgabe eines entsprechend großen Wertes für Rges über den Sollwertgeber SW sichergestellt sein, daß eine gegenüber dem normalen Arbeitspunkt erhöhte thermische Verlustleistung in den magnetfeldabhängigen Widerständen auftritt, und somit die Gesamttemperatur
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des Sensors einen deutlich über der normalen Umgebungstemperatur liegenden Wert annimmt. Daraufhin stellt sich ein Arbeitspunkt ein, dessen genauer Wert im Detail unerheblich ist, und der über den Regler R konstant gehalten wird. Im thermischen Ersatzschaltbild der FIG 5 ist dieser Temperaturverlauf des Gesamtwiderstandes Rges der magnetfeldabhängigen Widerstände und die sich im jeweiligen Arbeitspunkt AP stationär einstellende Gesamttemperatur T des Sensors DF durch einen Funktionsblock FR symbolisch dargestellt.
In FIG 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Elimination eines Temperaturganges im Sensor DF dargestellt. Auch dabei werden die Istwerte der Eingangsspannung Ub und des Eingangsstromes Ib der Schaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen mittels Meßgeber MU,MI erfaßt. Ferner ist wiederum ein Sollwertgeber SW vorhanden zur Vorgabe einer dem Gesamtwiderstand Rges der Schaltung aus den magnetfeldabängigen Widerständen entsprechende Größe, bei der eine gegenüber dem normalen Arbeitspunkt erhöhte thermische Verlustleistung in den Widerständen auftritt. Im Gegensatz zu der Ausführung in FIG 5 wird bei dem Beispiel in FIG 6 dem Regler R der Istwert der Eingangsspannung Ub als eine Eingangsgröße &khgr; direkt zugeführt. Ferner wird die zweite Eingangsgröße w des Reglers durch Multiplikation des Istwertes des Eingangsstromes Ib mit dem über den Sollwertgeber SW vorgegebenen Sollwert für Rges in einem Umsetzer WM gewonnen. Der integrierende Regler R gleicht wiederum mögliche Abweichungen zwischen dem Istwert der Eingangsspannung Ub und der Größe w am Ausgang des Umsetzers WM aus durch entsprechende Erhöhung des Eingangsstromes Ib für die Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände.
Die Schaltung von FIG 6 funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die von FIG 5. Auch hier ist die stationäre Gesamt-
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temperatur T des Sensor DF annähernd linear abhängig ist vom aktuellen Wert des Gesamtwiderstandes Rges der magnetfeldabhängigen Widerstände. Es gilt somit
T « k * Rges = k * Ub / Ib .
Als Sollwert w für den Regler R wird ein eine Sollspannung darstellendes Produkt aus Ib * Rges vorgegeben und mit dem Istwert &khgr; = Ub verglichen. Bei Vorliegen von Abweichungen wird der Eingangsstrom Ib durch den Regler solange erhöht, bis &khgr; = w, d.h. Ub=Ib*Rges. Die Schaltung weist dann den vorgegebenen Gesamtwiderstandswert Rges auf und nimmt im stationärem Fall aufgrund der entsprechend großen ohmischen Verlustleistung in den magnetfeldabhängigen Widerständen einen gewünschten erhöhten Wert für die Gesamttemperatur T an.
