DE102018126645A1 - Schwingungssensor mit Kalibriereinheit und Messgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor (2) für eine Messvorrichtung (1), umfassend:- einen Oszillator, umfassend:◯ einen Resonanzkreis (21) zum Bereitstellen eines Schwingungssignals;◯ eine Verstärkungsstufe (22), die ausgebildet ist, um eine Rückkopplung zum Resonanzkreis (21) bereitzustellen, um Energie zur Anregung des Oszillators zum Aufrechterhalten der Schwingung zu injizieren;o mindestens ein Kalibrierelement (224, 225; 226, 227) zum Einstellen der Leerlaufverstärkung des Oszillators;- eine Kalibriereinheit (24) zum Bereitstellen eines modulierten Kalibrierungssteuersignals (FC, GC) zum selektiven Einstellen einer elektrischen Größe des mindestens einen Kalibrierungselements (224, 225; 226, 227) basierend auf mindestens einem vorbestimmten Tastverhältnis,wobei die Kalibriereinheit (24) ferner ausgebildet ist, um das modulierte Kalibrierungssteuersignal (FC, GC) mit mindestens einer von der Schwingungsfrequenz abhängigen Zyklusfrequenz bereitzustellen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Messvorrichtungen mit Schwingungssensoren. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Kalibrierung von Schwingungssensoren mit einem modulierten Kalibrierelement.
• Technischer Hintergrund
• Schwingungssensoren werden häufig eingesetzt, um eine Änderung einer Impedanz oder Dämpfung zu erkennen, die durch verschiedene physikalische Effekte verursacht wird. Schwingungssensoren haben in der Regel einen Oszillator mit einem Resonanzkreis, der mit einer Messspule und/oder mit einem Messkondensator gebildet wird.
• Insbesondere werden Schwingungssensoren häufig eingesetzt, z.B. für Näherungssensoren, bei denen das Vorhandensein, die Nichtvorhandensein eines leitenden Objekts in einem leitenden Objekt oder die Bewegung eines leitenden Objekts innerhalb eines Messbereichs einer Messspule erfasst werden soll. Während des Betriebs schwingt ein solcher Oszillator, während die Messspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das durch das Vorhandensein leitfähiger Objekte stark beeinflusst wird. Daher erzeugen leitfähige Objekte, die in einen Erfassungsbereich der Messspule eindringen oder diesen verlassen oder sich in den Erfassungsbereich hinein oder heraus bewegen, eine Änderung der Impedanz der Messspule.
• Während des Betriebs weist der Resonanzkreis eine Resonanzfrequenz auf, die durch die Induktivität der Messspule und durch die Kapazität der Kapazität bestimmt wird. Durch eine Rückkopplungsverstärkung wird der Resonanzkreis so angeregt, dass die Schwingung durch Einspritzen von Energie in Phase mit der Schwingung aufrechterhalten wird. Weiterhin führt das Vorhandensein eines Objekts im Erfassungsbereich zu einer Abnahme eines Qualitätsfaktors des Resonanzkreises, verursacht durch einen Energieverlust durch die Erzeugung von Wirbelströmen im Objekt. Im Betrieb führt dies zu einer Änderung der Schwingungsfrequenz der angeregten Schwingung und zu einer Änderung der Schwingungsamplitude.
• So wird beispielsweise bei Anwendungen, bei denen das Vorhandensein, die Nichtvorhandensein oder die Bewegung von Objekten erfasst werden soll, häufig die Amplitudenänderung analysiert. Daher sind die Eigenschaften der Rückkopplungsverstärkung in der Regel so ausgebildet, dass eine hohe Empfindlichkeit bezüglich einer Amplitudenänderung in Bezug auf eine Änderung der Resonanzeigenschaften aufgrund der Anwesenheit eines Objekts im Erfassungsbereich erreicht wird.
• Die Kalibrierung der Empfindlichkeit eines solchen Schwingungssensors und die Einstellung des Arbeitspunktes erfolgt in der Regel mit einem variablen Kalibrierelement, das eine passive elektrische Komponente in der Rückkopplungsschaltung zur Anregung der Schwingung sein kann. Das Kalibrierelement kann ein Widerstand oder dergleichen sein. Da die Laserkalibrierung eines solchen Kalibrierungselements teuer ist und eine Rekalibrierung nicht ermöglicht, wird die elektronische Kalibrierung bevorzugt.
