PL218944B1

PL218944B1 - Method for measuring the impedance components of the inductive sensor and system for measuring the impedance components of the inductive sensor

Info

Publication number: PL218944B1
Application number: PL391744A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Marszałek
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2015-02-27
Also published as: PL391744A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru składowych impedancji czujnika indukcyjnego i układ pomiarowy składowych impedancji czujnika indukcyjnego przeznaczony do detekcji pojazdów samochodowych. Czujnik indukcyjny w postaci płaskiej pętli umiejscowionej pod powierzchnią jezdni umożliwia detekcję pojazdu przemieszczającego się ponad czujnikiem. Możliwa jest także identyfikacja typu pojazdu, ponieważ przemieszczający się ponad czujnikiem pojazd samochodowy powoduje dynamiczne i charakterystyczne dla typu pojazdu zmiany wartości reaktancji czujnika. Z uwagi na fakt, że zmierzone zmiany wartości reaktancji są stosunkowo niewielkie konieczne jest zastosowanie precyzyjnych metod pomiaru. Precyzyjne pomiary wartości elementów reaktancyjnych umożliwiają zrównoważone mostki prądu zmiennego: mostek Maxwella dla pomiaru reaktancji indukcyjnej i mostek Wiena stosowany przy pomiarze reaktancji pojemnościowej. Niekorzystną właściwością układów pomiarowych wykorzystujących struktury mostkowe jest fakt, że pomiary są czasochłonne, ponieważ po każdorazowym dostrojeniu amplitudy konieczne jest dostrojenie fazy, co powoduje, że proces pomiaru zawiera wiele kroków dostrojenia. Z tego względu dla wspomnianych czujników poszukuje się precyzyjnych metody pomiaru indukcyjności, która nie wymagałyby każdorazowego równoważenia mostka pomiarowego.The subject of the invention is a method for measuring impedance components of an inductive sensor and a measuring system for impedance components of an inductive sensor for the detection of motor vehicles. An inductive sensor in the form of a flat loop located under the road surface enables the detection of a vehicle passing above the sensor. It is also possible to identify the type of vehicle, because a vehicle traveling over the sensor causes dynamic and vehicle-type-specific changes in the reactance value of the sensor. Due to the fact that the measured changes in the reactance value are relatively small, it is necessary to use precise measurement methods. Accurate measurements of the values of the reactance elements enable balanced AC bridges: a Maxwell bridge for inductive reactance measurement and a Wien bridge for measuring capacitance. A disadvantage of measuring systems using bridge structures is that the measurements are time consuming, since after each amplitude tuning, phase tuning is necessary, which causes the measurement process to include many tuning steps. Therefore, for the aforementioned sensors, precise methods of measuring inductance are sought, which would not require balancing of the measuring bridge each time.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr 4,419,623 znany jest układ pomiarowy, w którym element o nieznanej reaktancji wraz z elementem reaktancyjnym o znanej wartości reaktancji przeciwnego typu są dołączone do wejścia wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz wyposażony jest w dostrajany zmienny rezystor w pętli sprzężenia zwrotnego. Po wzbudzeniu drgań w obwodzie, wartość indukcyjności jest obliczana w oparciu o częstotliwość drgań i wartość reaktancji znanego elementu. W oparciu o wartość optymalnej rezystancji w pętli sprzężenia zwrotnego oblicza się dobroć badanego elementu reaktancyjnego.From the US patent description No. 4,419,623 a measuring system is known in which an element of unknown reactance together with a reactance element of a known reactance value of the opposite type are connected to the input of the operational amplifier. The amplifier is equipped with an adjustable variable resistor in the feedback loop. After inducing vibrations in the circuit, the inductance value is calculated based on the oscillation frequency and the reactance value of the known component. Based on the value of the optimal resistance in the feedback loop, the Q factor of the tested reactance element is calculated.