In seltenen Ausnahmefällen kann es vorkommen, daß zum Aufbau des gewünschten Wertes Rges und der dazugehörigen Gesamttemperatur T ein sehr hoher Wert der Eingangsspannung Ub vorgegeben werden muß bzw. sich nach Vorgabe eines entsprechend großen Wertes des Eingangsstromes Ib über Rges selbsttätig einstellt. Dies tritt beispielsweise dann auf, wenn ein ungewöhnlich großes Temperaturgefälle zwischen dem gewünschten Zielwert der Gesamttemperatur T des Sensors DF und der Umgebungtemperatur Ta vorliegt. Dies kann ausnahmsweise dann der Fall sein, wenn einer gewünschten Sensor-Gesamttemperatur T von ungefähr 12O0C eine winterliche Außentemperatur Ta von ca. -10eC gegenübersteht. In diesem Fall ist im thermischen Ersatzschaltbild der Wärmeverlust Qa durch normale Konvektion besonders groß. Dieser wird über den Regler R durch eine entsprechend hohe, durch Stromwärme in den magnetfeldabhängigen Widerständen erzeugte ohmische Wärmeenergie QQ ausgeglichen. Der Ausgleich ist aber nur möglich, wenn die Werte für die Eingangsspannung Ub und den Eingangsstrom Ib in die Schaltung
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der magnetfeldabhängigen Widerstände sehr groß sind. Dabei kann der Fall auftreten, daß insbesondere die Eingangsspannung Ub einen Wert annehmen müßte, welcher entweder von einer Versorgungsspannung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr aufgebracht werden kann oder für die Bauelemente der Vorrichtung eine unzulässige Größe annehmen würde. Ferner kann auch der maximal zulässige Wert der Stromdichte im Sensor DF überschritten werden. In diesen Fällen ist es gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung möglich, die Temperatur des Sensors DF mit Hilfe eines elektrischen Zusatzheizelementes FZ vorzusteuern.
In FIG 7 ist eine mögliche Ausführung für eine derartige elektrische Zusatzheizung dargestellt, welche bei den Ausführungsformen nach FIG 5 und FIG 6 eingesetzt werden kann. Das elektrische Zusatzheizelement FZ wird dann zugeschaltet, wenn der Istwert der Eingangsspannung Ub am Ausgang des Meßgebers MU der Schaltung aus dem magnetfeldabhängigen Widerständen einen unteren Grenzwert Ubmi überschreitet. Zur Überwachung der Eingangsspannung Ub dient in FIG 7 ein Steuerelement SZ, welches bei Ub > Ubmi ein Stellsignal B für das Zusatzelement FZ abgibt. Die hiervon erzeugte Fremdwärme Qz wird im thermischen Ersatzschaltbild wiederum in den fiktiven Summenpunkt Sl eingespeist und gleicht besonders hohe Konvektionsverluste Qa zum Zwecke einer Begrenzung der durch ohmsche Erwärmung zugeführten Wärmeenergie QQ aus.
Anhand der FIG 8 wird eine weitere vorteilhafte Ergänzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Diese betrifft eine Kompensationseinrichtung KG für mögliche lageabhängig von der Oberflächenrasterung des lageveränderbaren Meßelementes MZ hervorgerufene Schwankungen des Gesamtwiderstandes Rges der Schaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen R12,R23,R45,R56. Eine derartige "Widerstandsmodulation" wird
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hervorgerufen z.B. gemäß der Darstellung in FIG 3 von der Form der als Oberflächenrasterung dienenden "Zähne" bzw. "Zahngründe" eines Meßzahnrades bzw. einer Meßzahnstange. Diese von der aktuellen Lage &agr;, d.h. einer Winkellage bei einem Winkelgeber bzw. Linearposition bei einem Linearmaßstab, abhängige Modulation dRges des Gesamtwiderstandes Rges der magnetfeldabhänigen Widerstände ist im thermischen Ersatzschaltbild des Sensors DF in FIG 8 in Form eines Funktionsblockes FM symbolisch dargestellt. Dieser bewirkt eine Schwingung des Arbeitspunktes AP im Funktionsblock FR, welcher den Zusammenhang zwischen der Gesamttemperatur T des Sensors DF und dem dazugehörigen Gesamtwiderstand Rges beschreibt. Die Schwingung ist abhängig von der Feinheit der Oberflächenrasterung des lageveränderbaren Meßelementes MZ, und entspricht im Beispiel der FIG 3 der Weite eines Zahnes und eines benachbarten Zahngrundes.
