DE2515257A1 - Induktiver weggeber - Google Patents

Description

R. ?5 22

27.2.1975 Kh/Kb

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1 Induktiver Weggeber

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Weggeber zur Umformung einer mechanischen Bewegung in ein Signal, welches nach einer willkürlich vorgebbaren, insbesondere linearen Punktion von der Bewegung des Meßobjektes abhängt, mit einer auf einem Kern aus ferromagneticchem Material aufgebrachten Magnetspule, deren Induktivität durch einen auf dem Kern in Abhängigkeit von der Bewegung des Meßobjektes verschiebbaren Kurzschlußring änderbar ist.

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2 s --.

Ein bekannter induktiver Weggeber ist der Tauchankergeber. Dabei wird in eine Spule ein freibeweglieher, ferromagnetischer Kern eingeschoben, wodurch die Induktivität L veränderbar ist. Da der Zusammenhang zwischen dem Weg und der Induktivität hierbei nicht linear ist, muß die Linearisierung durch einen ziemlich großen Aufwand an .Elektronik erfolgen. Die Empfindlichkeit, d.h. die Variation des Meßsignals über den Meßbereich, ist gering. Außerdem weist der Tauchankergeber eine große mechanische Baulänge im Verhältnis zum ausnutzbaren Linearitätsbereich auf. Ein weiterer Nachteil ist die relativ große Masse des ferromagnetischen Kerns.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Weggeber zu entwickeln, der die obigen Nachteile nicht aufweist und bei dem insbesondere eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet ist. Außerdem soll der induktive Weggeber bewegliche Teile mit möglichst geringer Masse für dynamische Messungen aufweisen. Weiterhin soll der induktive Weggeber sowohl in seinem mechanischen, wie auch in seinem elektronischen Teil möglichst einfach und billig aufgebaut und somit für -die Massenproduktion geeignet sein. Insbesondere soll dieser Weggeber auch zur Messung größerer Wege verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern mindestens drei Schenkel aufweist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient als Kern ein E-förmiger Kern und der Kurzschlußring umschließt alle Schenkel des Kerns. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des induktiven Weggebers läßt sich die Empfindlichkeit gegenüber einem induktiven Weggeber'mit U-Kern mindestens verdoppeln.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen .der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen , aus der nachfolgenden Beschreibung von

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'Ausführungsbeispielen und vereinfacht dargestellt aus der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines

induktiven Weggebers,
Fig. 3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines

induktiven Weggebers, . Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines

induktiven Weggebers,
Fig. 6 ein Blockschaltbild des elektrischen Teils

eines induktiven Weggebers, Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung des in Fig. 6

dargestellten Blockschaltbildes.

In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Erzielung einer veränderlichen Induktivität eine Magnetspule 1 auf dem Mittelschenkel 2 eines E-förmig ausgebildeten Kerns 3 aus ferromagnetischem Material aufgebracht. Ein Kurzschlußring 4 weist drei öffnungen 5, 6, 7 auf, die der Form des Kernquerschnittos angepaßt sind. Die drei Schenkel 2, 8, des E-förmig ausgebildeten Kerns 3 treten durch die drei öffnungen 5» 6, 7 hindurch und der Kurzschlußring 4 ist somit parallel zu den Schenkeln 2, 8, 9 frei beweglich. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann der Ξ-förmige Kern auch aus zwei U-förmigen Kernen 10, 11 aufgebaut sein, die sich an einem ihrer Schenkel 12, 13 berühren. Wie ebenfalls in Fig. dargestellt ist, kann der Kurzschlußring 14 auch so ausgebildet sein, daß er nur eine öffnung 15 aufweist und den durch die Schenkel 12 und 13 gebildeten Mittelschenkel umschließt, auf dem er in Pfeilrichtung frei beweglich ist.