Z polskiego opisu patentowego nr 185900 znany jest sposób pomiaru impedancji i jej składowych, w którym sygnały analogowe napięcia i prądu przetwarza się na sygnały cyfrowe prądowy i napięciowy, następnie przetworzone sygnały filtruje się w czterech filtrach ortogonalnych, po czym w oparciu o operacje mnożenia, dzielenia i pierwiastkowania przetworzonych sygnałów oblicza się wartość mierzonej reaktancji.The Polish patent specification No. 185900 describes a method of measuring impedance and its components, in which the analog voltage and current signals are converted into digital current and voltage signals, then the processed signals are filtered in four orthogonal filters, and then based on the multiplication and division operations and the square root of the processed signals the value of the measured reactance is calculated.

Z polskiego opisu patentowego nr 193586 znany jest sposób i układ do wyznaczania rezystancji i indukcyjności szeregowego modelu impedancji, w którym przez badany element wymusza się przepływ prądu zmiennego w czasie, który posiada co najmniej jedno ekstremum, po czym wykorzystując blok pomiarowy wyszukuje się chwilę wystąpienia ekstremum tego prądu zmiennego oraz wyznacza się chwilowe wartości prądu i spadku napięcia wywołanego tym prądem. Następnie wyznacza się wartość całki z prądu po czasie, wartość całki ze spadku napięcia po czasie, a w bloku obliczającym wyznacza się wartość rezystancji oraz wartość indukcyjności.The Polish patent specification No. 193586 describes a method and system for determining the resistance and inductance of a series impedance model, in which the tested element forces an alternating current to flow over time, which has at least one extreme, and then using the measuring block, the moment of occurrence of the extreme is searched for this alternating current and the instantaneous values of the current and the voltage drop caused by this current are determined. Then, the value of the integral of the current over time, the value of the integral of the voltage drop over time are determined, and the value of resistance and the value of inductance are determined in the calculating block.

Przedstawione przykłady urządzeń do pomiaru reaktancji wymagają czasochłonnych pomiarów lub zastosowania skomplikowanej procedury pomiarowej. Wymienionych niedogodności nie posiada rozwiązanie według wynalazku.The presented examples of reactance measuring devices require time-consuming measurements or the use of a complicated measuring procedure. The solution according to the invention does not have the abovementioned disadvantages.

Sposób pomiaru składowych impedancji czujnika indukcyjnego według wynalazku polega na tym, że doprowadza się mostek do stanu równowagi poprzez dobór właściwych wartości rezystancji w gałęzi kompensującej mostka oraz rejestracji ustawionych wartości w pamięci centralnej jednostki logicznej. Następnie dokonuje się przesunięcia w fazie sygnału z węzła kompensującego względem sygnału pierwszego węzła pomocniczego o wartość Δφ1, jednocześnie dokonuje się przesunięcia w fazie sygnału drugiego węzła pomocniczego względem sygnału węzła kompensującego o wartość Δφ2. Po czym, mierzy się wartości napięć pomiędzy głównym węzłem pomiarowym, a pierwszym węzłem pomocniczym oraz głównym węzłem pomiarowym, a drugim węzłem pomocniczym. Następnie zmierzone wartości napięć przetwarza się na postać sygnałów cyfrowych i przesyła się do pamięci centralnej jednostki logicznej. W oparciu o zarejestrowane po balansowaniu wartości parametrów w gałęzi kompensującej oraz aktualne zmierzone wartości sygnałów oblicza się, za pośrednictwem centralnej jednostki logicznej, aktualne składowe impedancji czujnika indukcyjnego.The method of measuring impedance components of an inductive sensor according to the invention consists in bringing the bridge to a state of equilibrium by selecting the appropriate resistance values in the compensating branch of the bridge and registering the set values in the central memory of the logical unit. Then, the signal from the compensating node is phase-shifted with respect to the signal of the first auxiliary node by Δφ1, while at the same time the signal of the second auxiliary node is shifted with respect to the signal of the compensating node by the value Δφ2. After that, the voltage values between the main measurement node and the first auxiliary node, and the main measurement node and the second auxiliary node are measured. Then the measured voltage values are converted into digital signals and transferred to the central memory of the logical unit. Based on the values of the parameters in the compensating branch recorded after balancing and the current measured signal values, the actual impedance components of the inductive sensor are calculated via a central logic unit.

Układ pomiarowy składowych impedancji czujnika indukcyjnego według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierwszy węzeł pomocniczy gałęzi kompensującej mostka prądu zmiennego połączony jest poprzez pierwszy przesuwnik fazowy z dzielnikiem napięcia, którego wyjście stanowi węzeł kompensujący, oraz połączony jest z drugim przesuwnikiem fazowym, którego wyjście stanowi drugi węzeł pomocniczy. Drugi węzeł pomocniczy, pierwszy węzeł pomocniczy, stanowiącyThe impedance measuring system of an inductive sensor according to the invention is characterized in that the first auxiliary node of the compensating branch of the alternating current bridge is connected through the first phase-shifter with a voltage divider, the output of which is the compensating node, and is connected to a second phase-shifter, the output of which is the second node. auxiliary. The second auxiliary node, the first auxiliary node, constituting

PL 218 944 B1 wejście pierwszego przesuwnika fazowego, oraz główny węzeł pomiarowy połączone są z blokiem pomiarowym. Blok pomiarowy połączony jest z centralną jednostką logiczną, ponadto pomiędzy węzeł kompensujący i główny węzeł pomiarowy włączony jest detektor równowagi mostka, który także połączony jest z centralną jednostką logiczną.The input of the first phase-shifter and the main measuring node are connected to the measuring block. The measurement block is connected to the central logic unit, moreover, between the compensating node and the main measurement node, a bridge balance detector is connected, which is also connected to the central logic unit.

Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku, po dokonaniu okresowego zrównoważenia mostka prądu zmiennego poprzez dobór właściwych wartości elementów w gałęzi kompensującej, możliwa jest realizacja szybkich pomiarów składowych impedancji elementu indukcyjnego, ponieważ dla kolejnych pomiarów nie przeprowadza się pełnego procesu balansowania mostka, natomiast zmianę składowych wartości impedancji wyznacza się w oparciu o aktualnie zmierzone wartości napięć pomiędzy głównym węzłem pomiarowym, a pierwszym węzłem pomocniczym oraz głównym węzłem pomiarowym, a drugim węzłem pomocniczym.Thanks to the application of the method according to the invention, after periodic balancing of the alternating current bridge by selecting the appropriate values of the elements in the compensating branch, it is possible to perform quick measurements of the impedance components of the inductive element, because for subsequent measurements the full bridge balancing process is not carried out, while the change of the components of the impedance values is determined based on the currently measured voltage values between the main measurement node and the first auxiliary node, and the main measurement node and the second auxiliary node.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania ujawniono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat elektryczny układu pomiarowego składowych impedancji elementu indukcyjnego, fig. 2a przedstawia układ wektorów napięć w płaszczyźnie zespolonej dla mostka zrównoważonego, fig. 2b przedstawia układ wektorów napięć dla mostka odstrojonego. Rysunki te (fig. 2a i fig. 2b) obrazują również sposób wyznaczania wartości wektora U_b, na podstawie aktualnych zmierzonych zespolonych wartości napięć Ubc i U_ba, co umożliwia obliczenie za pośrednictwem centralnej jednostki logicznej 4 dynamicznych zmian badanego elementu reaktancyjnego, jak również wyznaczenie aktualnej chwilowej wartości impedancji.The subject of the invention in an exemplary embodiment is disclosed in the drawing, in which Fig. 1 shows an electrical diagram of the measurement system of the impedance components of the inductive element, Fig. 2a shows the voltage vector system in the complex plane for a balanced bridge, Fig. 2b shows the voltage vector system for a detuned bridge. These drawings (Fig. 2a and Fig. 2b) also show the method of determining the value of the vector U _b , on the basis of the current measured complex voltage values Ubc and U _b a, which enables the calculation of 4 dynamic changes of the tested reactance element through the central logical unit, as well as determination of the current instantaneous impedance value.

