DE10120822A1 - Induktiver Wegmessaufnehmer mit linearem Kennlinienverhalten - Google Patents

Abstract

Bei einem induktiven Wegmessaufnehmer mit einem verschieblichen, magnetisch permeablen Messkopf (10), mit wenigstens einer Messschleife (30), deren geometrische Gestalt sich in Abhängigkeit vom Verschiebungsweg des Messkopfes (10) ändert, mit wenigstens einer Erregerschleife (20), mittels der in dem Messkopf (10) ein magnetischer Fluß (60) erzeugbar ist, der die Messschleife (30) an jedem Punkt des Verschiebungsweges, im Wesentlichen im Bereich des Messkopfes (10), durchsetzt und ein elektrisches Messsignal (i2) induziert und mit wenigstens einer Referenzschleife (40), deren geometrische Gestalt sich über den Verschiebungsweg, im Wesentlichen im Bereich des Messkopfes (10, von einem magnetischen Fluss (60) durchsetzt ist, wobei die Referenzschleife (40) durchsetzende Amplitude des magnetischen Flusses konstant gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Wegmessaufnehmer gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine elektrische Schaltungsanordnung zu seinem Betrieb gemäß dem unabhängigen Anspruch 10.

Ein gattungsgemäßer induktiver Wegmessaufnehmer ist aus der FR 2 682 760 A1 bekannt geworden. Bei diesem Wegmessaufnehmer ist an einem elektrisch isolierenden rechteckförmigen Träger ein entlang des Trägers verschiebbarer Läufer angeordnet, der den Träger U- förmig umschließt und der als Messkopf zur Wegmessung dient. Der Messkopf besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Auf dem Träger sind eine rechteckförmig ausgebildete elektrische Erregerschleife und eine V- förmig ausgebildete Messschleife aufgebracht. Eine an die Erregerschleife angelegte Wechselspannung induziert nach dem Induktionsgesetz über den im Messkopf sich ausbildenden magnetischen Kreis sowie über Luft eine Wechselspannung in der Messschleife. Aufgrund der sich stetig ändernden geometrische Gestalt der Messschleife entlang des Verschiebungsweges des Messkopfes sowie der über den Verschiebungsweg sich nicht ändernden Gestalt der Erregerschleife ändert sich das Ausgangssignal der Messschleife ebenfalls stetig mit einer Verschiebung des Messkopfes entlang des Trägers.

In der DE 39 13 861 A1 ist ein ähnlicher Wegmessaufnehmer beschrieben, bei dem der Messkopf allerdings ein elektrisch aktives (induktives) Element aufweist, das Bestandteil eines extern anregbaren Schwingkreises ist. Zusätzlich zur Messschleife ist eine Referenzschleife vorgesehen, die zur Beobachtung einer Steuerspannung des Schwingkreises dient und mittels der Änderungen in der Flussdichte, beispielsweise aufgrund einer Spannungsänderung einer Wechselspannungsquelle oder Änderungen der Umgebungstemperatur, erfasst werden können. Hierdurch kann die Flussdichte des durch das induktive Element erzeugten magnetischen Feldes konstant gehalten werden. Das induktive Element induziert dabei in der Messschleife eine Messspannug und in der Referenzschleife eine Referenzspannung.

Ein induktiver Wegmessaufnehmer mit elektrisch aktivem Messkopf sowie einer Referenzschleife ist auch in der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Az. 100 16 540.0 offenbart. Sowohl die Messschleife als auch die Referenzschleife werden dort als Auswerteschleifen verwendet, wobei das Messsignal aus dem Quotienten aus Messspannung und Referenzspannung gebildet wird. Durch die Quotientenbildung werden insbesondere Temperaturdrifts und Lageänderungen des Messkopfes rechnerisch eliminiert.

Nachteile der DE 39 13 861 A1 und der DE 100 16 540.0 sind, dass der Messkopf aktiv ist und eine ständige Energiezufuhr benötigt, die nur durch bewegte, mitgeführte Leitungen realisierbar ist.

Der Nachteil der in der FR 2 682 760 A1 beschriebenen Anordnung ist, dass Temperatureinflüsse und Lageänderungen des Messkopfes zu unstabilen Messwerten führen, weiterhin dass die Anregung kontinuierlich ist und für verwertbare Signale eine hohe Betriebsleistung erforderlich ist.

Weiterhin ist nicht dafür gesorgt, dass der Einfluss der Luftkopplung zwischen Erreger- und Messschleife konstant bleibt und daher als sich nicht verändernder Konstante vom Messwert abgezogen werden kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen induktiven Wegaufnehmer der beschriebenen Art, sowie eine Schaltungsanordnung zu seinem Betrieb dahingehend weiterzuentwickeln, dass dieser ein möglichst stabiles Messsignal über einen weiten Temperaturbereich und/oder Betriebsspannungsbereich ohne wesentliche Beeinflussung durch mechanische Toleranzen liefert und dabei eine niedrige Betriebsleistung benötigt. Darüber hinaus soll durch einen einfachen, technischen Aufbau ein möglichst gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis erreicht werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung sieht bei einem elektrisch passiven Messkopf eine in Fig. 1 dargestellte Referenzschleife vor, wobei beim Messvorgang die Amplitude des sie durchsetzenden, magnetischen Flusses durch einen Regelvorgang konstant gehalten wird. Somit bleibt die Messspannung unbeeinflusst von den erwähnten Störgrößen.

