NL7901714A - Inductive position sensor with level detector - indicating failure when sensor output is below min. signal level provided by coupling capacitor - Google Patents

Abstract

The primary and a secondary leads of the inductive position sensor are connected by a capacitively coupling device. An output of the position sensor is connected to a level detector functioning as a failure indicator. The capacitive coupling of the primary and secondary of the inductive position sensor results in the output of the position sensor results in the output of the position sensor being above a min. signal level at every position including the position at which the sensor output indicates zero or null position. When the sensor output falls below the min. signal level the level detector indicates failure.

Description

- N/28.987-St-dV/f.- N / 28.987-St-dV / f.

AVCO Corporation, Greenwich,Connecticut , Verenigde Staten van Amerika.AVCO Corporation, Greenwich, Connecticut, United States of America.

Inrichting voor het aangeven van de hoekstand van een object.Device for indicating the angular position of an object.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het aangeven van de hoekstand van een object, voorzien van een sensor, die met het object is gekoppeld en waarvan de ingang op een energiebron aansluitbaar is, 5 terwijl de uitgang een signaal levert, dat overeenkomt , met de hoekstand van het object, alsmede van een niveau-detector, die met de sensoruitgang is gekoppeld en het uitgangssignaal hiervan bewaakt en die een storing signaleert als het uitgangssignaal beneden een minimaal niveau 10 komt. De uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op een inrichting, die met een inductieve positiesensor is uitgerust.The invention relates to a device for indicating the angular position of an object, provided with a sensor which is coupled to the object and whose input is connectable to an energy source, while the output supplies a signal corresponding to the angular position of the object, as well as of a level detector, which is coupled to the sensor output and monitors its output signal and which signals a malfunction if the output signal falls below a minimum level 10. The invention particularly relates to a device equipped with an inductive position sensor.

Er zijn verschillende technieken ontwikkeld, om te bepalen of een positiesensor op de juiste wijze 15 werkt. Het grootste aantal van deze bekende technieken heeft het nadeel, dat hierdoor het gebruik van de positiesensor wordt begrensd of op andere wijze het toepassingsgebied wordt beperkt. Inductieve positiesensoren leveren gewoonlijk een uitgangssignaal 0 in het midden van het 20 werkgebied, hetgeen gewoonlijk het nulpunt is.Een fout kan hierbij worden gedetecteerd, indien de werking van de sensor is beperkt tot hoeken, die groter of kleiner zijn dan 0 en waarbij de positiesensor altijd een bepaald minimaal signaal zal leveren, zodat altijd een uitgangssignaal 25 beschikbaar is voor de bewaking. Als het gebruik van de sensor zich uit dient te strekken tot de nulstand, is het normale signaal in deze nulstand gelijk aan nul, zodat een storing niet kan worden onderscheiden van de normale werking.Several techniques have been developed to determine whether a position sensor is operating correctly. The majority of these known techniques have the drawback of limiting the use of the position sensor or otherwise limiting the field of application. Inductive position sensors usually provide an output signal 0 in the center of the work area, which is usually the zero point. An error can be detected here if the operation of the sensor is limited to angles greater or less than 0 and where the position sensor will always provide a certain minimum signal, so that an output signal 25 is always available for monitoring. If the use of the sensor should extend to the zero position, the normal signal in this zero position is equal to zero, so that a fault cannot be distinguished from normal operation.

30 Het Amerikaanse octrooischrift 2.823.877 be- 7901714 2U.S. Patent 2,823,877 to 7901714 2

t At A

schrijft een bekende inrichting van de in de aanhef genoemde soort, waarbij het uitgangssignaal van fasegevoelige demodu-latoren wordt benut voor het verkrijgen van een analoog signaal, dat wordt bewaakt voor het detecteren van een sto-5 ring van een servosysteem. Zoals reeds werd opgemerkt treedt hierbij het probleem op, dat de nulstand een uitgangssignaal nul tot gevolg heeft, zodat een storing niet kan worden onderscheiden van de normale werking in dit punt.writes a known device of the type mentioned in the preamble, in which the output of phase-sensitive demodulators is used to obtain an analog signal, which is monitored for the detection of a fault of a servo system. As has already been noted, the problem arises here that the zero position results in a zero output signal, so that a disturbance cannot be distinguished from normal operation at this point.

Voorts is uit het Amerikaanse octrooi-10 schrift 3.778.696 het gebruik van een geïntegreerd circuit bekend, dat een begrensd signaal levert, welk signaal aan een niveaudetector wordt toegevoerd, welke als storingsbe-wakingsorgaan werkt, wanneer het signaal boven een voorafingestelde grenswaarde komt.Furthermore, U.S. Pat. No. 3,778,696 discloses the use of an integrated circuit which provides a limited signal which is applied to a level detector which acts as a disturbance monitor when the signal exceeds a preset limit value.