Sposób pomiaru składowych impedancji czujnika indukcyjnego wykorzystuje skompensowany mostek prądu zmiennego, w którym precyzyjny proces kompensacji dokonuje się okresowo. W tym celu w ustalonych momentach czasowych dokonuje się kompensacji mostka pomiarowego poprzez dobór odpowiednich wartości dla, przestrajanych programowo za pośrednictwem bloku pomiarowego 7, elementów R1, R2 umiejscowionych w kompensacyjnej gałęzi pomiarowej 2. Dodatkowo, dokonuje się przesunięcia w fazie sygnału z węzła kompensującego r względem sygnału pierwszego węzła pomocniczego c o wartość Δφ1, jednocześnie dokonuje się przesunięcia w fazie sygnału drugiego węzła pomocniczego a względem sygnału węzła kompensującego r o wartość Δφ2, następnie mierzy się wartość napięcia U_bc pomiędzy głównym węzłem pomiarowym b, a pierwszym węzłem pomocniczym c oraz wartość napięcia Uba pomiędzy głównym węzłem pomiarowym b, a drugim węzłem pomocniczym a, po czym zmierzone wartości napięć przetwarza się na postać sygnałów cyfrowych i przesyła się do pamięci centralnej jednostki logicznej 4, następnie w oparciu o zarejestrowane po balansowaniu wartości parametrów w gałęzi kompensującej oraz aktualne zmierzone wartości sygnałów oblicza się, za pośrednictwem centralnej jednostki logicznej 4, aktualne składowe impedancji dla wektorów Ubc, Uba w oparciu, o które, a także wartość sygnału błędu V wyznacza się aktualne chwilowe wartości składowych impedancji czujnika indukcyjnego.The method of measuring the impedance components of an inductive sensor uses a compensated AC bridge, in which a precise compensation process is performed periodically. For this purpose, the measurement bridge is compensated at predetermined time moments by selecting the appropriate values for the program-tunable elements R1, R2 located in the compensating measurement branch 2, which are programmed via the measuring block 7. In addition, the signal from the compensating node r is shifted in phase with respect to of the signal of the first auxiliary node as the value of Δφ1, at the same time, the phase shift of the signal of the second auxiliary node a is made in relation to the signal of the compensating node r by the value of Δφ2, then the voltage value U _bc between the main measurement node b and the first auxiliary node c is measured and the voltage value Uba between the main measuring node b, and the second auxiliary node a, then the measured voltage values are converted into digital signals and sent to the central memory of logical unit 4, then based on the parameter values recorded in the compensating branch and the current values recorded after balancing. the measured signal values are calculated, via the central logical unit 4, the current impedance components for the Ubc, Uba vectors, based on which, as well as the error signal value V, the current instantaneous values of the impedance components of the inductive sensor are determined.

