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Meßverfahren zum Messen von Induktivitäten
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Meßverfahren nach
der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solches Meßverfahren ist aus der DE-OS 31 17
808 bekannt. Bei diesem Meßverfahren nach dem Kompensationsverfahren bildet in einer
Schaltungsanordnung eine Referenzinduktivität zusammen mit einem Widerstand ein
Zeitglied, das über einen Verstärker und einen Schmitt-Trigger zu einer Schwingschaltung
geschaltet ist.
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Weiter ist ein zweites Zeitglied vorgesehen, das die variable Induktivität
erhält. Die variable Induktivität wird entweder mittels eines elektronischen Schalters
statt
der Referenzinduktivität rückgekoppelt oder aber von der ersten Schwingschaltung
getriggert. Die Induktivitätsänderung wird durch eine Differenzbildung oder eine
Quotientenbildung festgestellt.
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Bei dem bekannten Verfahren wird jedoch die Taktzeit extern vorgegeben.
Der erwähnte elektronische Schalter tastet unabhängig von den Werten der Induktivität
die Spannungsverhältnisse an den beiden Induktivitäten ab.
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Werden nicht die Impulse unmittelbar, sondern eine aus ihnen erzeugte
Gleichspannung als Vergleichswert herangezogen, so werden die beiden Impulsreihen
über einen gleichen Gleichrichter geführt.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß zum Bilden eines
Zeitglieds mit der jeweiligen Induktivität nur ein einziger gemeinsamer Serienwiderstand
vorgesehen ist. Dadurch spielen irgendwelche Toleranzen des Serienwiderstands keine
Rolle. Weiter läßt sich die Zahl der Bauteile - insbesondere der Bauteile mit engen
Toleranzen - stark reduzieren. Der Serienwiderstand liegt stets an der Versorgungsspannung,
eine Umschaltrichtung schaltet einmal die feste Referenzinduktivität und einmal
die zu messende variable Induktivität an den Serienwiderstand.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, daß die Umschaltvorrichtung
durch
einen Schwellwertschalter steuerbar ist, der nach dem Erreichen eines vorgebbaren
Schwellwerts des Spannungsabfalls über dem Serienwiderstand die gerade eingeschaltete
Induktivität wieder abschaltet.
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Der gleiche Schwellwertschalter dient dazu, nach dem Abklingen der
Spannung über dem Serienwiderstand auf einen unteren Schwellwert die andere der
beiden Induktivitäten an den Serienwiderstand anzuschließen.
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Ein Überschneiden der Einschaltzeiten ist damit ausgeschlossen. Durch
eine geeignete Mitkopplung wird in vorteilhafter Weise das Schalten des Umschalters
schlagartig durchgeführt.
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Von großem Vorteil ist weiter, daß alle Umschaltzeiten intern erzeugt
werden. Ein externer Taktgeber ist nicht nötig. Die Meßvorrichtung kann somit mit
höherer Genauigkeit und mit voller Sicherheit arbeiten.
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In vorteilhafter Weise werden die Meßergebnisse, die die Referenzinduktivität
und die zu messende variable Induktivität liefern, in getrennten Kanälen gleichgerichtet,
wenn ein analoges Signal gewünscht wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, insbesondere in Bezug auf die
Schaltungsanordnung, ergeben sich aus der Beschreibung.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt
das Prinzip des Meßverfahrens anhand eines Blockschaltbilds, Figur 2 ist der Stromlaufplan
eines
ersten Ausführungsbeispiels und Figur 3 der Stromlaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Das Meßprinzip zeigt Figur 1.
Eine Referenzinduktivität 11 und eine zu messende veränderliche Induktivität 12
sind innerhalb eines Gebers 13 angeordnet. Die beiden Induktivitäten 11 und 12 liegen
mit ihrem einen Ende an Masse und mit ihrem'anderen Ende an jeweils einer Schalt
strecke eines Umschalters 14. Der Umschalter 14 ist im Ausführungsbeispiel durch
zwei Schalttransistoren 15 und 16 realisiert, der Transistor 15 ist der Referenzinduktivität
11 und der Transistor 16 der veränderlichen Induktivität 12 zugeordnet. Von den
Emittern der beiden Transistoren 15 und 16 führt eine Leitung zu einem Serienwiderstand
17, der mit seinem anderen Ende an eine Versorgungsspannungsklemme 18 angeschlossen
ist.
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Weiter ist ein Schwellwertschalter 19 vorgesehen.