Die Wirkungsweise des induktiven Weggebers nach Fig. 1 und 2 besteht darin, daß die Magnetspule 1 zwischen den Schenkeln 2,8,9 bzw. 10,11,12,13 des Kerns 3 ein homogenes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der Kurzschlußring 4 bzw. 14 stellt für jeden Schenkel eine Kurzschlußwindung dar, so daß kein magnetisches Wechselfeld durch den .Kurzschlußring hindurchtreten kann. Der magnetische Gesamtfluß wird somit in guter , ,

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Näherung wegproportional begrenzt. Nach dem Induktionsgesetz wird dadurch die Induktivität der Magnetspule 1 ebenfalls wegproportional verändert. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kerns 3 als E-förmiger Kern bietet den Vorteil, daß sich die Meßempfindlichkeit des induktiven Weggebers gegenüber einem induktiven Weggeber mit U-förmigem Kern mindestens verdoppelt. Vorteilhaft ist auch die sehr geringe Masse des Kurzschlußringes H₃Ik₃ wodurch der Weggeber auch für dynamische Messungen sehr gut geeignet ist. Bei hohen Frequenzen, ab ungefähr 100 kHz, genügt als Kurzschlußring eine bzw. mehrere dünne Metallfolien (vorzugsweise Kupfer, Silber). Solche dynamische Messungen des Weges sind z.B. bei der Luftmengenmessung im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine erforderlich. Dort kann eine Stauscheibe mit dem Kurzschlußring gekuppelt sein, oder der Kurzschlußring kann selbst die Stauscheibe darstellen. Die Auslenkung der Stauscheibe durch den Luftstrom gegen eine Kraft ist dann ein Maß für den Luftmengendurchsatz. Der Kurzschlußring kann auch in einem anderen Verwendungsbeispiel mit der Membran einer Druckmeßdose verbunden sein, wobei durch die sehr hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen induktiven Weggebers auch sehr geringe Druckänderungen eine Änderung des Ausgangssignals des induktiven Weggebers zur Folge haben. Das Ausgangssignal kann wahlweise als digitales oder analoges Signal der Auswertung zugeführt werden.

Um die Temperaturabhängigkeit der Anordnung durch die temperaturabhängige Leitfähigkeit des Kurzschlußringes H₃IH möglichst gering zu halten, kann einmal die Betriebsfrequenz des Wechselfeldes hoch gewählt werden (z.B. 100 kHz) und zum anderen die durch den Skineffekt auftretende Erhöhung des ohmschen Widerstands des Kurzschlußringes z.B. durch folgende Mittel vermieden werden: Herstellen des Kurzschlußrings aus mehreren geschichteten, dünnen Einzelbiechen bzw. Metallfolien oder Herstellen des Kurzschlußrings aus mehreren dünnen Drahtwindungen.

Eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit des induktiven Weggebers läßt sich durch eine Mehrfachanordnung von U-förmigen

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Kernen mit einer gemeinsamen Magnetspule gemäß den Fig. 3 und erzielen. Dabei sind vier U-förmige Kerne 17,18,19,20 jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet, und die mittleren Schenkel der U-förmigen Kerne 17,18,19,20 werden von der Magnetspule 21 und dem Kurzschlußring 22 umschlossen.

Der Kern kann auch durch mehr als vier U-förmige Kerne gebildet werden.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen induktiven Weggebers als Winkelgeber kann beispielsweise entsprechend Fig. 5 ein E-förmiger Kern 24 kreisförmig gekrümmt sein und die Induktion der Magnetspule 25 durch den sich auf einer Kreisbahn bewegenden Kurzschlußring 26 begrenzt werden.

Nicht dargestellt ist die Ausbildung der erfindungsgemäßen induktiven Weggeber als Differential-Weg oder Winkelgeber Hierfür sind die erfindungsgemäßen Kerne derart auszubilden, daß sie beidseitig geschlossen sind und mit einer zweiten Magnetspule versehen werden, die von der ersten Magnetspule durch den Kurzschlußring getrennt ist, so daß bei einer Bewegung des Kurzschlußringes die Differenz der beiden sich gegensinnig veränderlichen Induktivitäten der Magnetspulen ausgewertet werden können. Vorteilhaft hierbei ist eine tempers.tur- und alterungsunabhängige Nullstellung sowie eine Verdoppelung des Meßeffektes gegenüber der einfachen Anordnung.