Die erfindungsgemäße Einrichtung KG zur Kompensation einer derartigen lageabhängigen Widerstandsmodulation macht sich den Umstand zunutze, daß sich die Widerstandsmodulation auch in Form einer entsprechenden Winkel- oder linearpositionabhängien Schwankung der Meßspannungen UdI,Ud2 am Ausgang der Schaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen R12,R23, R45,R56 abbildet. Im thermischen Ersatzschaltbild der FIG 8 wird dies durch einen Funktionsblock FH symbolisiert.
Die zusätzliche Kompensationseinrichtung KG verfügt über einen Meßwandler WM, welcher mindestens den Istwert von einer, zur Bestimmung der aktuellen Lage &agr; des Lagegebers dienenden Meßspannung UdI bzw. Ud2 am Ausgang der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände in eine Kompensationsgröße + K umwandelt. Mit Hilfe eines Rechenelementes S2, insbesondere einem Summierer, kann die Korrekturgröße am Ausgang eines der Meßgeber MU,MI auf den Istwert entweder der Eingangsspannung
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Ub oder des Eingangsstromes Ib der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände mit umgekehrtem Vorzeichen im Sinne einer Schwingungskompensation aufgeschaltet werden.
Bei dem in FIG 8 dargestellten Beispiel werden besonders vorteilhaft beide zur Verfügung stehende Meßspannung UdI,Ud2 im Meßwandler WM zur Kompensationsgröße + K verarbeitet. Bevorzugt werden die Meßspannungen bewertet summiert, d.h. z.B. :
+ K = &ngr; * ( Kl * Udl(a) + K2 * Ud2(a) ).
Im Beispiel der FIG 8 wird eine derart gebildete Korrekturgröße + K über einen Summierer S2 beispielhaft auf den Wert Ib am Ausgang des Meßgebers MI auf geschaltet. Der somit widerstandsmodulations-bereinigte Meßwert für den Eingangsstrom Ib1 kann dann in der oben beschriebenen Weise entsprechend den Ausführungsformen von FIG 5 bzw. FIG 6 weiterverarbeitet werden. Die in FIG 8 gewählte Darstellung entspricht beispielhaft der Ausführung von FIG 5. Es ist auch ohne weiteres möglich, die Korrekturgröße + K mit dem Summierer S2 auf den Istwert der Eingangsspannung Ub am Ausgang des Meßgebers MU aufzuschalten und somit einen widerstandsmodulations-bereinigten Meßwert für die Eingangsspannung Ub1 zu erzeugen.
Auf diese Weise können lageabhängige und möglicherweise von einer besonderen Gestaltung der Oberflächenrasterung des lageveränderbaren Meßelementes MZ hervorgerufene Modulationen des Gesamtwiderstandes Rges kompensiert werden. Die Kompensationseinrichtung KG wirkt besonders bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten &ohgr; zwischen Meßelement und Sensor. Die größte Wirkung tritt bei Stillstand des Meßelementes auf, da der Regler R dabei unter Umständen Ub oder Ib auf einen nicht exakt richtigen Wert von Rges nachregeln würde. Es stellt
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sich somit in jedem Fall ein stabiler Arbeitspunkt AP für die Schaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen ein, was eine stabile, deutlich über der normalen Umgebungstemperatur Ta liegenden Gesamttemperatur T des Sensors DF zur Folge hat.

Claims (5)

93 G 3 ^ 5 ODE 17 Schutzansprüche
1. Vorrichtung zur Elimination eines Temperaturganges (T) in einem Lagegeber (DF,MZ), bei dem die Lagebestimmung (&agr;) erfolgt über eine lageabhängige Variation (I,II,111,1V) der magnetischen Kopplung (A,B,C,D) zwischen einem Sensor (DF) mit magnetfeldabhängigen Widerständen (R12,R23,R45,R56) und einem stationären Magnetfeld (&Rgr;&Mgr;,&Bgr;) durch ein lageveränderbares Meßelement (MZ) mit einer Oberflächenrasterung, insbesondere einem Meßzahnrad oder einer Meßzahnstange, mit
Mitteln (MU,MI,SW,WD,WM,R), welche die Eingangsspannung (Ub) oder den Eingangsstrom (Ib) für die Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) so erhöhen, daß eine gegenüber dem normalen Arbeitspunkt der Schaltung erhöhte thermische Verlustleistung in den magnetfeldabhängigen Widerständen auftritt, und somit die Gesamttemperatur (T) des Sensors (DF) einen deutlich über der normalen Umgebungstemperatur (Ta) liegenden Wert (AP) annimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel enthalten
a) Meßgeber (MU,MI) zur Erfassung der Istwerte der Eingangsspannung (Ub) und des Eingangsstromes (Ib) der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23, R45,R56) des Sensors (DF),
b) einen Sollwertgeber (SW) zur Vorgabe einer dem Gesamtwiderstand (Rges) der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) entsprechenden Größe (w), bei der eine gegenüber dem normalen Arbeitspunkt der Schaltung erhöhte thermische Verlustleistung in den magnetfeldabhängigen Widerständen zu erwarten ist,
c) einen Umsetzer (WD), der aus den Istwerten der Eingangsspannung (Ub) und des Eingangsstromes (Ib) eine dem Istwert des Gesamtwiderstandes (Rges) der Schaltung der
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magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) entsprechende Größe (&khgr;) bildet, und
d) einen integrierenden Regler (R), der eine Abweichung zwischen den Größen (x-w) an den Ausgängen des Sollwertgebers (SW) und des Umsetzers (WD) ausgleicht durch Erhöhung der Eingangsspannung (Ub) oder des Eingangsstromes (Ib) für die Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) (Fig.5). 10
3. Vorrichtung nach Anspruch l, wobei die Mittel enthalten
a) Meßgeber (MU,MI) zur Erfassung der Istwerte der Eingangsspannung (Ub) und des Eingangsstromes (Ib) der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23, R45,R56) des Sensors (DF),
b) einen Sollwertgeber (SW) zur Vorgabe einer dem Gesamtwiderstand (Rges) der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) entsprechenden Größe, bei der eine gegenüber dem normalen Arbeitspunkt der Schaltung erhöhte thermische Verlustleistung in den magnetfeldabhängigen Widerständen zu erwarten ist,
c) einen Umsetzer (WM), der aus dem Istwert des Eingangsstromes (Ib) und der Größe am Ausgang des Sollwertgebers (SW) eine einer Sollspannung am Eingang der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände entsprechende Größe (W) bildet, und
d) einen integrierenden Regler (R), der eine Abweichung zwischen dem Istwert der Eingangsspannung (Ub) und der Größe (W) am Ausgang des Umsetzers (WM) ausgleicht durch Erhöhung des Eingangsstromes (Id) für die Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) (Fig.6).
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4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem elektrischen Zusatzheizelement (FZ) für den Sensor (DF), welches zugeschaltet wird, wenn der Istwert der über den Meßgeber (MU) erfaßten Eingangsspannung (Ub) der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) einen unteren Grenzwert (Ubmi) überschreitet (Fig.7).
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Kompensationseinrichtung (KG) für lageabhängige, insbesondere von der Oberflächenrasterung des lageveränderbaren Meßelementes (MZ) hervorgerufener Schwankungen des Gesamtwiderstandes (Rges) der Schaltung der magnetfeldabhängigen widerstände (R12,R23,R45,R56), mit
a) einem Meßwandler (WM), welcher mindestens den Istwert von einer, zur Lagebestimmung (&agr;) dienenden Meßspannung (Udl,ud2) am Ausgang der Schaltung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R23,R45,R56) in eine Kompensationsgröße (+K) umwandelt, und
b) einem Rechenelement (S2), insbesondere einem Summierer, welches am Ausgang eines der Meßgeber (MU,MI) die Kompensationsgröße (+K) auf den Istwert der Eingangsspannung (Ub) oder des Eingangsstromes (Ib) der Schal- tung der magnetfeldabhängigen Widerstände (R12,R2 3,-R45,R56) aufschaltet (Fig.8).
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