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Zwei Eingänge des Schwellwertschalters sind an die beiden Anschlüsse
des Serienwiderstands 17 angeschlossen. Ein Ausgang des Schwellwertschalters 19
ist mit einer Entkopplungsvorrichtung 21 verbunden, die zweckmäßigerweise zwei Dioden
22, 23 enthält. Am Eingang der Entkopplungsvorrichtung 21 und damit am Ausgang des
Schwellwertschalters 19 liegen die Anoden der beiden Dioden 22 und 23, die Kathode
der Diode 22 ist mit der Basis des Schalttransistors 15 und die Kathode der Diode
23 mit der Basis des Schalttransistors 16 der Umschaltvorrichtung i4 verbunden.
Weiter ist eine Mitkopplungsvorrichtung 24 mit zwei Mitkopplungswiderständen 25
und 26 vorgesehen. Der Mitkopplungswiderstand
25 liegt zwischen
dem heißen Anschluß der Referenzinduktivität 11 und der als Steueranschluß dienenden
Basis des der variablen Induktivität zugeordneten Transistors 16, der andere Mitkopplun.wswiderstand
26 liegt zwischen dem heißen Ende der variablen Induktivität 12 und der als Steueranschluß
dienenden Basis des der Referenzinduktivität 11 zugeordneten Transistors 15 der
Umschaltvorrichtung 14.
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Der Referenzinduktivität 11 ist eine Freilaufdiode 27 und der zu messenden
variablen Induktivität 12 eine Freilaufdiode 28 parallelgeschaltet.
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Die Zeitauswertung erfolgt mit Hilfe einer Zeitauswertungsvorrichtung
31, von der ein Eingang an das heiße Ende der Referenzinduktivität 11 und ein anderer
Eingang an das heiße Ende der variablen Induktivität 12 angeschlossen ist. Diese
Zeitauswertungsvorrichtung 31 wertet das Tastzeitverhältnis der Umschaltvorrichtung
14 aus und liefert an ihrem Ausgang ein digitales Signal, das für die Auswertung
durch einen Zähler geeignet ist.
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Eine nähere Beschreibung folgt weiter unten.
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Soll ein analoges Signal zur Verfügung gestellt werden, so werden
die über der Referenzinduktivität 11 und der variablen Induktivität 12 ablaufenden
Spannungsvorgänge in einem Gleichrichter 32 gleichgerichtet, und zwar für jede der
Induktivitäten 11 und 12 je für sich. Dem Gleichrichter 32 ist eine Auswertestufe
33 nachgeschaltet, die eine Anordnung zur Mittelwertbildung und einen Differenzverstärker
enthält. Am Ausgang dieser Auswertestufe 33 steht dann beispielsweise das Integral
der Spannung nach der Zeit zur Verfügung.
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In der Meßvorrichtung nach Figur 2 besteht die Möglichkeit, die Versorgungsspannung
18 über den Serienwiderstand 19 alternativ auf die Referenzinduktivität 11 oder
die variable Induktivität 12 durchzuschalten. Der Strom i durch den Serienwiderstand
17 nimmt solange zu, bis am Serienwiderstand eine Spannungsdifferenz &uUt7 =t
Umax auftritt.
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17 Der Schwellwertschalter 19, der durch die Spannungsdifferenz 8
U17 gesteuert wird, schaltet dann über die Entkopplungsvorrichtung 21 und die beiden
Dioden 22 und 23 die beiden Transistoren 15 und 16 des Umschalters 14 in ihren gesperrten
Zustand. Wurde zum Beispiel zunächst die variable Induktivität 12 eingeschaltet,
so wird jetzt dieser Induktivität 12 kein weiterer Strom mehr zugeführt. Aber auch
die Referenzinduktivität 11 erhält noch keinen Strom.
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Da durch den Serienwiderstand i7 nun kein Strom mehr fließt, sinkt
auch die Spannungsdifferenz d U17 wieder ab. Sobald ein unterer Wert 8 U17 = Q imin
unterschritten wird, verschwindet auch das Ausgangssignal am Schwellwertschalter
19. Nun fließt aber in der zuvor eingeschalteten variablen Induktivität 12 bis zum
Abbau des aufgebauten Magnetfelds ein Strom weiter, obwohl ja der Schalttransistor
16 schon gesperrt ist. Der Strom aus der Induktivität 12 fließt über die Freilaufdiode
28. Über der variablen Induktivität 12 entsteht aber eine negative Spannungsspitze,
die über den Mitkopplungswiderstand 26 der Mitkopplungsvorrichtung 24 an die Basis
des Schalttransistors 15 geführt wird. Der Schalttransistor 15 ist aber der Referenzinduktivität
11 zugeordnet. Der Transistor 15 schaltet durch und legt damit die Referenzinduktivität
11 über den Serienwiderstand 17
an die Versorgungsspannung 18.