In dem in Fig. 6 dargestellten Blockschaltbild eines in seiner Frequenz von der jeweiligen Größe der Induktivität abhängigen Oszillators ist ein Komparator 30 mit Hysterese vorgesehen. Er besitzt eine obere Schaltschwelle +U_Q und eine untere Schaltschwelle -U . Sein Ausgang ist sowohl mit der Ausgangsklemme 31 des Oszillators, wie auch mit dem Eingang eines induktiven Stellglieds 32 verbunden. Dieses induktive Stellglied 32 kann als veränderliche Induktivität die in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Anordnungen enthalten. Es ist jedoch für diese Schaltung auch eine andere veränderliche Induktivität denkbar. Der Ausgang

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der veränderlichen Induktivität 32 ist sowohl mit einem Eingang einer Gleichrichterstufe 33 wie auch mit einem Eingang einer Integrierstufe 34 verbunden. Der Ausgang der Integrierstufe 34 ist an den Eingang des Komparators 30 angeschlossen. Der Ausgang der Gleichrichterstufe 33 ist mit einer analogen Ausgangsklemme 35 des Oszillators verbunden.

Die Wirkungsweise der in Fig. 6 dargestellten Anordnung wird im folgenden anhand des Diagramms nach Fig. 7 beschrieben. Es sei angenommen, daß zunächst am Ausgang des Komparators 30 eine positive Spannung liegt. Diese Spannung wird vom induktiven Stellglied 32 in Abhängigkeit der Stellung der veränderlichen Induktivität angehoben bzw. abgesenkt. Diese Anhebung bzw. Absenkung erfolgt unter Verwendung einer der in Fig. 1 bis 5 dargestellten veränderlichen Induktivität in Abhängigkeit des zu messenden Wegs, d.h. in Abhängigkeit der Stellung des Kurzschlußrings. Die positive Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 wird durch den Integrator 34 integriert. Je höher die Spannung am- Ausgang des induktiven Stellglieds 32 ist, desto schneller erfolgt die Integration, d.h. desto schneller- ist der Spannungsanstieg am Ausgang des Integrators 34. Wird der obere Schwellwert +U_Q des Komparators 30 erreicht, so springt die Spannung am Ausgang des Komparators 30 auf einen negativen Wert zurück. Entsprechend verändert sich der Ausgang des induktiven Stellglieds 32. Am Ausgang des Integrators 34 wird eine absinkende Spannung erzeugt, die solange absinkt, bis der untere Schwellwert -U₀ des Komparators 30 erreicht ist..Der Ausgang des Komparators 30 springt dann wieder auf einen positiven Spannungswert. Die Höhe der Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds

32 ist demnach ein Maß für die Anstiegszeit bzw. Abfallzeit der Integratorspannung und demnach ein Maß für die Frequenz dieses Oszillators. Durch die Gleichrichterstufe

33 wird die Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 gleichgerichtet und am analogen Ausgang 35 entsteht

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ein Gleichspannungssignal, das proportional zu der veränderlichen Induktivität ist und demnach proportional zu dem zu messenden Weg. Der zu messende Weg kann somit durch ein· digitales oder ein analoges Ausgangssignal angezeigt werden. Die elektronische Schaltung läßt sich aus Operationsverstärkern aufbauen, so daß die ganze Schaltung durch einen integrierten Schaltkreis realisierbar ist.

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Claims (8)

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   Ansprüche

   / 1.) Induktiver Weggeber zur Umformung einer mechanischen Bewegung in ein Signal, welches nach einer willkürlich vorgebbaren, insbesondere linearen Punktion von der Bewegung des Meßobjektes abhängt, mit einer auf einem Kern aus ferromagnetischem Material aufgebrachten Magnetspule, deren Induktivität durch einen auf dem Kern in Abhängigkeit von der Bewegung des Meßobjektes verschiebbaren Kurzschlußring änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mindestens drei Schenkel aufweist.
2. 2. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern ein E-förmiger Kern (3,24) dient.
3. 3- Induktiver Weggeber nach.Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring (4,26) alle Schenkel (2,8,9) des Kerns (3,24) umschließt.
4. 4. Induktiver Weggeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring X4) nur den mittleren Schenkel (12,13) des Kerns (3) umschließt.
5. 5· Induktiver Weggeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der E-förmige Kern (3) aus zwei sich an ihrem einen Schenkel (12,13) berührenden U-förmigen Kernen (10,11) gebildet wird.

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   -9- 2ό ,
6. 6. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus mindestens vier U-förmigen Kernen (17jl8,19_s2O) gebildet wird,die zueinander jeweils um 90° versetzt sind.
7. 7· Induktiver Weggeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring (22) die inneren Sehenkel der U-förmigen Kerne (17,18,19,20) umschließt.
8. 8. Induktiver Weggeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der E-förmige Kern (24) kreisförmig gekrümmt ist und als Winkelgeber dient.,

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