• Das Dokument WO2016/141965 A1 bezieht sich beispielsweise auf einen Oszillator mit Resonanzkreis und einer Feedback-Verstärkungsstufe. In einer Rückkopplungsschaltung ist ein Abgleichwiderstand vorgesehen, der ausgebildet ist, um über einen Schalter in der Rückkopplungsschaltung eingekoppelt zu werden. Ein effektiver Widerstand des Abgleichwiderstands kann zur Kalibrierung eingestellt werden, indem der Schalter über ein Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten Steuersignals gesteuert wird.
• Die Kalibrierung des Schwingungssensors erfolgt zunächst durch Abstimmen einer elektrischen Größe des Kalibrierelementes. Handelt es sich bei dem Kalibrierelement um einen schaltbaren Abgleichwiderstand, der durch ein pulsweitenmoduliertes Signal gesteuert wird, bestimmt das Tastverhältnis einen effektiven Widerstand für die Rückkopplung.
• Die Steuerung über eine Pulsweitenmodulation hat jedoch das Potenzial, niederfrequente Oberwellen in die Schaltung einzubringen, die im Wesentlichen durch die Zyklusfrequenz der Pulsweitenmodulation und das spezifische Tastverhältnis bestimmt werden. Diese Oberschwingungen lassen sich nicht einfach vom Sensorsignal trennen und beeinflussen den Betrieb des Schwingungssensors, so dass das Signal-Rausch-Verhältnis im Wesentlichen verschlechtert wird. Da es von der Kalibrierung abhängt, welches Tastverhältnis gewählt wird, werden in jeden Schwingungssensor verschiedene Oberwellen eingeführt, so dass sie durch Filterung schwer zu beseitigen sind.
• Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen abstimmbaren Schwingungssensor und eine Messvorrichtung bereitzustellen, die durch ein variables Kalibrierelement kalibriert werden können, und wobei ein negativer Effekt einer Modulation, die durch ein Pulsweitenmodulationssignal injiziert wird, reduziert werden kann, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen.
• Offenbarung der Erfindung
• Die obige Aufgabe wird durch den Schwingungssensor nach Anspruch 1, durch die Messvorrichtung und das Verfahren zum Betreiben des Schwingungssensors nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst.
• Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Schwingungssensor für eine Messvorrichtung vorgesehen, der umfasst:
• - einen Oszillator, umfassend:
  • ◯ einen Resonanzkreis zum Bereitstellen eines Schwingungssignals;
  • ◯ eine Verstärkungsstufe, die für eine Rückkopplung zum Resonanzkreis ausgebildet ist, um Energie zur Anregung des Resonanzkreises zu injizieren, um die Schwingung aufrechtzuerhalten;
  • ◯ mindestens ein Kalibrierelement zum Einstellen der Leerlaufverstärkung des Oszillators;
• - eine Kalibrierungseinheit, um ein moduliertes Kalibrierungssteuersignal bereitzustellen, um selektiv eine elektrische Größe des mindestens einen Kalibrierungselements basierend auf mindestens einem vorbestimmten Tastverhältnis einzustellen,
wobei die Kalibriereinheit ferner ausgebildet ist, um das modulierte Kalibrierungssteuersignal mit einer Zyklusfrequenz bereitzustellen, die von der Schwingungsfrequenz abhängt.
• In dem obigen Schwingungssensor wird eine elektronische Kalibrierung durch Kopplung und Entkopplung eines Kalibrierungselements bereitgestellt, das durch ein Kalibrierungssteuersignal gesteuert wird, um eine effektive elektrische Größe des Kalibrierungselements zu ermöglichen. Die Einstellung der effektiven elektrischen Größe ermöglicht es, den Schwingungssensor in Bezug auf eine gewünschte Empfindlichkeit und einen gewünschten Arbeitspunkt zu kalibrieren. Das Kalibrierungssteuersignal wird als Pulsweitenmodulationssignal bereitgestellt, wobei die elektrische Größe durch ein Tastverhältnis bestimmt wird. Daher kann die Kalibrierung durch eine geeignete Auswahl des Tastverhältnisses durchgeführt werden.
• Im obigen Schwingungssensor steuert das Kalibrierelement die Energiemenge, die zur Anregung der Schwingung des Resonanzkreises verwendet wird, so dass im stationären (eingeschwungenen) Zustand die Menge der injizierten Energie der Menge des Energieverlustes durch den Energieverlust des Magnetfeldes entspricht. Da das Kalibrierelement durch das Pulsweitenmodulationssignal gesteuert wird, hat seine Zyklusfrequenz einen Einfluss auf die Schwingung des Resonanzkreises. Im allgemeinen Fall, in dem die Schwingungsfrequenz nicht einem ganzzahligen Vielfachen der Zyklusfrequenz entspricht, führt dies zu einem Modulationseffekt auf die Amplitude der Schwingung. Wird die Sensorsignalamplitude als Messsignal des Schwingungssensors verwendet, würde dies zu einer erheblichen Verringerung des Signal-Rausch-Abstandes führen.
• Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, das Kalibrierungssteuersignal als Pulsweitenmodulationssignal mit einer Zyklusfrequenz zu versehen, die von der Schwingungsfrequenz des Resonanzkreises abhängt. Im Vergleich zu herkömmlichen Pulsweitenmodulationsschemata, bei denen die Zyklusfrequenz konstant gehalten wird, ermöglicht das vorstehende Verfahren die Reduzierung des Modulationseffekts durch sorgfältige Anpassung der Zyklusfrequenz an die Schwingungsfrequenz, so dass keine Modulation des Sensorsignals erfolgt.
• Insbesondere wenn sich die Schwingungsfrequenz nur geringfügig von den ganzzahligen Vielfachen der Zyklusfrequenz unterscheidet, wird eine niederfrequente Oberwelle erzeugt, die das Sensorsignal (abgeleitet aus der Amplitude des Schwingungssignals) überlagert. Durch Anpassung der Zyklusfrequenz in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz kann die Zyklusfrequenz so gewählt werden, dass keine spezifische Frequenz in die Amplitudencharakteristik des Schwingungssignals des Schwingungssensors eingebracht wird, was das Signal-Rausch-Verhältnis des daraus abgeleiteten Amplitudensignals wesentlich verbessert. Das vorstehende Verfahren ermöglicht eine signifikante Erhöhung des Signal-Rausch-Abstandes über einen weiten Bereich von Schwingungsfrequenzen. Da die Zyklusfrequenz automatisch an die Schwingungsfrequenz angepasst wird, können parasitäre Effekte wie Temperaturschwankungen, Alterung oder dergleichen leicht kompensiert werden. Darüber hinaus kann für jede Schwingungsfrequenz eine geeignete Zyklusfrequenz aus mehreren Bereichen der Zyklusfrequenzen gewählt werden, so dass ein höherer Freiheitsgrad bei der Wahl des Arbeitspunktes möglich ist.
• Darüber hinaus kann das modulierte Kalibrierungssteuersignal einem Pulsweitenmodulationssignal entsprechen.
• Darüber hinaus kann das Kalibrierelement ausgebildet sein, um durch ein moduliertes Kalibrierrückkopplungssteuersignal gesteuert zu werden, wobei insbesondere das Kalibrierelement eine passive elektrische Komponente, insbesondere einen Widerstand, und einen Schalter beinhaltet, der durch ein moduliertes Kalibrierrückkopplungssignal gesteuert wird.
• Zusätzlich oder alternativ kann das Kalibrierelement ein Verstärkungssteuerelement beinhalten, das durch ein moduliertes Kalibrierungsverstärkungssteuersignal zum Einstellen der Verstärkung der Verstärkungsstufe gesteuert wird, wobei insbesondere das Kalibrierungselement einen Widerstand und einen Schalter beinhaltet, der durch ein moduliertes Kalibrierungsverstärkungssteuersignal gesteuert wird.
• Gemäß einer Ausführungsform ist die Kalibriereinheit ausgebildet, um die Zyklusfrequenz f_PWM auf einen Wert einzustellen, bei dem die Amplitudenmodulation des Schwingungssignals kleiner als 1%, vorzugsweise kleiner als 0,1 % der gesamten Schwingungsamplitude ist.
• Gemäß einer Ausführungsform ist die Kalibriereinheit ausgebildet, um die Zyklusfrequenz f_PWM auf einen Wert einzustellen, der ausgewählt ist aus einem der Frequenzbereiche, die durch Zykluszeiten bestimmt werden, die nicht in Bereichen von +/-2 % der Schwingungszykluszeiten T_osc , vorzugsweise +/-5% der Schwingungszykluszeiten T_osc , um die PWM-Zykluszeiten T_PWM , wie sie durch T_PWM = n * T_osc und T_PWM = (n + 1 / 2) * T_osc definiert sind, wobei die Schwingungszykluszeit T_osc der Schwingungsfrequenz entspricht.
• Im Wesentlichen sollte die Zykluszeit T_PWM in einem Bereich gewählt werden, in dem die Zykluszeit T_PWM vom Produkt der Schwingungszykluszeit T_osc und (n+1/2) um mehr als 2% und nicht mehr als 25%, vorzugsweise um mehr als 5%, nicht mehr als 15% der Schwingungszykluszeit T_osc entfernt ist.