Das Spiel beginnt mit der anderen Induktivität, also der Referenzinduktivität 11,
von vorn. Mit Hilfe dieser Schaltungsanordnung ist die wechselweise Durchschaltung
der beiden Induktivitäten 11, 12 sichergestellt.
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In der Zeitauswertevorrichtung 31 wird gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren das Zeitverhältnis der Durchschaltung des Transistors 16 zu der Durchschaltung
des Transistors 15 gemessen. Es kann aber auch genausogut das Zeitverhältnis der
Sperrung des Transistors 16 des Umschalters 14 zu der Sperrung des Transistors 15
gewählt werden. Für den Fall, daß weniger hohe Anforderungen an die Genauigkeit
der Messung gestellt werden, kann statt dessen das Zeitverhältnis von Sperrung zu
Durchschaltung des Schalttransistors 15 oder 16 ausgewertet werden.
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Legt man keinen Wert auf eine lineare Auswertung, so ist es möglich,
das Verhältnis der Durchschaltzeit beispielsweise des Schalttransistors 16 des Umschalters
14 zur gesamten Zykluszeit der Auswertung zugrunde zulegen. Man kann auch das Verhältnis
zwischen Startzeit und gesamter Zykluszeit des Schalttransistors 16 nehmen. Selbstverständlich
kann man der Auswertung auch die Schaltimpulse des Transistors 15 des Umschalters
14 zugrundelegen. Obwohl diese Auswertung nicht linear ist, besteht bei einem kleinen
Unterschied zwischen dem Wert der Referenzinduktivität 11 und dem Wert der variablen
Induktivität 12 praktisch keine Abweichung gegenüber den bisher geschilderten Meßverfahren.
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Die bis hierher geschilderte Auswertung ist für digitale Verfahren
gedacht, bei denen die Impulslängen ausgewertet werden. Für eine analoge Auswertung
sind der Gleichrichter 32 und die Auswertestufe 33 vorgesehen. Der Gleichrichter
32 richtet die Impulsspannungen, die über jeder der beiden Induktivitäten 11 oder
12 auftreten, gleich und mittelt sie über die Zeit, integriert sie also, und verstärkt
sie.
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Entsprechend dem Schaltzustand der Schaltertransistoren 15 oder 16
werden dazu zwei feste Spannungen präzise geschaltet. Näheres hierzu wird weiter
unten ausgeführt.
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Figur 2 zeigt eine erste praktische Verwirklichung einer analogen
Spannungsauswertung. Der Schwellwertschalter 19 umfaßt zwei Transistoren 34, 35.
An die Versorgungsspannungsquelle 18 ist ein Spannungsteiler mit den Widerständen
36 und 37 angeschlossen, an der Anzapfung liegt die Basis des Transistors 34. Die
Basis des Transistors 35 liegt über einen Widerstand 38 an der Versorgungsspannung
18 und über eine Zenerdiode 39 am Kollektor des Transistors 34. Die Basis des Transistors
34 ist mit dem Kollektor des Transistors 35 über einen Widerstand 41 verbunden.
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Der Kollektor des Transistors 35 liegt über einen Widerstand 42 und
der Kollektor des Transistors 34 über einen Widerstand 43 an Masse.
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Die Entkopplungsvorrichtung 14 enthält die beiden Dioden 22 und 23,
die mit ihrer Anode an den Kollektor des Transistors 35 des Schwellwertschalters
19 angeschlossen sind. Die Kathode der Diode 22 liegt über einen Widerstand 44 an
der Versorgungsspannung 18
und außerdem direkt an der Basis des
Transistors 15 des Umschalters 14. Die Kathode der Diode 23 liegt an der Basis des
Schalttransistors 16 des Umschalters 14 und außerdem über einen Widerstand 45 an
der Versorgungsspannung 18.
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Die Umschaltvorrichtung 14 enthält die beiden Transistoren 15 und
16, deren Emitter zusammengeschaltet sind und sowohl am Transistor 34 des Schwellwert
schalters 19 als auch über eine Serienschaltung von zwei Widerständen 46, 47 an
der Versorgungsspannung 18 liegen. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 46,
47 ist mit dem Emitter des Transistors 35 des Schwellwertschalters 19 verbunden.
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Der Kollektor des Schaltwiderstands 15 des Umschalters 14 ist über
den Mitkopplungswiderstand 26 mit der Basis des Transistors 16 verbunden und liegt
außerdem am heißen Ende der Referenzinduktivität 11. Der Kollektor des Schalttransistors
16 ist über den Mit-Kopplungswiderstand 25 mit der Basis des Schalttransistors 15
verbunden und liegt außerdem am heißen Ende der variablen Induktivität 12. Am heißen
Ende der Referenzinduktivität 11 liegt die Kathode einer Freilaufdiode 29, am heißen
Ende der variablen Induktivität 12 die Kathode einer Freilaufdiode 28.