15 De uitvinding beoogt een inrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen,waarbij een storingsbewaking mogelijk is van een sensor, die ook de nulstand kan aangeven.The object of the invention is to provide a device of the type mentioned in the preamble, in which fault monitoring of a sensor is possible, which can also indicate the zero position.

Volgens de uitvinding heeft de inrich-20 ting hiertoe het kenmerk, dat de sensoringang door middel van een capacitief koppelorgaan is verbonden met de sensor-uitgang, waardoor het uitgangssignaal van de sensor een bepaalde minimale, van nul afwijkende waarde krijgt, waarbij de niveaudetector een storing aangeeft, als het uit-25 gangssignaal beneden deze bepaalde minimale waarde ligt.According to the invention, the device is for this purpose characterized in that the sensor input is connected to the sensor output by means of a capacitive coupling means, whereby the output signal of the sensor obtains a certain minimum value which deviates from zero, the level detector having a indicates a fault if the output signal is below this determined minimum value.

Volgens de uitvinding is een fasedetec-tor op de sensoruitgang aangesloten, welke een uitgangssignaal levert, dat de fase van de hoekstand van het object aangeeft.According to the invention, a phase detector is connected to the sensor output, which provides an output signal which indicates the phase of the angular position of the object.

30 Op deze wijze wordt bereikt, dat op de uitgang van de sensor altijd een minimale spanning aanwezig is. De uitgangsspanning wordt gedetecteerd door de fase-detector in alle standen van de sensor, waaronder de stand, waarin het sensorsignaal door nul gaat. De fasedetector 35 reageert niet op de spanningscomponent, die door de capaci-tieve koppeling is verkregen, zodat het uitgangssignaal van 7901714 * 3 de fasedetector, dat de stand van de sensor aangeeft, niet wordt beïnvloed. De capacitief doorgekoppelde span-ningscomponent wordt door de niveaudetector gedetecteerd, zodat een van de hoekstand van de sensor onafhankelijke 5 bewaking is verkregen.In this way it is ensured that a minimum voltage is always present at the sensor output. The output voltage is detected by the phase detector in all positions of the sensor, including the position in which the sensor signal passes through zero. The phase detector 35 does not respond to the voltage component obtained by the capacitive coupling, so that the output signal of 7901714 * 3 does not affect the phase detector, which indicates the position of the sensor. The capacitively coupled voltage component is detected by the level detector, so that a monitoring independent of the angular position of the sensor is obtained.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld is weergegeven.The invention is further elucidated with reference to the drawing, in which an exemplary embodiment is shown.

Fig. 1 is een grafiek van het uitgangssig-10 naai van de sensor als funktie van de hoekstand, en fig. 2 is een blokschema van een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding.Fig. 1 is a graph of the output signal of the sensor as a function of the angular position, and FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of the device according to the invention.

De in fig. 1 afgebeelde grafiek geeft de samenhang tussen de hoekstand van een positiesensor en het 15 sensoruitgangssignaal weer. Het uitgangssignaal 1 heeft betrekking op een bekende positiesensor, waarvan het uitgangssignaal recht evenredig is met de stand van de sensor.The graph shown in Figure 1 shows the relationship between the angular position of a position sensor and the sensor output signal. The output signal 1 relates to a known position sensor, the output signal of which is directly proportional to the position of the sensor.

Zoals uit het punt la van de grafiek blijkt, is het sensoruitgangssignaal nul als de positiesensor een hoek nul aan-20 geeft. Teneinde een juiste storingsdetectie te kunnen uit voeren, moet de werkhoek van de sensor worden beperkt tot hoeken, die groter zijn dan + Θ , in welk geval altijd een uitgangssignaal aanwezig is. Hierdoor wordt het werkgebied beperkt.As shown in point 1a of the graph, the sensor output signal is zero when the position sensor indicates an angle zero -20. In order to perform proper fault detection, the sensor working angle must be limited to angles greater than + Θ, in which case an output signal is always present. This limits the work area.

25 In fig. 2 is een blokschema weergegeven van een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding. De inrichting is voorzien van een positiesensor 5, die elk bekend type positiesensor kan zijn, zoals een inductieve positiesensor. De sensor 5 kan bijvoorbeeld een 30 roterende omzetter zijn met een stationaire spoel en een vrij draaibare spoel, welke een wisselspanning levert, die evenredig is met de hoekstand van de beweegbare spoel.Fig. 2 shows a block diagram of an embodiment of the device according to the invention. The device is provided with a position sensor 5, which can be any known type of position sensor, such as an inductive position sensor. For example, the sensor 5 can be a rotary converter with a stationary coil and a freely rotatable coil, which provides an alternating voltage proportional to the angular position of the movable coil.