• Darüber hinaus ist ein Frequenzzähler vorgesehen, um die Schwingungsfrequenz des Resonanzkreises zu messen und eine Angabe der Schwingungsfrequenz f_osc an die Kalibriereinheit zu liefern.
• Gemäß einer Ausführungsform kann der Resonanzkreis eine Messspule und/oder einen Messkondensator aufweisen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Messvorrichtung vorgesehen, die einen Schwingungssensor und einen Analysekreis umfasst, der ausgebildet ist, um eine Angabe des oszillierenden Schwingungssignals zu empfangen und ein Amplitudensignal als Sensorsignal bereitzustellen, das die Amplitude des Schwingungssignals anzeigt.
• Darüber hinaus kann der Resonanzkreis eine Messspule zum Erfassen eines leitfähigen Objekts aufweisen, das sich in einem Erfassungsbereich der Messspule befindet.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schwingungssensors vorgesehen, das einen Resonanzkreis zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, eine Verstärkungsstufe, die zum Rückkoppeln an den Resonanzkreis ausgebildet ist, um Energie zur Anregung des Resonanzkreises zum Aufrechterhalten der Schwingung einzuspeisen, und ein Kalibrierelement zum Einstellen der Rückkopplungskopplung zwischen der Verstärkungsstufe und dem Resonanzkreis umfasst, wobei eine elektrische Größe des Kalibrierungselements basierend auf mindestens einem vorbestimmten Tastverhältnis eines modulierten Kalibrierungssteuersignals eingestellt wird, wobei das modulierte Kalibrierungssteuersignal eine von der Schwingungsfrequenz abhängige Zyklusfrequenz aufweist.
• Figurenliste
• Ausführungsformen werden ausführlicher in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Näherungssensors mit einem induktiven Sensor zeigt;
• 2 eine detailliertere schematische Darstellung eines induktiven Sensors mit einer Kalibriereinheit zeigt;
• 3a und 3b Beispiele für die Auswirkungen der Modulation bei Verwendung einer einzigen Modulationszyklusfrequenz zeigen;
• 4a und 4b Signaldiagramme mit dem Schwingungssignal und dem Kalibriersteuersignal bei harmonischer und disharmonischer Anregung zeigen;
• 5 ein Diagramm zur Amplitudenmodulation der Schwingungsamplitude für verschiedene Zyklusfrequenzen oder Zykluszeiten zeigt.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• 1 zeigt schematisch eine Messvorrichtung mit einem Schwingungssensor 2 und einer Auswerteschaltung 3, um eine Amplitude eines Schwingungssignals einer Schwingung des Schwingungssensors 2 zu analysieren und ein Sensorsignal S zu erzeugen. Der Schwingungssensor 2 weist einen Resonanzkreis 21 und einen Verstärker 22 auf.
• Die Auswerteeinheit 3 beinhaltet im Wesentlichen eine Amplitudenbestimmungsschaltung 31, die ein Amplitudensignal als Sensorsignal bereitstellt, das die Amplitude der Schwingung darstellt.
• Der Resonanzkreis 21 weist eine Induktivität auf, die als Sensorspule bereitgestellt werden kann. Im Betrieb schwingt der Resonanzkreis 21 und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld in einem Erfassungsbereich um die Messspule herum. Das magnetische Wechselfeld wird dadurch beeinflusst, dass leitfähige Gegenstände vorhanden sind oder sich durch den Messbereich bewegen. Verursacht wird dies durch Wirbelströme, die in den leitfähigen Objekten im Messbereich induziert werden, so dass dem Resonanzkreis 21 Energie entzogen wird. Dieser Energieverlust wirkt sich in einer Änderung der Induktivität der Messspule und in einer Dämpfung der Schwingung aus. Aufgrund der geänderten Dämpfung des Resonanzkreises kann die Schwingungsamplitude je nach Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines leitfähigen Objekts im Messbereich variieren.
• In 2 ist der induktive Sensor 2 näher dargestellt. Ein Oszillator ist mit einem Resonanzkreis 21 mit der Messspule 211 und einem Kondensator 212 ausgebildet, während der Verstärker 22 eine Verstärkungsstufe 221 mit einer Verstärkung von größer als 1 und eine Rückkopplungsschaltung 222 aufweist. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Rückkopplungsschaltung 222 einen ersten Widerstand 223 mit einem Widerstandswert von R1 und einen zweiten Widerstand 224 mit einem Widerstandswert von R_tnm , der in Reihe zu einem ersten Kalibrierschalter 225 angeordnet ist. Der erste Kalibrierschalter 225 kann als jede Art von elektronischem Schalter, wie beispielsweise ein MOSFET-Transistor oder Bipolartransistor, implementiert werden.
• Der zweite Widerstand 224 und der erste Kalibrierschalter 225 wirken zusammen als Kalibrierwiderstand (Kalibrierelement), der durch ein moduliertes Kalibrierrückkopplungssteuersignal FC gesteuert werden kann, um die Rückkopplung zwischen der Verstärkungsstufe 221 und dem Resonanzkreis 21 einzustellen.
• Die Verstärkung der Verstärkungsstufe 221 kann mittels eines weiteren Kalibrierungselements eingestellt werden, das ein Verstärkungssteuerelement beinhalten kann, das durch ein moduliertes Kalibrierungsverstärkungssteuersignal GC zum Einstellen der Verstärkung der Verstärkungsstufe 221 gesteuert wird. Das Verstärkungssteuerelement kann im Allgemeinen beliebig sein, so dass die Verstärkung der Verstärkungsstufe 221 durch das Tastverhältnis des modulierten Kalibrierungsverstärkungsregelsignals GC gesteuert wird. In dem angegebenen Beispiel kann das Verstärkungssteuerelement ein Kalibrierelement 226, 227 beinhalten, das einen dritten Widerstand 226 mit einem Widerstandswert von R_gain und einen zweiten Kalibrierschalter 227 umfassen kann. Der zweite Kalibrierschalter 227 wird durch das modulierte Kalibrierungsverstärkungsregelsignal GC gesteuert. Der zweite Kalibrierschalter 227 kann als jede Art von elektronischem Schalter, wie beispielsweise ein MOSFET-Transistor oder Bipolartransistor, ausgeführt werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Verstärkungsstufe 221 ausgebildet sein, um durch das modulierte Kalibrierungsverstärkungsregelsignal GC ohne Schalten eines Widerstandes gesteuert zu werden.
• Im Allgemeinen kann das Kalibrierelement der Rückkopplungsschaltung 222 und/oder des Kalibrierelements der Verstärkungsstufe 221 als Widerstandsnetzwerk mit einem Schalter ausgebildet werden, so dass der Widerstandswert des Widerstandsnetzwerks zwischen zwei verschiedenen Widerstandswerten (einschließlich eines sehr hohen/unendlichen Widerstandswertes) durch das jeweilige Steuersignal FC, GC geschaltet werden kann. Daher kann die Anordnung des Schalters in Bezug auf die Widerstände eine beliebige Kombination aus paralleler und serieller Verbindung sein.
• Eine Kalibriereinheit 24 ist vorgesehen, um das modulierte Kalibrierrückkopplungssteuersignal FC an einen Steueranschluss des ersten Kalibrierschalters 225 zum Steuern des ersten Kalibrierschalters 225 zum Öffnen oder Schließen und/oder zum Bereitstellen des modulierten Kalibrierverstärkungssteuersignals GC an einen Steueranschluss des zweiten Kalibrierschalters 227 zum Steuern des zweiten Kalibrierschalters 227 zum Öffnen oder Schließen bereitzustellen.
• Durch Steuern des ersten Kalibrierschalters 225 kann der effektive Widerstand des Rückkopplungskreises 222, insbesondere der effektive Widerstandswert der Reihenschaltung des Kalibrierschalters und des zweiten Widerstandes 224 gesteuert werden. Um den effektiven Widerstandswert des zweiten Widerstandes 224 zu variieren, wird der erste Kalibrierschalter 225 durch ein Pulsweitenmodulationssignal mit einer Zyklusfrequenz und mindestens einem Tastverhältnis gesteuert. Analog dazu kann durch Steuern des zweiten Kalibrierschalters 227 die Verstärkung der Verstärkungsstufe 221 gesteuert werden. Um den effektiven Widerstand des dritten Widerstandes 226 zu variieren, wird der zweite Kalibrierschalter 227 durch ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) mit einer Zyklusfrequenz f_PWM und einem Tastverhältnis DC gesteuert.
• Die Zyklusfrequenz wird durch eine Zykluszeit bestimmt, die definiert ist als eine Gesamtperiode, die ein erstes Mal, in dem der Kalibrierschalter geschlossen ist, und ein zweites Mal, in dem der Kalibrierschalter geöffnet ist, beinhaltet. Die Einschaltdauer gibt ein Verhältnis der ersten Zeit, in der der Kalibrierschalter geschlossen wird, zur Zykluszeit an. Die Steuerung mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal führt zu einem effektiven Widerstandswert des zweiten Widerstandes 224, bestimmt als Quotient aus dem Widerstandswert des zweiten Widerstandes 224 und dem Tastverhältnis.