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Die Kathoden der beiden Freilaufdioden 28, 29 sind über eine Zenerdiode
48 an Masse geführt. Der Gleichrichter 32 umfaßt Dioden 51 und 52, von denen die
Diode 51 mit ihrer Anode am heißen Ende der Referenzinduktivität 11 und die Diode
52 mit ihrer Anode am heißen Ende der variablen Induktivität 12 liegt.
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Jeder der Dioden ist ein Integrationsglied nachgeschaltet,
der
Diode 51 ein Integrationsglied mit dem Widerstand 53, der Widerstand 54, dem Widerstand
55 und den Kondensatoren 56 und 57; das der Diode 52 zugeordnete Integrationsglied
umfaßt die Widerstände 58, 59, 61 und den Kondensator 6 . Die Integrationsglieder
sind bereits Bestandteile der Auswertestufe 33. Die Auswertestufe enthält weiter
einen Operationsverstärker 62, dessen nichtinvertierender Eingang über das zugehörige
Integrationsglied an der Gleichrichterdiode 51 und andererseits über einen Vorwiderstand
63 an der Anzapfung eines Spannungsteilers mit den Widerständen 64 und 65 liegt.
Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 62 ist über das zugehörige Integrationsglied
an die Gleichrichterdiode 52 angeschlossen und gleichzeitig mit dem Ausgang des
Operationsverstärkers 62 über die Parallelschaltung eines Widerstands 65 mit einem
Kondensator 66 verbunden.
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Das Teilerverhältnis aus den Widerständen 36 und 37 bildet die Ansprechschwelle
für den Transistor 34.
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Erreicht der Strom über den Serienwiderstand diejenige Größe, die
die Ansprechschwelle d U erzeugt, dann max wird sowohl der Transistor 34 als auch
der Transistor 35 leitend. Über die Widerstände 44 und 45 werden damit die beiden
Schalttransistoren 15 und 16 gesperrt. An der jetzt abgeschalteten Induktivität
11 oder 12 schaltet jetzt die hohe negative Spannung über der bisher stromführenden
und jetzt abgeschalteten Induktivität denjenigen Transistor 16 oder 15 durch, der
vor der anderen Induktivität 12 oder 11 liegt.
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Die Widerstände 44 und 45 sorgen für die sichere Sperrung des gerade
abgeschalteten Transistors 15 oder 16. Die negative Spannung über der jeweils gerade
abgeschalteten Induktivität 11 oder 12 wird durch die Zenerdiode 48 begrenzt, dadurch
werden Schäden an den Schalttransistoren 15 oder 16 vermieden. Parallel zu der Zenerdiode
48 kann ein Widerstand geschaltet sein. Statt der Zenerdiode 48 läßt sich auch ein
Widerstand allein oder eine Kombination aus einem Widerstand und einem Kondensator
einsetzen.
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Der Gleichrichter 32 mit den Dioden 51 und 52 arbeitet symmetrisch,
sodaß auch hier kaum Fehler durch Toleranzen entstehen. Sind die beiden Widerstände
54 und 59 klein gegen die Spannungsteilerwiderstände 64 und 54, so wird hauptsächlich
der arithmetische Mittelwert und weniger der Spitzenwert der Spannung über den Induktivitäten
11 und 12 ausgewertet.
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Es ist zweckmäßig, zur Mittelwertbildung die beiden Eingangskanäle
des Operationsverstärkers 62 in gleicher Weise zu filtern. Die Kombination aus den
Widerständen 54 und 59 und dem Kondensator 62 dient dabei als Vorfilter 67. Weiter
ist es zweckmäßig, den Kanal am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
mit Kondensatoren 56 und 57 zu versehen, deren Kapazitätswerte das gleiche Teilerverhältnis
haben wie die Spannungsteilerwiderstände 65 und 64. Damit wird die Versorgungsspannung
18 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 62 im wesentlichen immer
gleich geteilt, auch wenn auf der Versorgungsspannung 18 Spannungsspitzen auftreten.
Dies ist nämlich bei allen
denjenigen Schaltungen wichtig, die
nicht auf absolute Spannungswerte, sondern auf Verhältnisse von Spannungen zur Versorgungsspannung
18 ansprechen.
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Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem einfacheren
Schwellwertschalter, aber sonst gleichen Bauelementen. Gleiche Bauelemente sind
wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Zenerdiode 39 ist durch einen Widerstand
139 ersetzt. Die Funktion des einfacheren Ausführungsbeispiels nach Figur 3 ist
die gleiche wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel.