DE10120822C2 - Inductive displacement sensor with linear characteristic behavior - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Wegmessaufnehmer.The invention relates to an inductive Position transducer.
Ein induktiver Wegmessaufnehmer ist aus der FR 2 682 760 A1 bekannt geworden. Bei diesem Wegmessaufnehmer ist an einem elektrisch isolierenden rechteckförmigen Träger ein entlang des Trägers verschiebbarer Läufer angeordnet, der den Träger U-förmig umschließt und der als Messkopf zur Wegmessung dient. Der Messkopf besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Auf dem Träger sind eine rechteckförmig ausgebildete elektrische Erregerschleife und eine V-förmig ausgebildete Messschleife aufgebracht. Eine an die Erregerschleife angelegte Wechselspannung induziert nach dem Induktionsgesetz über den im Messkopf sich ausbildenden magnetischen Kreis sowie über Luft eine Wechselspannung in der Messschleife. Aufgrund der sich stetig ändernden geometrische Gestalt der Messschleife entlang des Verschiebungsweges des Messkopfes sowie der über den Verschiebungsweg sich nicht ändernden Gestalt der Erregerschleife ändert sich das Ausgangssignal der Messschleife ebenfalls stetig mit einer Verschiebung des Messkopfes entlang des Trägers.An inductive displacement sensor is from FR 2 682 760 A1 known. With this displacement sensor is on an electrically insulating rectangular Carrier is a slider that can be moved along the carrier arranged, which surrounds the carrier in a U-shape and the serves as a measuring head for distance measurement. The measuring head is there made of a ferromagnetic material. On the carrier are a rectangular electrical Excitation loop and a V-shaped Measuring loop applied. One to the pathogen loop applied AC voltage induced after the Law of induction on the one developing in the measuring head magnetic circuit and an AC voltage over air in the measuring loop. Because of the constantly changing geometric shape of the measuring loop along the Displacement path of the measuring head and that over the Displacement does not change shape of the Excitation loop changes the output signal of the Measuring loop also continuously with a shift of the measuring head along the carrier.
In der DE 39 13 861 A1 ist ein ähnlicher Wegmessaufnehmer beschrieben, bei dem der Messkopf allerdings ein elektrisch aktives (induktives) Element aufweist, das Bestandteil eines extern anregbaren Schwingkreises ist. Zusätzlich zur Messschleife ist eine Referenzschleife vorgesehen, die zur Beobachtung einer Steuerspannung des Schwingkreises dient und mittels der Änderungen der Flussdichte, beispielsweise aufgrund einer Spannungsänderung einer Wechselspannungsquelle oder Änderungen der Umgebungstemperatur, erfasst werden können. Hierdurch kann die Flussdichte des durch das induktive Element erzeugten magnetischen Feldes konstant gehalten werden. Das induktive Element induziert dabei in der Messschleife eine Messspannug und in der Referenzschleife eine Referenzspannung. DE 39 13 861 A1 is a similar one Displacement sensor described, in which the measuring head however, an electrically active (inductive) element has, which is part of an externally excitable Resonant circuit is. In addition to the measurement loop a reference loop is provided for observation a control voltage of the resonant circuit is used and by means of changes in flux density, for example due to a change in voltage AC source or changes in Ambient temperature, can be detected. hereby can be the flux density through the inductive element generated magnetic field can be kept constant. The inductive element induces in the Measuring loop a measuring voltage and in the Reference loop a reference voltage.
Ein weiterer Wegmessaufnehmer mit aktivem Messkopf ist aus der DT 26 17 624 A1 bekannt.Another displacement sensor with an active measuring head is known from DT 26 17 624 A1.
Ein induktiver Wegmessaufnehmer mit elektrisch aktivem Messkopf sowie einer Referenzschleife ist auch in der DE 100 16 540 C1 offenbart. Sowohl die Messschleife als auch die Referenzschleife werden dort als Auswerteschleifen verwendet, wobei das Messsignal aus dem Quotienten aus Messspannung und Referenzspannung gebildet wird. Durch die Quotientenbildung werden insbesondere Temperaturdrifts und Lageänderungen des Messkopfes rechnerisch eliminiert.An inductive displacement sensor with an electrically active one Measuring head as well as a reference loop is also in the DE 100 16 540 C1 is disclosed. Both the measuring loop and the reference loop is also there as Evaluation loops are used, the measurement signal being off the quotient of measurement voltage and reference voltage is formed. By forming the quotient in particular temperature drifts and changes in position of the Computationally eliminated measuring head.
Nachteilig bei den aus der DE 39 13 861 A1, der DT 26 17 624 A sowie der DE 100 16 540 C1 hervorgehenden Wegmessaufnehmern ist es, dass der Messkopf aktiv ist und eine ständige Energiezufuhr benötigt, die nur durch bewegte, mitgeführte Leitungen realisierbar ist. Ferner führt die ständige Energiezufuhr zu einem nicht unerheblichen Stromverbrauch. Darüber hinaus entsteht hierdurch auch eine nicht unerhebliche Energiedissipation.A disadvantage of those from DE 39 13 861 A1, DT 26 17 624 A. and DE 100 16 540 C1 emerging It is displacement sensors that the measuring head is active and needed a constant supply of energy that only through moving, carried lines is feasible. Further the constant supply of energy does not lead to one insignificant power consumption. Beyond that arises thereby a not inconsiderable Energy dissipation.
Der Nachteil der in der FR 2 682 760 A1 beschriebenen Anordnung ist, dass Temperatureinflüsse und Lageänderungen des Messkopfes zu unstabilen Messwerten führen, weiterhin dass die Anregung kontinuierlich ist und für verwertbare Signale eine hohe Betriebsleistung erforderlich ist. The disadvantage of that described in FR 2 682 760 A1 Arrangement is that temperature influences and Changes in position of the measuring head to unstable measured values lead, that the suggestion is continuous and high operational performance for usable signals is required.
Weiterhin ist nicht dafür gesorgt, dass der Einfluss der Luftkopplung zwischen Erreger- und Messschleife konstant bleibt und daher als sich nicht verändernder Konstante vom Messwert abgezogen werden kann.Furthermore, it is not ensured that the influence the air coupling between the excitation and measurement loops remains constant and therefore as not changing Constant can be subtracted from the measured value.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen induktiven Wegaufnehmer der beschriebenen Art, dahingehend weiterzuentwickeln, dass dieser ein möglichst stabiles Messsignal über einen weiten Temperaturbereich und/oder Betriebsspannungsbereich ohne wesentliche Beeinflussung durch mechanische Toleranzen liefert und dabei eine niedrige Betriebsleistung benötigt, wobei die Energiedissipation möglichst klein gehalten werden soll. Darüber hinaus soll auch durch einen einfachen, technischen Aufbau ein möglichst gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis erreicht werden.It is therefore the object of the present invention an inductive displacement transducer of the type described, to further develop that this one measurement signal as stable as possible over a wide range Temperature range and / or operating voltage range without significant interference from mechanical Delivers tolerances while maintaining a low Operating power required, with energy dissipation should be kept as small as possible. Furthermore should also have a simple, technical structure achieved the best possible cost / benefit ratio become.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung sieht bei einem elektrisch passiven Messkopf eine in Fig. 1 dargestellte Referenzschleife vor, wobei beim Messvorgang die Amplitude des sie durchsetzenden, magnetischen Flusses durch einen Regelvorgang konstant gehalten wird. Somit bleibt die Messspannung unbeeinflusst von den erwähnten Störgrößen. Der vorgeschlagene passive Messkopf erfordert keine beweglichen Teile oder elektrischen Zuleitungen und ist daher kostengünstig und äußerst zuverlässig realisierbar. Der vorgeschlagene pulsförmige Betrieb bedingt in vorteilhafter Weise eine verringerte Energiedissipation bei den verschiedenen Induktionsvorgängen und ermöglicht somit einen insgesamt niedrigeren Stromverbrauch.This object is achieved by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. In the case of an electrically passive measuring head, the invention provides a reference loop shown in FIG. 1, the amplitude of the magnetic flux passing through it being kept constant by a control process during the measuring process. The measurement voltage thus remains unaffected by the disturbance variables mentioned. The proposed passive measuring head does not require any moving parts or electrical leads and is therefore inexpensive and extremely reliable. The proposed pulsed operation advantageously results in reduced energy dissipation in the various induction processes and thus enables an overall lower power consumption.
Wegen der vorhandenen Regelung durch die Referenzspule bleibt die Lufteinkopplung in die Messspule konstant und kann als Messweg unabhängige Größe kompensiert werden. Die daraus resultierende Quotientenbildung aus Messspannung und Referenzspannung liefert daher unmittelbar die gewünschte Messgröße.Because of the existing regulation by the reference coil the air coupling into the measuring coil remains constant and can be compensated as a measurement path independent size become. The resulting quotient formation The measurement voltage and reference voltage therefore provide immediately the desired measurand.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die in der Referenzschleife induzierte Referenzspannung bzw. der dadurch bedingte Referenzstrom mittels einer Regelung, bevorzugt einer PI-Regelung, konstant gehalten. Diese Maßnahme gewährleistet einen besonders stabilen Betrieb des Wegmessaufnehmers. Mittels der Regelung arbeitet der Wegmessaufnehmer völlig autonom, und liefert unmittelbar, ohne den im Stand der Technik noch erforderlichen rechnerischen Auswertungsschritt, das erwünschte Messsignal.In a preferred embodiment, the in Reference loop induced reference voltage or the resulting reference current by means of a regulation, preferably a PI control, kept constant. This Measure ensures particularly stable operation of the displacement sensor. By means of the regulation works the displacement sensor is completely autonomous and delivers immediately, without that in the prior art required arithmetic evaluation step, the desired measurement signal.
Der ebenfalls vorgeschlagene niederohmige Betrieb der Messschleife bzw. Referenzschleife hat den Vorteil, dass der Wegmessaufnehmer und die Schaltungsanordnung unempfindlicher werden gegenüber äußeren Störeinflüssen, wie z. B. elektromagnetischen oder kapazitiven Einstreuungen.The also proposed low-resistance operation of the Measuring loop or reference loop has the advantage that the displacement sensor and the circuit arrangement become less sensitive to external Interferences, such as B. electromagnetic or capacitive interference.
Aus der nachfolgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung, wobei identische oder funktional gleiche Merkmale mit identischen Bezugszahlen bezeichnet sind.From the following description of drawings illustrated embodiments result further features and advantages of the invention, wherein identical or functionally the same features identical reference numerals.
Dabei zeigen im Einzelnen:The following show in detail:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wegmessaufnehmers; Fig. 1 is a perspective view of a Wegmessaufnehmers invention;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Erreger, Mess- und Referenzschleife; Fig. 2 is a schematic plan view of an array of excitation, measuring and reference loop according to the invention;
Fig. 3 ein Blockschaltschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb eines in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wegmessaufnehmers; Fig. 3 is a block circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention a Wegmessaufnehmers operating in the Figures 1 and 2 shown.
Fig. 4 an einem erfindungsgemäßen Wegmessaufnehmer gemessene Kennlinien Spannung über Messkopfverschiebung mit PI-Reglerstufe. Fig. 4 characteristic curves measured on a displacement transducer according to the invention voltage over measuring head displacement with PI controller stage.
Der in Fig. 1 gezeigte Wegmessaufnehmer weist einen Messkopf 10 (Positionsgeber) auf, der in einer gezeigten x-Richtung entlang einer Anordnung von Leiterschleifen, und zwar einer Erregerschleife 20, einer Messschleife 30 sowie einer Referenzschleife 40, verschieblich ausgebildet ist. Der linear verschiebliche Messkopf 10 stellt jedoch nur ein Ausführungsbeispiel dar und kann jede beliebige Verschiebungskurve, beispielsweise eine kreisförmige oder elliptische Verschiebungskurve, beschreiben.The displacement sensor shown in FIG. 1 has a measuring head 10 (position transmitter) which is designed to be displaceable in an x direction shown along an arrangement of conductor loops, specifically an excitation loop 20 , a measuring loop 30 and a reference loop 40 . However, the linearly displaceable measuring head 10 represents only one exemplary embodiment and can describe any displacement curve, for example a circular or elliptical displacement curve.
Der Messkopf 10 besteht aus einem magnetisch permeablen Material, im vorliegenden Beispiel aus einem Ferritkern, kann jedoch auch aus einem Material mit ferromagnetischen Eigenschaften gebildet sein. Beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung 50 an der Erregerschleife 20, bildet sich ein durch Magnetfeldlinien 60 angedeutetes Magnetfeld aus, dessen Flusslinien den Innenbereich der Erregerschleife 20 sowie die Innenbereiche der Messschleife 30 und der Referenzschleife 40 durchstoßen und im Bereich des Ferritkerns 10 aufgrund der Magnetisierbarkeit des Ferritmaterials in bekannter Weise gebündelt bzw. konzentriert werden. Die im Bereich des Ferritkerns 10 sich ausbildenden magnetischen Kreise durchstoßen daher die Messschleife 30 und die Referenzschleife 40 in diesem Bereich verstärkt. Da der Messkopf 10 lediglich passiv in Erscheinung tritt, handelt es sich hier somit um einen sogenannten "passiven Messkopf".The measuring head 10 consists of a magnetically permeable material, in the present example a ferrite core, but can also be formed from a material with ferromagnetic properties. When an electrical alternating voltage 50 is applied to the excitation loop 20 , a magnetic field, indicated by magnetic field lines 60 , is formed, the flux lines of which penetrate the inside of the excitation loop 20 and the inside of the measuring loop 30 and the reference loop 40 and in the area of the ferrite core 10 due to the magnetisability of the ferrite material be bundled or concentrated in a known manner. The magnetic circles which form in the area of the ferrite core 10 therefore penetrate the measuring loop 30 and the reference loop 40 in this area to a greater extent. Since the measuring head 10 only appears passively, this is a so-called "passive measuring head".
Die Messschleife 30 weist entlang der Wegmessstrecke x, im Gegensatz zur Referenzschleife 40, einen dreieckförmigen Verlauf auf. Daher variiert der Anteil der die Messschleife 30 in Höhe des Ferritkerns 10 durchstoßenden Magnetfeldlinien etwa linear mit der Wegstrecke x, wohingegen der Anteil im Falle der Referenzschleife 40 über die Wegstrecke x konstant ist. In contrast to the reference loop 40 , the measuring loop 30 has a triangular course along the distance measuring section x. Therefore, the proportion of the magnetic field lines penetrating the measuring loop 30 at the level of the ferrite core 10 varies approximately linearly with the distance x, whereas in the case of the reference loop 40 the proportion is constant over the distance x.
Aus der linearen Abweichung des in der Messschleife 30 induzierten Messstroms läßt sich nach vorheriger Kalibrierung somit die Position x berechnen. Durch Quotientenbildung des ermittelten Messstroms 12 in der Messschleife und des ermittelten Referenzstroms 13 in der Referenzschleife lassen sich gleichzeitig in der Messschleife und der Referenzschleife auftretende Störeinflüsse weitgehend eliminieren.The position x can thus be calculated from the linear deviation of the measurement current induced in the measurement loop 30 after prior calibration. By forming the quotient of the measured current 12 determined in the measurement loop and the determined reference current 13 in the reference loop, interferences occurring in the measurement loop and the reference loop can be largely eliminated at the same time.
Fig. 2 zeigt schematisch die elektrische Messanordnung des in Fig. 1 gezeigten Wegmessaufnehmers. Die Messschleife sowie die Referenzschleife werden niederohmig betrieben, wobei die Impedanzen R2 und R3 nur wenige Ohm mit R2,3 <= 10 Ohm, z. B. 2 Ohm, bei der Arbeitsfrequenz entsprechen. Wegen des zu vernachlässigenden Spannungsabfalls über die Mess- und Referenzschleife ergibt sich demnach ein reiner Strommessbetrieb der gezeigten Anordnung, wobei U1 die an der Erregerschleife anliegende Spannung, i1, i2, i3 die in den jeweiligen Leiterschleifen fließenden Ströme und R1, R2, R3 die jeweiligen Impedanzen der einzelnen Schleifen bedeuten. Aufgrund dieses niederohmigen Betriebs des Wegmessaufnehmers ist dieser nahezu unempfindlich gegen äußere Störeinflüsse wie EMV- Störungen. FIG. 2 schematically shows the electrical measuring arrangement of the displacement sensor shown in FIG. 1. The measuring loop and the reference loop are operated with low impedance, the impedances R2 and R3 being only a few ohms with R2.3 <= 10 ohms, e.g. B. 2 ohms, correspond to the working frequency. Because of the negligible voltage drop across the measuring and reference loop, this results in a pure current measurement operation of the arrangement shown, U1 the voltage applied to the excitation loop, i1, i2, i3 the currents flowing in the respective conductor loops and R1, R2, R3 the respective ones Impedances of the individual loops mean. Due to this low-resistance operation of the displacement sensor, it is almost insensitive to external interference such as EMC interference.
Beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Erregerschleife 20, und zwar im vorliegenden Beispiel eines periodisch für jeweils nur etwa 1 µsec anliegenden, mit etwa 10 kHz schwingenden Rechtecksignals, wird durch die Erregerschleife 20 (kurzzeitig) ein Magnetfeld aufgebaut, welches über den Ferritkern konzentriert wird und sowohl in die Mess- als auch in die Referenzschleife einkoppelt. Die Einkopplung über den Ferritkern erfolgt bei der Messschleife 30 in einem Flächensegment S2 und bei der Referenzschleife 40 in einem Flächensegment S3. Zusätzlich koppeln die Stromschleifen gegenseitig über Luft ein, d. h. insbesondere die Erregerspule 20 über Luft in die Mess- und Referenzspule und im Wege einer Gegeninduktion auch die Messschleife 30 und die Referenzschleife 40 gegenseitig, wobei der Beitrag der Gegeninduktion der Referenzschleife 40 in die Messschleife 30 wegen der unmittelbaren Einflußnahme auf das eigentliche Messsignal dominiert.When an electrical alternating voltage is applied to the excitation loop 20 , specifically in the present example a square-wave signal which oscillates for only about 1 μsec and oscillates with about 10 kHz, the excitation loop 20 (briefly) builds up a magnetic field, which is concentrated via the ferrite core and couples into both the measurement and the reference loop. The coupling via the ferrite core takes place in the measuring loop 30 in a surface segment S2 and in the reference loop 40 in a surface segment S3. In addition, the current loops couple one another via air, that is to say in particular the excitation coil 20 via air into the measuring and reference coil and, by means of a mutual induction, the measuring loop 30 and the reference loop 40 mutually, the contribution of the mutual induction of the reference loop 40 into the measuring loop 30 the direct influence on the actual measurement signal dominates.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Niedrigspannungsversorgung 100 zur elektrischen Versorgung der Erregerschleife 20 auf. Die Spannungsversorgung 100 ist insbesondere als Rechteckimpulsgeber ausgelegt, der Spannungspulse mit einer Pulsdauer von etwa 0,5-5 µsec und einer Signalfrequenz von etwa 5-50 kHz bereitstellt. Diese an der Erregerschleife 20 anliegende Spannung wird mittels des Ausgangssignals 115 eines Proportional/Integral-(PI-)Reglers 110 so eingestellt, dass die Referenzstromamplitude î3 (siehe Fig. 2) während des Messvorgangs konstant ist.The circuit arrangement shown in FIG. 3 has a low voltage supply 100 for the electrical supply of the excitation loop 20 . The voltage supply 100 is designed in particular as a rectangular pulse generator which provides voltage pulses with a pulse duration of approximately 0.5-5 μsec and a signal frequency of approximately 5-50 kHz. This voltage applied to the excitation loop 20 is set by means of the output signal 115 of a proportional / integral (PI) controller 110 such that the reference current amplitude î3 (see FIG. 2) is constant during the measuring process.
Der dem Regler 110 zuzuführende IST-Wert ist die an der Referenzschleife 40 gemessene Referenzstromamplitude î3, die auf einen vorgebbaren SOLL-Wert geregelt wird. Der Referenzstrom wird zunächst über eine SampleSchaltung 140 bezüglich der bei dem Pulsbetrieb auftretenden Stromspitzen ausgewertet. Das von der Sample gelieferte Ausgangssignal, und zwar ein Spannungswert, wird mittels einer Verstärkerstufe 120 verstärkt und schließlich dem Regler 110 zugeführt, wo er mit einer Referenzspannung verglichen wird und so der Strom im Erreger neu geregelt wird.Of the controller 110 to be supplied actual value is measured at the reference loop 40 reference current amplitude I3 is regulated to a predefinable desired value. The reference current is first evaluated via a sample circuit 140 with regard to the current peaks occurring during the pulse operation. The output signal supplied by the sample, namely a voltage value, is amplified by means of an amplifier stage 120 and finally fed to the controller 110 , where it is compared with a reference voltage and the current in the exciter is thus re-regulated.
Die an der Messschleife 30 gemessene Messstromamplitude î2 wird ebenfalls zunächst mittels einer weiteren Sample 150 ausgewertet, der sich ergebende Spannungswert im Anschluss daran verstärkt und liegt dann am Ausgang 160 als Messsignal vor.The measurement current amplitude î2 measured on the measurement loop 30 is likewise first evaluated using a further sample 150 , the resulting voltage value is then amplified and is then available at the output 160 as a measurement signal.
Schließlich zeigt die Fig. 4 an einem erfindungsgemäßen Wegmessaufnehmer gemessenen Fehlerverlauf, d. h. die Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert der in Fig. 3 am Ausgang 160 anliegenden Messspannung über der Messkopfverschiebung x.Finally, FIG. 4 shows an error profile measured on a displacement transducer according to the invention, ie the difference between the setpoint and actual value of the measurement voltage present at output 160 in FIG. 3 over the measuring head displacement x.
Vorteilhafterweise sind sowohl der vorbeschriebene induktive Wegaufnehmer als auch die vorbeschriebene Schaltungsanordnung gleichzeitig auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet und bilden somit eine Einheit.Advantageously, both of the above inductive displacement transducer as well as the one described above Circuit arrangement simultaneously on a single Printed circuit board arranged and thus form a unit.
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