• Die Kalibrierung erfolgt durch Bestimmen eines oder mehrerer geeigneter Tastverhältnisse, um den effektiven Widerstandswert des zweiten Widerstands 224 einzustellen. Bei mehr als einem Tastverhältnis kann eine Folge von Tastverhältnissen gewählt werden, um die gewünschte Kalibrierung zu erhalten. Die Kalibrierung wird in der Regel zunächst durchgeführt und bleibt bis zur Durchführung einer Neukalibrierung erhalten. Darüber hinaus können kontinuierlich oder regelmäßig Anpassungen der Kalibrierung vorgenommen werden, um kurzfristige Einflüsse wie Temperatur o.ä. auszugleichen.
• Die 3a und 3b zeigen exemplarische Fourier-Diagramme einer Charakteristik der Modulationsamplitude der Energieeinspeisung in den Resonanzkreis 21 gegenüber der Frequenz der Modulation der Energieeinspeisung für ein exemplarisches Messgerät. Wie dargestellt, beträgt die Zyklusfrequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation 25 kHz, das Tastverhältnis 0,3 und die Schwingungsfrequenz f_osc 100,05 bzw. 100,25 kHz, ein niedriger Frequenzbereich der Amplitudenmodulationen auf das Schwingungssignal wird dargestellt. Wie in den 3a und 3b für zwei Beispiele dargestellt, bei denen die Zyklusfrequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation 25 kHz, das Tastverhältnis 0,3 und die Schwingungsfrequenz fosc 100,05 bzw. 100,25 kHz beträgt, wird ein unterer Bereich des Frequenzspektrums des Schwingungssignals dargestellt. Es ist zu erkennen, dass durch die PWM-gesteuerte Rückkopplungsschaltung 222 eine Modulationsfrequenz von 100Hz bzw. 500Hz der Amplitudenmodulation auf das Schwingungssignal des Resonanzkreises 21 in Abhängigkeit von der Wahl der Zyklusfrequenz f_PWM und der Frequenz des Schwingungssignals erzeugt wird. Der Signalanteil der niederfrequenten Amplitudenmodulationen auf das Schwingungssignal kann nicht herausgefiltert werden, da er zu dem Frequenzbereich gehört, in dem das Schwingungssignal analysiert wird, um das Sensorsignal zu erhalten.
• Die Entwicklung von niederfrequenten Amplitudenmodulationen auf das durch die pulsweitenmodulierte Energieeinspeisung erzeugte Schwingungssignal lässt sich anhand der Diagramme der 4a und 4b erklären. Die 4a und 4b zeigen den Verlauf des Tastverhältnis-Signals (U_PWM ) und das Produkt aus Tastverhältnis und Schwingungsfrequenzsignal (U_OSC * U_PWM). Wie in 4a dargestellt, wo die Schwingungsfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Zyklusfrequenz ist, ist aus den gleichen Verläufen der Modulation im Tastverhältnisfenster ersichtlich, dass keine Modulation der Amplitude der Modulation der Energieeinspeisung in den Resonanzkreis 21 verursacht wird, da die Energieeinspeisung in den Resonanzkreis 21 die gleiche Phase aufweist und somit für alle Zyklen den gleichen Betrag aufweist.
• Da die Schwingungsfrequenz jedoch, wie in 4b dargestellt, in der Regel nicht exakt auf ein ganzzahliges Vielfaches der Zyklusfrequenz fPWM der Pulsweitenmodulation eingestellt werden kann, entsteht eine Modulation der Energieeinspeisung in den Resonanzkreis 21, so dass eine Amplitudenmodulation mit einer Modulationsfrequenz f_mod = 2 (f_osc - n × f_PWM) erzeugt wird. Die Modulation zeigt sich an den unterschiedlichen Eigenschaften der Schwingungssignalmodulation im Tastverhältnisfenster. Während die Modulation in den Figuren nicht direkt dargestellt ist, ist zu erkennen, dass die Energieeinspeisung nicht für jeden Phasenwinkel der sinusförmigen Schwingung gleich ist, was zu einer langsam variierenden Phasenverschiebung zwischen der Pulsweitenmodulation und der Schwingung führen kann, die eine niederfrequente Modulation der Schwingungsamplitude bildet.
• Um die Erzeugung einer Amplitudenmodulation der Energieeinspeisung in den Resonanzkreis 21 zu vermeiden, wird die Zyklusfrequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz verändert.