De werking van een dergelijke sensor is als volgt: de stationaire (primaire) spoel wordt gevoed met een bekrachti-35 gingsstroom, welke een magnetisch veld opwekt. De beweeg bare (secundaire) spoel bestaat uit twee in serie geschakel- 75 0 17 14 - · 4 de spoelen. In de nulstand zijn de spanningen/ die in de beide spoelen van de secundaire spoel worden geïnduceerd/ gelijk/ doch met tegengesteld teken, waardoor geen uit-gangsspanning wordt verkregen. Als de beweegbare spoel 5 ten opzichte van de stationaire spoel wordt verdraaid, neemt de koppeling tussen de primaire en ëën van de beide secundaire spoelen toe, terwijl de koppeling tussen de primaire en de andere van de secundaire spoelen afneemt. Dit resulteert in een uitgangsspanning, die evenredig is 10 met de hoekstand van de secundaire spoel ten opzichte van de primaire spoel. In de nulstand is de uitgangsspanning nul. De uitgangsspanning neemt lineair toe met de hoek-verdraaiing in beide richtingen vanuit de nulpositie van de secundaire spoel. De beweegbare spoel is gewoonlijk 15 op een object (niet weergegeven) gemonteerd, waarvan de positie dient te worden gemeten. De stationaire spoel is nabij de beweegbare spoel vast aangebracht.The operation of such a sensor is as follows: the stationary (primary) coil is supplied with an excitation current, which generates a magnetic field. The movable (secondary) coil consists of two series-connected 75 0 17 14 - 4 coils. In the zero position, the voltages / which are induced in the two coils of the secondary coil are / equal / but with the opposite sign, so that no output voltage is obtained. When the movable coil 5 is rotated relative to the stationary coil, the coupling between the primary and one of the two secondary coils increases, while the coupling between the primary and the other of the secondary coils decreases. This results in an output voltage which is proportional to the angular position of the secondary coil relative to the primary coil. In the zero position, the output voltage is zero. The output voltage increases linearly with angular rotation in both directions from the zero position of the secondary coil. The movable coil is usually mounted on an object (not shown), the position of which is to be measured. The stationary coil is fixedly mounted near the movable coil.

De aansluitdraden 10 en 11 van de primaire spoel van de positiesensor 5 zijn verbonden met een 20 voedingsbron 4, welke een gebruikelijke, door de sensor benodigde bron kan zijn, zoals een wisselstroombron in geval van een inductieve positiesensor. Als de positiesensor 5 wordt verplaatst tengevolge van de beweging van het object, waarmee de sensor is gekoppeld, leveren de 25 secundaire aansluitingen 12 en 13 van de positiesensor 5 een uitgangssignaal, dat met de stand van de sensor overeenkomt. Het uitgangssignaal wordt geleverd aan een fase-detector 6, welke dit signaal omzet in een gelijkstroom-positiesignaal, dat op uitgangen 16 en 17 beschikbaar 30 komt. De secundaire aansluiting 10 van de positiesensor 5 is behalve met de fasedetector 6 tevens aan een massa-aansluitklem 7 gelegd.The lead wires 10 and 11 of the primary coil of the position sensor 5 are connected to a power source 4, which may be a conventional source required by the sensor, such as an alternating current source in the case of an inductive position sensor. When the position sensor 5 is displaced due to the movement of the object to which the sensor is coupled, the secondary terminals 12 and 13 of the position sensor 5 provide an output signal corresponding to the position of the sensor. The output signal is supplied to a phase detector 6, which converts this signal into a DC position signal, which becomes available on outputs 16 and 17. In addition to the phase detector 6, the secondary connection 10 of the position sensor 5 is also connected to a ground terminal 7.

Teneinde onder alle omstandigheden een minimaal signaalniveau op de secundaire aansluiting 35 12 van de positiesensor 5 te verkrijgen, is een capaci- tief koppelorgaan 3 in een knooppunt 14 met de primaire 7901714 5 aansluiting 10 en in een knooppunt 15 met de secundaire aansluiting 12 verbonden. Het capacitieve koppelorgaan 3 kan bijvoorbeeld een plaatcondensator, een keramische condensator of dergelijke zijn en kan al dan niet met een 5 weerstand in serie zijn geschakeld.In order to obtain a minimum signal level on the secondary terminal 35 12 of the position sensor 5 under all circumstances, a capacitive coupling member 3 is connected in a node 14 to the primary 7901714 terminal 10 and in a node 15 to the secondary terminal 12. The capacitive coupling member 3 can for instance be a plate capacitor, a ceramic capacitor or the like and may or may not be connected in series with a resistor.

