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Schaltungsanordnung zur Induktivitätsmessung
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Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Messung von Indunktivitätswerten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Induktivitätswerte werden in der allgemeinen elektrischen Meßtechnik
durch Bestimmung des Wechselstromwiderstandes der Induktivität bei einer festen
Frequenz oder zu Bestimmung der Frequenzabhängigkeit des Induktivitätswertes bei
verschiedenen in einer Reihe abgestuften Frequenzen gemessen. Ein Meßverfahren unter
Verwendung
eines Schwingkreises zur Bestimmung des Induktivitätswertes durch Zusammenschaltung
der Induktivität mit einer bekannten Kapazität zu einem Schwingkreis mittels Messung
der Resonanzfrequenz des Schwingkreises wird selten angewandt. Nach derartigem Meßprinzip
arbeitende Meßgeräte sind unüblich. Der Grund hierfür dürfte in dem bisher notwendigen,
relativ großen apparativen Aufwand zur Durchführung solcher Meßverfahren und der
Notwendigkeit einer nachträglichen Umrechnung liegen, obwohl es den Vorzug hat,
nicht körperlich vorhandene Widerstände verändern zu müssen, sondern apparativ erzeugbare
Frequenzen bis zu einem Meßkriterium verändern zu können.
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Induktivitätsmessungen werden insbesondere für die Erfassung nicht
elektrischer Größen im Kraftfahrzeug immer interessanter, da Meßwertgeber, die nach
einem solchen Verfahren arbeiten, sich leicht herstellen lassen, robusten Aufbau
und lange Lebensdauer haben.
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Den vorteilhaften Gebereigenschaften stand bisher der Nachteil gegenüber,
daß die Induktivitäts-Meßverfahren aufwendige Einrichtungen erforderten, die insbesondere
den Einsatz derartiger Meßwertgeber im Kraftfahrzeug erschwerten.
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Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung
der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die bei geringem Aufwand hohe Meßgenauigkeit
und Zuverlässigkeit aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils
des Anspruchs 1.
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Das Wesen der Erfindung liegt in der Anwendung des an sich bekannten
aber selten benutzten Verfahrens der Induktivitätsmessung mittels Bestimmung der
Resonanzfrequenz eines aus der zu messenden Induktivität und einem bekannten Kondensator
zusammengeschalteten Schwingkreises bei Anregung desselben durch eine gewobbelte
Frequenz wobei ein geeignet programmierter Mikroprozessor über eine seiner Ausgangsleitungen
eine Erregerschaltung zur Erzeugung der Wobbelfrequenz ansteuert und an den Schwingkreis
ein Detektorkreis angeschlossen ist, der ausgangsseitig mit einem Eingang des Mikroprozessors
zur Überprüfung der Schwingkreisamplitude verbunden ist.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil,
daß sie aus sehr wenigen, allgemein üblichen Bauelementen aufgebaut werden kann,
so daß der Aufwand also gering ist.
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Weiterhin kann mittels geeigneten Programmes die Wobbelfrequenz so
gelegt werden, daß bei sonst bekannten Eigenschaften der zu messenden Induktivität
eine hohe Genauigkeit erreicht wird, und daß die Frequenzerzeugung digital erfolgt
und somit über lange Zeit und gegenüber Temperaturschwankungen stabil arbeitet.
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Das Merkmal nach Anspruch 2 bietet den Vorteil, daß der Detektorkreis
sehr einfach gehalten werden kann bei gleichzeitiger hoher Empfindlichkeit, daß
mittels Einstellung der Komparatorschwelle eine Anpassung an die Resonanzgüte möglich
ist, ohne das Programm des
Mikroprozessors ändern zu müssen, und
daß vom Komparatorkreis ein Logiksignal abgegeben wird, das einem Digital-Eingang
des Mikroprozessors unmittelbar zugeführt werden kann.
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Durch das Merkmal nach Anspruch 3 kann der Mikroprozessor während
einer Induktivitätsmessung noch andere Aufgaben übernehmen, da er nicht ständig
für die Erzeugung der Wobbelfrequenz bereit stehen muß. Eine anderweitige vielseitige
Verwendung des Mikroprozessors ist möglich.
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Die Merkmale nach Anspruch 4 ermöglichen die Abfrage des Amplitudenschwingkreises
nach einer Anregungs-Periode, so daß das Zeitverhalten der gesamten Meßeinrichtung
einfach und übersichtlich wird, wodurch exakte Messungen gewährleistet werden.
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Zeichnung Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles der Erfindung.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltanordnung mit Mikroprozessor, Erregerschaltung,
Schwingkreis mit zu messender Induktivität und impulsverlängerndem Komparator als
Detektorkreis, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung des Detektorkreises mit Schwellwertschalter
als Komparator, Fig. 3 die Amplitude des Schwingkreises bei abschnittsweiser Erregung
mit Wobbelfrequenz und
Fig. 4 das Ausgangssignal des als Komparator
mit Impulsverlängerung ausgebildeten Detektors.
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Beschreibung des Ausführungsbeispieles Ein Ausgang 1 eines Mikroprozessors
2 ist über eine Verbindung 3 mit einem Eingang 4 einer Erregerschaltung 5 verbunden.
Ein Ausgang 6 der Erregerschaltung 5 ist über ein RC-Glied 7 an einen Schwingkreis
8 angeschlossen., wobei der Schwingkreis 8 aus einer Spule als Induktivität 9 und
einem zu ihr parallel liegenden Kondensator als Kapazität 10 besteht. Der Schwingkreis
8 ist über eine Leitung 11 an einen mit strichpunktierter Linie umrandeten Detektorkreis
12 angeschlossen, bei dem Widerstände 13, 14, 15 eine Eingangsbeschaltung eines
Komparators 16 vornehmen und ein Kondensator 17 impulsverlängernde Wirkung ausübt.
Ein Ausgang 18 der Detektorschaltung 12 ist mit einem Eingang 19 des Mikroprozessors
2 verbunden.
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Aus der nachfolgenden näheren Erläuterung ergibt sich auch die Wirkung
der Schaltung. Dabei wird auf alternative Ausführungsmöglichkeiten hingewiesen.
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Auf den Ausgang 1 des Mikroprozessors 2 werden in diesem per Programm
erzeugte Impulse gleichen Abstands gegeben, die eine durch ihren zeitlichen Abstand
festgelegte Impulsfrequenz aufweisen. Als Ausgang 1 können verschiedene Ausgänge
von Mikroprozessoren verwendet werden. Sofern spezielle Impulsausgänge an dem Mikroprozessor
für die Ausgabe von extern zu verwendenden Signalen vorhanden sind, wird man diese
benutzen. Falls solche Leitungen nicht gegeben sind,ist es durchaus möglich, eine
spezielle
Adressleitung für diesen Zweck zu verwenden, sofern die
Adressleitung nicht vom Programm während der Impuls-Ausgabe benötigt wird. Derartige
Adressleitungen lassen sich immer finden, so daß von jedem Mikroprozessor ohne besondere
Zusatzmaßnahmen derartige Impulsgruppen ausgesandt werden können.
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Die vom Mikroprozessor 2 ausgesandten Impulse erreichen über die Verbindung
3 die Erregerschaltung 5. Diese hat die Aufgabe, die vom Mikroprozessor 2 abgegebenen
Impulse optimal an den Schwingkreis 8 ankoppeln zu können.
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Je nach Art des eingesetzten Mikroprozessors sind unterschiedliche
Maßnahmen erforderlich, für die hier einige Beispiele gegeben werden sollen: Gibt
der Mikroprozessor 2 nur Nadelimpulse ab, muß der Schwingkreis 8 jedoch mit Signalen
gleichmäßigeren Energieinhaltes angestoßen werden, so kann die Erregerschaltung
5 ein Flip-Flop sein, das von den Ausgangsimpulsen des Mikroprozessors 2 umgeschaltet
wird. Dadurch wird eine, zwar nicht sinusförmige, aber doch wenigstens rechteckige
Signalform für die Erregung des Schwingkreises 8 erhalten.
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Wenn der Mikroprozessor 2 einen stationären Port-Ausgang hat, dann
ist ein impulsverbreiterndes Flip-Flop nicht erforderlich. Eine Erregerschaltung
5 kann dann entfallen, wenn der Mikroprozessor genügend Energie an seinen Ausgang
1 abgeben kann.
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Ist der Ausgang des Mikroprozessors 2 zu hochohmig, um den Schwingkreis
treiben zu können, dann kann die Erregerschaltung 5 ein Impedanzwandler sein.
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Mittels des RC-Gliedes 7 wird die Stärke der Ankopplung des Schwingkreises
8 an die Erregerschaltung 5 optimal eingestellt. Es wird erreicht, daß der Schwingkreis
8 bei minimal zugeführter Energie der Anregung innerhalb von 10 Perioden jeweils
seine Maximal-Amplitude erreicht hat.