Układ pomiarowy składowych impedancji czujnika indukcyjnego, według wynalazku zawiera zasilany z generatora 11, mostek prądu zmiennego, którego główną gałąź pomiarową stanowią badany element indukcyjny 5 szeregowo połączony z rezystorem 6, a punkt połączenia wymienionych elementów stanowi główny węzeł pomiarowy b. Mostek ma kompensacyjną gałąź pomiarową 2 zawierającą szeregowo połączone, dwa przestrajane elementy rezystancyjne R1, R2, przy czym do jednego z elementów rezystancyjnych dołączony jest równolegle pojemnościowy element reaktancyjny C. Wspólny punkt połączenia wymienionych elementów, stanowi pierwszy węzeł pomocniczy c gałęzi kompensującej 2, który poprzez pierwszy przesuwnik fazowy 8 połączony jest z dzielnikiem napięcia 10, którego wyjście stanowi węzeł kompensujący r. Pomiędzy głównym węzłem pomiarowym b i węzłem kompensującym r załączony jest wskaźnik równowagi mostka 1. Układ pomiarowy składowych impedancji, według wynalazku, po dokonaniu zrównoważenia mostka prądu zmiennego poprzez dobór właściwych wartości elementów w gałęzi kompensującej, umożliwia realizację szybkich pomiarów składowych impedancji elementu indukcyjnego, ponieważ dla kolejnych pomiarów nie przeprowadza się pełnego procesu balansowania mostka. W rozwiązaniu według wynalazku szybki pomiar nowych wartości mierzonych parametrów umożliwia dodatkowe wyposażenie mostka prądu zmiennego, które stanowi: pomocnicza gałąź kompensacyjna, którą stanowi dzielnik napięcia 10, przesuwniki fazowe 8, 9, i blok pomiarowy 7 połączony z centralną jednostką logiczną 4. Nowe aktualne wartości składowych impedancji oblicza się w oparciu o zmierzone i zarejestrowane wartości napięć pomiędzy głównym węzłem pomiarowym b, a pierwszym węzłem pomocniczym c gałęzi kompensującej 2 oraz pomiędzy głównym węzłem pomiarowym b, a drugim węzłem pomocniczym pomiarowym a, stanowiącym wyjście drugiego przesuwnika fazowego 9. Oba sygnały w bloku pomiarowym 7 poddaje sięThe measuring system of the impedance components of an inductive sensor, according to the invention, comprises an alternating current bridge powered from the generator 11, the main measuring branch of which is the tested inductive element 5 in series with the resistor 6, and the connection point of the above-mentioned elements constitutes the main measuring node b. The bridge has a compensating measuring branch. 2 consisting of two tunable resistive elements R1, R2 in series, one of the resistive elements is connected in parallel with a capacitive reactance element C. The common connection point of the above-mentioned elements is the first auxiliary node c of the compensating branch 2, which is connected through the first phase shifter 8 is with a voltage divider 10, the output of which is the compensating node r. Between the main measuring node b and the compensating node r, there is a bridge equilibrium indicator 1. The impedance component measuring system, according to the invention, after balancing the AC bridge By selecting the correct values of the elements in the compensating branch, it enables the implementation of quick measurements of the impedance components of the inductive element, because the complete bridge balancing process is not performed for subsequent measurements. In the solution according to the invention, the quick measurement of new values of the measured parameters is possible thanks to the additional equipment of the alternating current bridge, which is: an auxiliary compensation branch, which is a voltage divider 10, phase shifting transformers 8, 9, and a measuring block 7 connected to the central logical unit 4. New current values components of impedance are calculated based on the measured and recorded voltage values between the main measuring node b and the first auxiliary node c of the compensating branch 2 and between the main measurement node b and the second auxiliary measurement node a, which is the output of the second phase shifter 9. Both signals in measuring block 7 is surrendered

PL 218 944 B1 procesowi kondycjonowania (tj. wzmocnienia, filtracji, demodulacji i konwersji analogowo-cyfrowej), następnie w oparciu o zmierzone aktualne wartości napięć i wartości parametrów, zapisanych w pamięci oblicza się aktualne składowe wartości impedancji elementu indukcyjnego.After the conditioning process (i.e., gain, filter, demodulation, and analog-to-digital conversion), the actual components of the impedance value of the inductor are then calculated based on the measured actual voltage values and parameter values stored in the memory.

P r z yk ł a d z a s t o s o w a n i aT h e a s t o s t o w a n i a

Układ pomiaru impedancji według wynalazku doskonale nadaje się do współpracy z czujnikiem indukcyjnym, przeznaczonym do monitoringu ruchu drogowego. Tego typu czujnik, ujawniony w opisie patentowym US 6917308, najczęściej zawiera pętlę indukcyjną, o długości ok. 7,5 cm i szerokości zbliżonej do szerokości jezdni, umiejscowioną na płaskim, elastycznym podłożu, którego jedna z powierzchni pokryta jest warstwą adhezyjną. Dzięki umiejscowieniu, co najmniej dwóch czujników na jezdni, które ustawia się poprzecznie w stosunku do kierunku jazdy, możliwy jest pomiar prędkości pojazdów, rozpoznanie typu i wielkości pojazdu w oparciu o ilość osi i rozstaw osi. Identyfikacja typu pojazdu odbywa się w oparciu o chwilowe wartości zmian impedancji zespolonej pętli indukcyjnej podczas przejazdu pojazdu nad czujnikiem. Układ według wynalazku spełnia wymagania dla tego typu aplikacji, ponieważ umożliwia szybką detekcję obecności obiektu magnetycznego, jak również detekcję obiektów nie posiadających właściwości magnetycznych lecz przewodzących prąd elektryczny. Rozróżnienie tych odmiennych elementów (magnetycznych i niemagnetycznych) jest możliwe poprzez określenie zmian wektorów U_bc i Uab w płaszczyźnie zespolonej impedancji (fig. 2b) w stosunku do stanu równowagi (fig. 2a) zapisanego w pamięci centralnej jednostki logicznej 4.The impedance measurement system according to the invention is perfectly suited for cooperation with an inductive sensor intended for monitoring road traffic. This type of sensor, disclosed in US Patent No. 6,917,308, most often includes an induction loop approximately 7.5 cm long and similar to the width of the road, placed on a flat, flexible substrate, one of its surfaces is covered with an adhesive layer. Thanks to the location of at least two sensors on the road, which are positioned transversely to the direction of travel, it is possible to measure the speed of vehicles, recognize the type and size of the vehicle based on the number of axles and wheelbase. The identification of the vehicle type is based on the instantaneous values of changes in the impedance of the complex induction loop during the vehicle passing over the sensor. The system according to the invention meets the requirements for this type of application, because it enables quick detection of the presence of a magnetic object, as well as the detection of objects that do not have magnetic properties, but conduct electricity. The distinction between these different elements (magnetic and non-magnetic) is possible by determining the changes of the vectors U _bc and Uab in the complex impedance plane (Fig. 2b) in relation to the equilibrium state (Fig. 2a) stored in the central memory of the logical unit 4.