Door het aanbrengen van het capacitieve koppelorgaan 3 wordt onder alle omstandigheden een minimaal signaalniveau op de secundaire aansluiting 12 gewaarborgd, welke de uitgang van de positiesensor 5 vormt. Dit minima-10 le signaalniveau moet aanwezig zijn als de sensor 5 op de juiste wijze werkt. Zoals in fig. 1 is weergegeven, heeft het uitgangssignaal 2 bij toepassing van de capacitieve koppeling 3 altijd een waarde, die groter is dan of gelijk aan het signaal in het nulpunt 2a. Dit wordt veroorzaakt 15 door de capacitieve koppeling tussen de primaire aanslui ting 10 en de secundaire aansluiting 12, waardoor een minimaal signaal 2a wordt verkregen, waarvan de grootte afhankelijk is van het type en de grootte van het capacitieve koppelorgaan 3.By applying the capacitive coupling member 3, a minimum signal level is ensured under all circumstances on the secondary connection 12, which forms the output of the position sensor 5. This minimum signal level must be present if the sensor 5 is operating correctly. As shown in Fig. 1, when the capacitive coupling 3 is used, the output signal 2 always has a value which is greater than or equal to the signal in the zero point 2a. This is caused by the capacitive coupling between the primary connection 10 and the secondary connection 12, whereby a minimum signal 2a is obtained, the size of which depends on the type and the size of the capacitive coupling member 3.

20 Door dit minimale signaalniveau kan een niveaudetector 9 onder alle omstandigheden de secundaire aansluiting 12 bewaken. Een tweede ingang van de niveaudetector 9 is met een massa-aansluiting 8 verbonden. De niveaudetector 9 kan uit elk geschikt orgaan bestaan, 25 dat aangeeft, wanneer een signaal beneden een referentie- signaal ligt. Afhankelijk van het type en de grootte van het capacitieve koppelorgaan 3 is een bepaalde referentiewaarde aangesloten op de aansluitklemmen 18 en 19 van de niveaudetector 9. Dit referentieniveau is gelijk aan het 30 minimumsignaal 2a en wordt door de niveaudetector 9 verge leken met het uitgangssignaal van de secundaire aansluiting 12, waarop de niveaudetector 9 in het knooppunt 15 is aangesloten. Hierdoor is altijd een bepaalde waarde beschikbaar, die in alle standen van de sensor 5 kan worden be-35 waakt. Wanneer het uitgangssignaal van de secundaire aan sluiting 12 beneden de referentiewaarde komt, geeft de 7901714 6 niveaudetector 9 aan, dat de sensor 5 niet juist werkt.Because of this minimum signal level, a level detector 9 can monitor the secondary connection 12 under all circumstances. A second input of the level detector 9 is connected to a ground terminal 8. The level detector 9 can be any suitable means, which indicates when a signal is below a reference signal. Depending on the type and size of the capacitive coupling element 3, a certain reference value is connected to the terminals 18 and 19 of the level detector 9. This reference level is equal to the minimum signal 2a and is compared by the level detector 9 to the output signal of the secondary terminal 12, to which the level detector 9 in node 15 is connected. As a result, a certain value is always available, which can be monitored in all positions of the sensor 5. When the output signal from the secondary terminal 12 falls below the reference value, the 7901714 6 level detector 9 indicates that the sensor 5 is not working properly.

In tegenstelling tot de bekende inrichtingen vindt deze bewaking voor het gehele werkgebied van de positiesensor plaats/ waaronder het nulpunt of het punt in het midden van 5 het werkbereik, zoals in fig. 1 is aangegeven. De fase- detector 6 reageert niet op de door de capacitieve koppeling veroorzaakte spanningscomponent, die door het capacitieve koppelorgaan 3 wordt geleverd, en het normale uit-10 gangssignaal op de uitgangen 16 en 17 van de fasedetector 6 wordt niet beïnvloed.In contrast to the known devices, this monitoring takes place for the entire working range of the position sensor / including the zero point or the point in the middle of the working range, as shown in Fig. 1. The phase detector 6 does not respond to the voltage component caused by the capacitive coupling supplied by the capacitive coupler 3, and the normal output signal at the outputs 16 and 17 of the phase detector 6 is not affected.