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Alternativ zum getrennten Aufbau von Erregerschaltung 5 und RC-Glied
7 ist es durch geeignete Gestaltung der Erregerschaltung 5 möglich, daß diese die
Aufgaben des RC-Gliedes übernimmt: Die Erregerschaltung 5 hat Schalter-Eigenschaften
oder kann durch einen Schalter selbst ersetzt werden. Im Prinzip ist es für niedrige
Frequenzen denkbar, diesen Schalter mit Kontakten aufzubauen.
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Der Ausgang 6 der Erregerschaltung 5, die Schalteigenschaften haben
soll, kann Tri-State-Eigenschaften haben.
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Wenn ein Mikroprozessor 2 mit Tri-State-Ausgang verwendet wird, können
Erregerschaltung 5 und RC-Glied 6 fortgelassen werden und der Schwingkreis 8 unmittelbar
an den Ausgang 1 des Mikroprozessors 2 angeschlossen werden.
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Die Kapazität 10 des Schwingkreises 8 wird so gewählt, daß mit der
Induktivität 9 die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 8 in einem Frequenzbereich
erreicht wird, in dem die Induktivität optimal meßbar ist. Das bedeutet, daß in
diesem Frequenzbereich keine besonderen, nicht linearen Eigenschaften der Induktivität
9 auftreten, die zu Meßungenauigkeiten führen würden.
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Die Ankopplung des Komparators 16 an den Schwingkreis 8 erfolgt über
den Widerstand 13. Dieser Widerstand 13 kann
entfallen, wenn der
Komparator 16 an seinem nicht invertierenden Eingang 20 eine hohe Eingangsimpedanz
aufweist, die die Belastung des Schwingkreises 8 gering hält. Da der Schwingkreis
8 jedoch nicht nur positive, sondern auch negative Spannungen während seines Arbeitens
abgeben kann, ist diese Bedingung nicht immer sichergestellt, weswegen der Widerstand
13 eingeführt wird. Der invertierende Eingang 21 des Komparators 16 ist mit der
Widerstandskombination 14, 15 als Spannungsteiler verbunden, die zwischen der positiven
Versorgungsspannung der Schaltung und dem Null-Potential (Erde) liegt. Damit wird
am invertierenden Eingang eine von Null verschiedene positive Referenz vorgegeben.
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Alternativ zum Komparator kann auch ein Schwellwertschalter 16a mit
fester Schaltschwelle verwendet werden, wie er in Form von CMOS-Gattern handelsüblich
ist. Eine Eingangsbeschaltung mittels der Widerstände 14a, 15a ermöglicht Anpassung
des Eingangssignales an die feste Schaltschwelle des Schwellwertschalters und damit
die Einstellung der Ansprech-Amplitude des Schwingkreises 8 für den Resonanzfall
(Fig. 2).
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Sobald die Spannung am Schwingkreis 8 eine Amplitude erreicht, die
oberhalb derjenigen liegt, die vom Spannungsteiler 14, 15 vorgegeben wird, schaltet
der Komparator 16 von einem niedrigen auf ein hohes Ausgangssignal um.
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Der an seinen Ausgang angeschaltete Kondensator 17 wirkt impulsverlängernd,
indem er sowohl das Einschalten, als auch das Ausschalten des Komparator-Sprunges
durch Belastung des Ausgangs verzögert.
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Wahlweise kann zur weiteren Impulsverlängerung und Entlastung des
Komparatorausganges eine Kombination aus Widerstand 22 und Diode 23 oder nur der
Widerstand 22 allein eingefügt werden. Über die Diode 23 wird der Kondensator 17
vom Komparatorausgang in minimaler Zeit aufgeladen, während der Widerstand 22 nur
eine langsamere Entladung des Kondensators 17 zuläßt. Der Kondensator 17 stellt
somit mit seinem nicht masseseitigen Anschluß den Ausgang 18 der Detektorschaltung
12 dar.
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Dieser ist mit dem Eingang 19 des Mikroprozessors 2 verbunden. Der
Eingang 19 kann ein bei vielen Mikroprozessoren verhandener Abfühl-Eingang für externe
Signale sein, wie er etwa als serieller Eingang oder als speuieller "Sense"-Eingang
oftmals gegeben ist.
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Sollte ein solcher Eingang nicht vorhanden sein, läßt sich auch? der
meist vorhandene Interrupt-Eingang des Mikroprozessors 2 verwenden, solange derselbe
noch nicht anderweitig belegt ist. Ist auch diese Möglichkeit bei dem eingesetzten
Mikroprozessor 2 nicht mehr gegeben, muß ein in der Figur 1 punktiert angedeutetes
Gatter 24 eingesetzt werden, das dann die Zuführung des Komparatoraignales auf einen
Daten-Eingang des Mikroprozessors 2 gestattet. Das Gatter wird von einer sonst vom
Mikroprozessorprogramm nicht benötigten Adressleitung oder einer Kombination derselben
durchlässig gemacht.
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Auf diese Weise ist wiederum praktisch jeder handelsübliche Mikroprozessor
2 für den Empfang des Detektorsignales geeignet. Es erübrigt sich somit, bezüglich
des Mikroprozessors 2 besondere Vorschriften zu machen.
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Das in der Figur 1 punktiert angedeutete Gatter 24 kann statt von
interner Steuerung durch den Mikroprozessor auch extern angesteuert werden.
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Eine Alternative zum Einsatz des CMOS-Gatters als Komparator 16 kann
darin bestehen, daß ein Mikroprozessor 2 verwendet wird, der einen Eingang 19 aufweist,
der als Eingangs-Port wirkt und wegen CMOS Aufbau des Mikroprozessors 1 Schwellwertigenschaften
hat.
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Das vom Mikroprozessor 2 benutzte Programm hat bezüglich der Frequenzerzeugung
folgende Wirkung: Nach einer Arbeitsphast 1 in der anderweitig zu bearbeitende Aufgaben
vom Mikroprozessor 2 erledigt werden, alufen Zeitschleifen ab, die durch die von
ihnen repräsentierten Arbeitsschritte des Mikroprozessors 2 Zeitintervalle darsiellen.
Innerhalb einer jeden Zeitschleife wird ein Impuls auf den Ausgang 1 abgegeben.
Es ergeben sich Zeittnkt-Impulse gleichen Abstandes, die dei Wobbelfrequenz repräsentieren.
Die Zahl der abgegeben Impulse wird entweder von einem Zähler des Mikroprozessors
2 aufsunmiert oder ist durch mehrere gleiche Prohrammteile gegeben, die seriell
abgearbeitet werden. Nach Erteichen einer vorgegebenen Grenze schaltet die Zeitintervall-Routine
ab. Der Schwing-@@eis 8 hat jetzt z. B. zehn Impulse erhalten. Diese Impulse hal@@@
eine Schwingamplitude am Schwingk@@t 8 gemäß Fig. 1 erzeugt (Spannung 9 über Zeit
1).
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Der @@@@@@ ihr is 12 mit impulsverlängerndem Kondensator 17 gibt Signale
gemäß Fig. 4 ab, wenn die Komparatorschwelle überschritten wird (Spannung U über
Zeit t).
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Unmittelbar an die Aussendung der Impulsfolge schließt sich ein Programmteil
des Mikroprozessors 2 an, der den an den Detektor 12 angeschlossenen Eingang 19
des Mikroprozessors 2 überwacht, d. h. den hier anstehenden Zustand abfragt. Wenn
die Impulsverlängerung des Detektors 12, die nur wenige Mikrosekunden lang zu sein
braucht, von solcher Art ist, daß der Uberschreitungszustand des
Komparators
16 noch vorhanden ist, dann wird der Mikroprozessor 2 den Zustand des Komparators
16 erkennen, den dieser nach einer Zeit erreicht hat, nach der die vom Mikroprozessor
angeregte Schwingung des Schwingkreises 8 als stationär anzunehmen ist. Es wird
erkannt, ob die für die Resonanz festgesetzte Schwelle überschritten ist.
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Daran schließt sich eine Arbeitsphase des Mikroprozessors 2 für andere
Aufgaben an, deren Zeitdauer nicht festgelegt sein muß. Erst nach Abschluß dieser
Aufgaben braucht der Mikroprozessors 2 mit seinem Programm wieder auf die Induktivitätsmessung
zu kommen.
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Erfolgt die Wobbelung von niederen Frequenzen her kommend, die so
festgelegt sind, daß oberhalb derselben für den in Betracht kommenden Bereich der
Induktivitätswerte eine Resonanz zu erwarten ist, dann wird man sich mit zunehmender
Wobbel-Frequenz der Resonanzfrequenz näher und sie schließlich erreichen. Sobald
dann die vorgegebene Schwelle des Komparators 16 überschritten wird, wird der Wobbelvorgang
gestoppt. Die zuletzt vom Mikroprozessor 2 ausgesandte Frequenz der Impulsfolge
ist bekannt. Aus ihr kann der Wert der Induktivität oder bei Einsatz zur Messung
nichtelektrischer Größen der ihr entsprechende Wert einer anderen physikalischen
Größe vom Mikroprozessor 2 errechnet und verwertet werden.