• Da vorhersehbar ist, welche Zyklusfrequenzen zu den Amplitudenmodulationen der Schwingung führen, kann aus der Schwingungsfrequenz eine optimale Zyklusfrequenz abgeleitet werden, um diese Modulationen zu vermeiden oder zu minimieren. Wenn die Zyklusfrequenz von der Schwingungsfrequenz abhängig gemacht wird, kann die Zyklusfrequenz unmittelbar auf eine Änderung der Schwingungsfrequenz folgen. Um die Erzeugung einer Amplitudenmodulation des Schwingungssignals zu vermeiden, die durch das Einstellen des Kalibrierungselements mittels eines modulierten Kalibriersignals verursacht wird, wird die Zyklusfrequenz der Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz variiert, um die entsprechende Amplitudenmodulation zu vermeiden.
• Daher kann ein Frequenzzähler 23 vorgesehen werden, der die Schwingungsfrequenz des Resonanzkreises 21 misst und der der Kalibriereinheit 24 eine Angabe der Schwingungsfrequenz fosc liefert. Alternativ kann die Schwingungsfrequenz an anderen Knoten der Schaltung gemessen werden, z.B. am Ausgang des Verstärkers 22 oder der Verstärkungsstufe 221.
• Bei einer festen Zyklusfrequenz f_PWM können Toleranzen des Resonanzkreises 21 oder Frequenzverschiebungen durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von detektierbaren Objekten im Erfassungsbereich zu einer Schwingungsfrequenz führen, die einem harmonischen (ganzzahligen Vielfachen) oder (n + 1 / 2)- Vielfachen der Zyklusfrequenz entspricht, wie beispielsweise: $${\text{f}}_{\text{OSC}}=\text{n}*{\text{f}}_{\text{PWM}}$$

  

  $${\text{f}}_{\text{OSC}}=\left(\text{n}+1/2\right)*{\text{f}}_{\text{PWM}}$$

  
• In diesen Fällen und in einem Frequenzbereich um die Oberwellen herum treten in einem Niederfrequenzbereich starke Amplitudenmodulationen auf, die zu einer erheblichen Verzerrung des Sensorsignals führen können.
• Diese Verzerrungen sind weiterhin abhängig von dem mindestens einen Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation.
• 5 zeigt ein Diagramm einer normierten und linearisierten (bezogen auf den Abstand eines Objekts) Dämpfung. Eine positive Dämpfung führt zu einer Verringerung der Amplitude, so dass die y-Achse mit -dU bezeichnet wird. Wie im Diagramm von 5 für verschiedene Zyklusfrequenzen oder Zykluszeiten T_PWM = 1/ f_PWM dargestellt, wird der Einfluss auf die Schwingungsamplitude dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei ganzzahligen mehrfachen Harmonischen oder bei (n+1/2)-Harmonischen eine wesentliche Änderung der Amplitude (Änderung der Dämpfung) eintritt. Es wird daher bevorzugt, eine Zykluszeit T_PWM in einem Bereich zu wählen, in dem die Zykluszeit T_PWM um mehr als 2% und nicht mehr als 25%, vorzugsweise um mehr als 5% und nicht mehr als 15% der Oszillationszykluszeit T_osc von den Oszillationszykluszeiten T_osc*(n+1/2) entfernt ist: $$\mathrm{0,05}*{\text{T}}_{\text{OSC}}<\left|{\text{T}}_{\text{PWM}}-{\text{T}}_{\text{OSC}}*\left(\text{n}+1/2\right)\right|<\mathrm{0,15}*{\text{T}}_{\text{OSC}}$$

  
• Sobald die Zykluszeit eingestellt ist, kann sie dauerhaft an eine sich ändernde Schwingungsfrequenz angepasst werden, solange sie nicht in die Nähe einer Kombination von Zykluszeit und Periodendauer gelangt, bei der eine niederfrequente Modulation auftritt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2016/141965 A1 [0007]

Claims (12)

1. Schwingungssensor (2) für eine Messvorrichtung (1), umfassend: - einen Oszillator, umfassend: ◯ einen Resonanzkreis (21) zum Bereitstellen eines Schwingungssignals; ◯ eine Verstärkungsstufe (22), die ausgebildet ist, um eine Rückkopplung zum Resonanzkreis (21) bereitzustellen, um Energie zur Anregung des Oszillators zum Aufrechterhalten der Schwingung zu injizieren; ◯ mindestens ein Kalibrierelement (224, 225; 226, 227) zum Einstellen der Leerlaufverstärkung des Oszillators; - eine Kalibriereinheit (24) zum Bereitstellen eines modulierten Kalibrierungssteuersignals (FC, GC) zum selektiven Einstellen einer elektrischen Größe des mindestens einen Kalibrierungselements (224, 225; 226, 227) basierend auf mindestens einem vorbestimmten Tastverhältnis, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriereinheit (24) ferner ausgebildet ist, um das modulierte Kalibrierungssteuersignal (FC, GC) mit mindestens einer von der Schwingungsfrequenz abhängigen Zyklusfrequenz bereitzustellen.
2. Schwingungssensor (2) nach Anspruch 1, wobei das modulierte Kalibrierungssteuersignal (FC, GC) einem Pulsweitenmodulationssignal entspricht.
3. Schwingungssensor (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kalibrierelement (224, 225) ausgebildet ist, um durch ein moduliertes Kalibrierrückkopplungssteuersignal (FC) gesteuert zu werden, wobei insbesondere das Kalibrierelement (224, 225) eine passive elektrische Komponente, insbesondere einen Widerstand (224), und einen Schalter (225) beinhaltet, der durch ein moduliertes Kalibrierrückkopplungssignal (C) gesteuert wird.
4. Schwingungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kalibrierelement (226, 227) ein Verstärkungssteuerelement beinhaltet, das durch ein moduliertes Kalibrierungsverstärkungssteuersignal (GC) zum Einstellen der Verstärkung der Verstärkungsstufe (221) gesteuert wird, wobei insbesondere das Kalibrierelement (226, 227) einen Widerstand (226) und einen Schalter (227) beinhaltet, der durch das modulierte Kalibrierungsverstärkungssteuersignal (GC) gesteuert wird.
5. Schwingungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kalibriereinheit ausgebildet ist, um das mindestens eine Tastverhältnis aufrechtzuerhalten, während die Zyklusfrequenz variiert wird.
6. Schwingungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kalibriereinheit (24) ausgebildet ist, um die Zykluszeit oder Zyklusfrequenz (f_PWM) auf einen Wert einzustellen, bei dem die Amplitudenmodulation des Schwingungssignals kleiner als 1%, vorzugsweise kleiner als 0,1 % der gesamten Schwingungsamplitude ist.
7. Schwingungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kalibriereinheit ausgebildet ist, um die Zyklusfrequenz (f_PWM) auf einen Wert einzustellen, der aus einem der Frequenzbereiche ausgewählt ist, die durch Zykluszeiten (T_PWM) bestimmt werden, die aus einem Bereich ausgewählt sind, in dem die Zykluszeit (T_PWM) von dem (n+1/2) fachen der Oszillationszykluszeit (T_osc) um mehr als 2% und nicht mehr als 25%, vorzugsweise um mehr als 5% und nicht mehr als 15% der Oszillationszykluszeit (T_osc), entfernt ist, wobei die Oszillationszykluszeit (T_osc) der Oszillationsfrequenz entspricht.
8. Schwingungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Frequenzzähler vorgesehen ist, um die Schwingungsfrequenz des Oszillators zu messen und eine Angabe der Schwingungsfrequenz (f_osc) an die Kalibriereinheit (24) zu liefern.
9. Schwingungssensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Resonanzkreis (21) eine Messspule (211) und/oder einen Messkondensator (212) aufweist.
10. Messvorrichtung (1) mit einem Schwingungssensor und einer Auswerteschaltung (3), die ausgebildet ist, um eine Angabe des Schwingungssignals zu empfangen und ein Amplitudensignal als Sensorsignal bereitzustellen, das die Amplitude des Schwingungssignals anzeigt.
11. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei der Resonanzkreis (21) eine Messspule (211) zum Erfassen eines leitfähigen Objekts in einem Erfassungsbereich der Messspule (211) aufweist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Schwingungssensors (2), der einen Resonanzkreis (21) zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, eine Verstärkungsstufe (221), die ausgebildet ist, um auf den Resonanzkreis (21) zurückzukoppeln, um Energie zur Anregung des Resonanzkreises (21) zum Aufrechterhalten der Schwingung einzuspeisen, und mindestens ein Kalibrierelement (224, 225, 226, 227) zum Einstellen der Rückkopplungskopplung zwischen der Verstärkungsstufe (221) und dem Resonanzkreis (21) umfasst, wobei eine elektrische Größe des mindestens einen Kalibrierungselements (224, 225; 226, 227) basierend auf mindestens einem vorbestimmten Tastverhältnis eines modulierten Kalibrierungssteuersignals eingestellt wird. dadurch gekennzeichnet, dass das modulierte Kalibrierungssteuersignal mindestens eine Zyklusfrequenz aufweist, die von der Schwingungsfrequenz abhängt.

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