DE3518772A1

DE3518772A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE3518772A1
Application number: DE19853518772
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7016 Gerlingen Dobler; Hansjörg Dipl.-Ing.(FH) 7251 Weissach Hachtel; Karl Ing.(grad.) 7022 Leinfelden Roll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-05-24
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1986-11-27
Also published as: ES555294A0; EP0221934A1; ES8707610A1; WO1986007144A1

Description

R. 20029
22.5.198 5 Sf/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Sensoranordnung
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Anordnung "besteht der Sensor aus einem Meßrohr sowie einer Spule, die einlagig und gleichmäßig auf einen Kern gewickelt ist. und in eine Spannungsteiler- oder Brückenschaltung geschaltet ist. Dabei ergibt sich eine S-förmige Eichkurve. Deren Abflachungen .am Anfang und am Ende verfälschen aber das Meßergebnis. Es ist bekannt, mit Hilfe von Verstärkern, deren Verstärkungsfaktor sich abhängig von der Eingangsspannungshöhe ändert, den Verlauf der Eichkurve zu linearisieren. Dies hat jedoch den Nachteil, daß jedem einzelnen Sensortyp eine speziell dafür angepaßte Elektronikeinheit zuzuordnen ist. Ferner ist der Verstärkungsfaktor bei so konzipierten Elektronikeinheiten wegen der dazu notwendigen B.eschaltung mit nicht linearen Widerständen relativ stark von der Höhe der Umgebungstemperatur abhängig.

Ferner ist es bekannt, mit Hilfe unterschiedlicher Wicklungsdichte der Spule, d.h. geeigneter Zusatzwindungen, ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Aber auch bei diesen Spu-

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len ist keine lineare Eichkurve möglich, da die Meßwerte auch durch die Spannungsteiler- oder Brückenschaltung verfälscht werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Eichkurve über den gesamten Meßbereich nahezu linear verläuft. Es besteht somit stets ein proportionales Verhältnis zwischen Meßsignal und Eintauchtiefe der Spule in das Meßrohr. Dies ist mit Hilfe einfacher baulicher Maßnahmen möglich. Ferner kann auch bei einem konstanten Verstärkungsfaktor über den nahezu gesamten Meßbereich, d.h. über die gesamte Spulenlänge, eine hinreichend genaue proportionale Meßspannung erzeugt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schaltungsgemäße Darstellung des Ausführungsbeispiels, Figur 2 einen Schnitt durch eine Sensoranordnung in vereinfachter Darstellung, Figur 3 eine nicht; lineare Eichkurve nach dem Stand der Technik und Figur k eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist eine Auswerteschaltung dargestellt, in der ein Wechselstromgenerator 10 eine Meßspule 11 mit einem hochfre-

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quenten Wechselstrom speist. Die Meßspule 11 ist mit dem Vorwiderstand 13 zu einem Spannungsteiler Ik verschaltet. Parallel zur Meßspule 11 ist ein Widerstand 12 geschaltet. In Reihe zum Vorwiderst-and 13 liegt eine Diode 15· Ferner ist parallel zum Widerstand 12 ein Kondensator 16 geschaltet. Ein aus einem Widerstand 17 und einem Kondensator 18 bestehender Tiefpaß 19 ist zur Glättung der Meßwerte mit dem Abgriff des Spannungsteilers Ik verbunden. Ferner ist in Reihe zum Tiefpaß 19 eine herkömmlich bekannte Verstärkerschaltung 20 geschaltet, die zwei Widerstände 21, 22 und einen Operationsverstärker 23 aufweist.

In Figur 2 ist ein Sensor 26 dargestellt, der ein Meßrohr 27 hat, in dem die auf einem Kern 28 einlagig, aufgewickelte Meßspule 11 bewegbar ist. Die Meßspule 11 weist Bereiche 11a, 11b, 11c mit unterschiedlicher Wicklungsdichte auf. Der Kern 28 besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Stoff, z.B. Polyamid oder PVC. Das Meßrohr 27 ist aus einem gut leitfähigen Stoff hergestellt.

Soll mit Hilfe des Sensors eine Position eingestellt oder eine Längenänderung bestimmt werden, so taucht der Kern 28 mit der Meßspule 11 in das Meßrohr 27 ein, d.h. Kern 28 und Meßrohr werden relativ zueinander bewegt. Dabei verändert sich wegen des Wirbelstromeffektes der Wechselstromwiderstand der Meßspule 11. Auf der metallischen Innenseite des Meßrohrs 27 bilden sich Wirbelströme aus, die den Wechselstromwiderstand der Meßspule 11 und somit die anliegende Spannung verändern. Diese nun zum jeweiligen Zeitpunkt unterschiedliche, anliegende Spannung wird mit Hilfe des Tiefpasses 19 gleichgerichtet und mit der Verstärkerschaltung 20 verstärkt.

Bei einer bisherigen, gleichförmig gewickelten Meßspule, d.h. einer Meßspule mit einheitlicher Steigung und gleichmäßiger Wicklungsdichte, sind die auf der Innenseite des Meßrohrs 27

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durch sich ausbildende Wirbelströme verursachten Scheinwiderstandsänderungen in den Bereichen 11a, 11c an den Wicklungsenden geringer als in deren mittlerem Bereich 11b. Dies ist auf den, bezogen auf die gesamte Meßspulenlänge, nicht homogenen Verlauf des wirksamen magnetischen Wechselfeldes zurückzuführen. Im mittleren Bereich 11b der Meßspule wirken zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes die Windungen der linken und der rechten Spulenhälfte zusammen, während hingegen am Ende der Meßspule entweder die links oder rechts davon liegenden Wicklungen fehlen. Ferner sind bei Spannungsteilern oder Brückenschaltungen, in denen nur in einem Teil, in diesem Fall in der Meßspule 11, der Widerstandswert verändert wird, Linearitätsfehler unvermeidbar. Diese Linearitätsfehler können nun durch eine uneinheitliche Wicklung der Meßspule 11 mit ausgeglichen werden. Dazu werden an den beiden äußeren Bereichen 11a, 11c der Meßspule die Wicklungen mit unterschiedlicher Steigung gegenüber dem mittleren Bereich 11b gewickelt. Es sollen dabei die Wicklungen an den beiden äußeren Bereichen 11a, 11c der Meßspule eng aneinanderliegen und kontinuierlich in einen mittleren Bereich 11b mit gleichem Abstand zwischen den Wicklungen übergehen, d.h. also die Wicklungen liegen nicht mehr aneinander an. Es ist ersichtlich, daß das Ende der Meßspule 11, das zuerst in das Meßrohr 27 eintaucht, einen kürzeren Bereich 11c mit dichter Wicklung aufweist, als das andere Ende der Meßspule 11. Durch diese Verdichtung der Windungen an den Spulenenden erreicht man eine nahezu lineare Eichkurve 30 der anliegenden Meßspannung U über die Eintauchtiefe S der Meßspule 11 in das Meßrohr 27· Diese unterschiedliche Verdichtung der Windungen ist notwendig, da die S-förmige Eichkurve 3.0 am Anfang und am Ende der Eintauchtiefe eine unterschiedliche Steigung aufweist. Ferner können dadurch die Linearitätsfehler des Spannungsteilers bzw. der Brückenschaltung ausgeglichen werden. Eine Erklärung für diesen Effekt ist in einer Verstärkung des magnetischen Wechselfeldes an den En-

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den der Meßspule 11, d.h. in den Bereichen 11a und 11c, durch eine größere Anzahl von Wicklungen pro Spulenlänge zu sehen sowie an der dadurch "bedingten höheren Anzahl von bedämpften Windungen.

Selbstverständlich ist es auch denkbar, zusätzliche Spulenwindungen mit gleicher Feldrichtung an den beiden Enden der Meßspule 11 und somit mehrlagig anzuordnen. Ferner wären auch Zusatzspulen mit entgegengesetzter Feldrichtung in der Spulenmitte, d.h. im Bereich 11b, denkbar. Diese nun lineare Eichkurve kann mit Hilfe der "Verstärkerschaltung 20 mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor verstärkt werden.

Wie in Figur k näher dargestellt, ist es auch möglieh, die Wicklungen nicht nur am Anfang und am Ende der Meßspule 11 zu verdichten, sondern auch an jeder beliebigen Stelle der Meßspule. Durch diese Bereiche 33a, 33b mit enger bzw. weiter auseinander gezogenen Windungen der Meßspule 3^ auf dem Kern 28 können Kennlinien erzeugt werden, deren Empfindlichkeiten abschnittsweise unterschiedlich groß sind. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Meßspule 3h an bestimmte. Erfordernisse, z.B. eine hohe Genauigkeit an wichtigen Meßpunkten, angepaßt werden.

Ferner ist es auch möglieh, die Meßspule auf einen aus nicht elektrisch leitenden Werkstoff hergestellten Hohlzylinder zu wickeln, in den der metallische Kern eintaucht. Auf dessen Oberfläche können sich, wie oben beschrieben, Wirbelströme ausbilden.

Die Sensoranordnung kann aber auch nach dem induktiven Verfahren betrieben werden. Die Wicklungsdichte ist dann auf eine Eichkurve mit positiver Steigung abzustimmen. Dabei gelten sinngemäß die gleichen Verhältnisse.

Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Ansprüche

1. Sensoranordnung mit einer Spule (11) und einem relativ zu dieser bewegten Kern (28), die von Wechselstrom durchflossen ist und in eine Spannungsteilerschaltung (lh) oder in eine Brückenschaltung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) Bereiche (11a, 11Td, 11c) mit unterschiedlicher Wicklungsanzahl derart aufweist,· daß die am Ausgang der Schaltung abgegriffene Spannung eine lineare Kennlinie (30) bezogen auf die Relativbewegung der Spule (11) zum Kern (28) hat.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) einlagig gewickelt ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) mehrlagig gewickelt ist.

k. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) Bereiche (11a, 11b) mit zusätzlichen Spulen aufweist, die gleiche Feldrichtung wie die Spule (11) haben.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) Bereiche (11b) mit zusätzlichen Spulen aufweist, die entgegengesetzte Feldrichtung wie die Spule (11) haben.

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β. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) am Anfang und am Ende Bereiche (T1a, 11c) mit hoher Wicklungsdichte und einen mittleren Bereich mit geringer Wicklungsdichte aufweist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) am Anfang eine größere Wicklungsdichte aufweist als an ihrem Ende.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 7_S dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Längenmessung dient.