Als toepassing voor de beschreven inrichting kan bijvoorbeeld worden genoemd het bepalen van de positie van een uitgangsas van een elektromechanisch bedie-15 ningsorgaan, dat bij een snelheidsregelaar van een gastur-binemotor wordt toegepast. Het elektromechanische bedie-ningsorgaan wordt bestuurd door een elektronisch besturings-orgaan, dat de snelheid meet en indien nodig een correctie-signaal aan de motor levert. Het bedieningsorgaan is me-20 chanisch gekoppeld aan de aandrijving van de smoorklep, zodat de besturing door een bedieningsman niet wordt belemmerd.As an application for the described device, mention can be made, for example, of determining the position of an output shaft of an electromechanical actuator, which is used with a speed controller of a gas turbine engine. The electromechanical actuator is controlled by an electronic controller, which measures speed and, if necessary, supplies a correction signal to the motor. The operating member is mechanically coupled to the throttle valve drive, so that control by an operator is not obstructed.

Hoewel in de beschrijving een inductieve positiesensor wordt genoemd, wordt opgemerkt, dat de uit-25 vinding kan worden toegepast bij verschillende industriële toepassingen, waarbij een sensorbewaking nodig is, terwijl behalve een capacitieve ook andere koppelingen kunnen worden toegepast.Although an inductive position sensor is mentioned in the description, it is noted that the invention can be applied in various industrial applications, where sensor monitoring is required, while other couplings can be used in addition to a capacitive one.

De uitvinding is niet beperkt tot het 30 in het voorgaande beschreven uitvoeringsvoorbeeld, dat binnen het kader der uitvinding op verschillende manieren kan worden gevarieerd.The invention is not limited to the exemplary embodiment described above, which can be varied in a number of ways within the scope of the invention.

79017147901714

Claims (6)

1. Inrichting voor het aangeven van de hoekstand van een object, voorzien van een sensor, die met het object is gekoppeld en waarvan de ingang op een energiebron aansluitbaar is, terwijl de uitgang een signaal 5 levert, dat overeenkomt met de hoekstand van het object, alsmede van een niveaudetector, die met de sensoruitgang is gekoppeld en het uitgangssignaal hiervan bewaakt en die een storing signaleert, als het uitgangssignaal beneden een minimaal niveau komt, met het kenmerk, 10 dat de sensoringang door middel van een capacitief koepel orgaan is verbonden met de sensoruitgang, waardoor het uitgangssignaal van de sensor een bepaalde minimale, van nul afwijkende waarde krijgt, waarbij de niveaudetector een storing aangeeft, als het uitgangssignaal beneden deze 15 bepaalde minimale waarde ligt.1. Device for indicating the angular position of an object, provided with a sensor, which is coupled to the object and whose input is connectable to an energy source, while the output provides a signal 5 corresponding to the angular position of the object as well as a level detector coupled to the sensor output and monitoring its output signal and signaling a malfunction if the output signal falls below a minimum level, characterized in that the sensor input is connected by means of a capacitive dome member to the sensor output, as a result of which the output signal of the sensor gets a certain minimum value, deviating from zero, the level detector indicating a malfunction, if the output signal is below this determined minimum value. 2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een fasedetector is verbonden met de sensoruitgang, welke fasedetector een uitgangssignaal levert, dat de fase van de hoekstand van het 20 object aangeeft.2. Device according to claim 1, characterized in that a phase detector is connected to the sensor output, which phase detector supplies an output signal which indicates the phase of the angular position of the object. 3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het capacitieve koppel-orgaan uit een condensator bestaat, die enerzijds op de ingang en anderzijds op de uitgang van de sensor is aange- 25 sloten.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the capacitive coupling member consists of a capacitor, which is connected on the one hand to the input and on the other to the output of the sensor. 4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3,met het kenmerk, dat de sensor een inductieve positiesensor is.Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the sensor is an inductive position sensor. 5. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 30 3,met het kenmerk, dat de sensor een roteren de omzetter is, waarbij de sensoringang een stationaire spoel is, die vast is gemonteerd,terwijl de sensoruitgang een beweegbare spoel is, die nabij de stationaire spoel aan het object is bevestigd. 7901714 V5. Device as claimed in claim 1, 2 or 30, characterized in that the sensor is a rotary converter, the sensor input being a stationary coil, which is fixedly mounted, while the sensor output is a movable coil, which is close to the stationary coil is attached to the object. 7901714 V 6. Inrichting volgens ëën der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de niveau-detector een orgaan omvat, dat aangeeft, wanneer de spanning van het uitgangssignaal beneden de bepaalde minimale 5 waarde ligt. 79 0 1 7 1 46. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the level detector comprises a means which indicates when the voltage of the output signal is below the determined minimum value. 79 0 1 7 1 4