Dodatkową zaletą czujnika według wynalazku jest jego zdolność do adaptacji. Ponieważ opisany czujnik indukcyjny zazwyczaj pracuje w zmiennych warunkach środowiskowych (temperatura, wilgotność, zasolenie) zmiany impedancji pętli indukcyjnej są nieuchronne, zmiana właściwości czujnika indukcyjnego ogranicza precyzję pomiarów dynamicznych. Dzięki zastosowaniu elementu regulacyjnego 3 możliwe jest okresowe równoważenie układu pomiarowego. Proces ten może być realizowany programowo w ustalonych momentach czasowych (przykładowo: raz na dobę, co godzinę) wyznaczonych przez centralną jednostkę logiczną 4.An additional advantage of the sensor according to the invention is its adaptability. Since the described inductive sensor usually operates under variable environmental conditions (temperature, humidity, salinity), changes in the induction loop impedance are inevitable, changing the properties of the inductive sensor limits the precision of dynamic measurements. Due to the use of the regulating element 3, it is possible to periodically balance the measuring system. This process can be implemented programmatically at fixed times (for example: once a day, every hour) determined by the central logical unit 4.

Claims

Patent claims

1. The method of measuring the impedance components of an inductive sensor through an alternating current bridge, in which the balancing process is performed by setting the minimum voltage value between the measuring node and the compensation node, characterized in that the bridge is balanced by selecting the appropriate resistance values in the compensating branch of the bridge ( 2), which are recorded in the central memory of the logical unit (4), then the signal from the compensating node (r) is phase-shifted with respect to the signal of the first auxiliary node (c) by the value of Δφ1, while the signal of the second auxiliary node is phase-shifted (a) with respect to the signal of the compensating node (r) by the value of Δφ2, then the voltage values Uac between the main measurement node (b) and the first auxiliary node (c) and the voltage value Uba between the main measurement node (b) and the second node are measured auxiliary (a), then the measured voltage values are converted into the form of digital signals and sent to the central memory of the logical unit (4), then based on the values of parameters recorded in the compensating branch (2) recorded after balancing and the current measured values of the signals Ug _c , U _{ba are} calculated by the central logical unit ( 4), the actual impedance components of the inductive sensor.

2. An inductive sensor impedance measuring system comprising a measuring AC bridge, characterized in that it has a first auxiliary node (c) of the compensating branch (2) of the AC bridge connected through the first phase shifter (8) with the voltage divider (10), the output is the compensating node (r), and is connected to the second phase-shifter (9), the output of which is the second auxiliary node (a), moreover, the second auxiliary node (a), the first auxiliary node (c) that is the input of the first phase-shifter (8) ), and the main measuring node (b) are connected to the measuring block (7), the measuring block (7) is connected to the central logical unit (4), moreover, between the compensating node (r) and the main measuring node (b) there is a bridge balance detector (1) which is also connected to the central logic unit (4).