Wegen der vorhandenen Regelung durch die Referenzspule bleibt die Lufteinkopplung in die Messspule konstant und kann als Messweg unabhängige Größe kompensiert werden. Die daraus resultierende Quotientenbildung aus Messspannung und Referenzspannung liefert daher unmittelbar die gewünschte Messgröße.

Zum einen erfordert der vorgeschlagene passive Messkopf keine beweglichen Teile oder elektrischen Zuleitungen und ist daher kostengünstig und äußerst zuverlässig realisierbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die in der Referenzschleife induzierte Referenzspannung bzw. der dadurch bedingte Referenzstrom mittels einer Regelung, bevorzugt einer PI-Regelung, konstant gehalten. Diese Maßnahme gewährleistet einen besonders stabilen Betrieb des Wegmessaufnehmers. Mittels der Regelung arbeitet der Wegmessaufnehmer völlig autonom, und liefert unmittelbar, ohne den im Stand der Technik noch erforderlichen rechnerischen Auswertungsschritt, das erwünschte Messsignal.

Der ebenfalls vorgeschlagene niederohmige Betrieb der Messschleife bzw. Referenzschleife hat den Vorteil, dass der Wegmessaufnehmer und die Schaltungsanordnung unempfindlicher werden gegenüber äußeren Störeinflüssen, wie z. B. elektromagnetischen oder kapazitiven Einstreuungen.

Der bei einer weiteren Ausführungsform vorgeschlagene pulsförmige Betrieb bedingt in vorteilhafter Weise eine verringerte Energiedissipation bei den verschiedenen Induktionsvorgängen und somit zu einem insgesamt niedrigeren Stromverbrauch.

Aus der nachfolgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung, wobei identische oder funktional gleiche Merkmale mit identischen Bezugszahlen bezeichnet sind.

Dabei zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wegmessaufnehmers;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Erreger, Mess- und Referenzschleife;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb eines in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wegmessaufnehmers;

Fig. 4 an einem erfindungsgemäßen Wegmessaufnehmer gemessene Kennlinien Spannung über Messkopfverschiebung mit PI-Reglerstufe.

Der in Fig. 1 gezeigte Wegmessaufnehmer weist einen Messkopf 10 (Positionsgeber) auf, der in einer gezeigten x-Richtung entlang einer Anordnung von Leiterschleifen, und zwar einer Erregerschleife 20, einer Messschleife 30 sowie einer Referenzschleife 40, verschieblich ausgebildet ist. Der linear verschiebliche Messkopf 10 stellt jedoch nur ein Ausführungsbeispiel dar und kann jede beliebige Verschiebungskurve, beispielsweise eine kreisförmige oder elliptische Verschiebungskurve, beschreiben.

Der Messkopf 10 besteht aus einem magnetisch permeablen Material, im vorliegenden Beispiel aus einem Ferritkern, kann jedoch auch aus einem Material mit ferromagnetischen Eigenschaften gebildet sein. Beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung 50 an der Erregerschleife 20, bildet sich ein durch Magnetfeldlinien 60 angedeutetes Magnetfeld aus, dessen Flusslinien den Innenbereich der Erregerschleife 20 sowie die Innenbereiche der Messschleife 30 und der Referenzschleife 40 durchstoßen und im Bereich des Ferritkerns 10 aufgrund der Magnetisierbarkeit des Ferritmaterials in bekannter Weise gebündelt bzw. konzentriert werden. Die im Bereich des Ferritkerns 10 sich ausbildenden magnetischen Kreise durchstoßen daher die Messschleife 30 und die Referenzschleife 40 in diesem Bereich verstärkt. Da der Messkopf 10 lediglich passiv in Erscheinung tritt, handelt es sich hier somit um einen sogenannten "passiven Messkopf".

Die Messschleife 30 weist entlang der Wegmessstrecke x, im Gegensatz zur Referenzschleife 40, einen dreieckförmigen Verlauf auf. Daher variiert der Anteil der die Messschleife 30 in Höhe des Ferritkerns 10 durchstoßenden Magnetfeldlinien etwa linear mit der Wegstrecke x, wohingegen der Anteil im Falle der Referenzschleife 40 über die Wegstrecke x konstant ist.

Aus der linearen Abweichung des in der Messschleife 30 induzierten Messstroms läßt sich nach vorheriger Kalibrierung somit die Position x berechnen. Durch Quotientenbildung des ermittelten Messstroms i2 in der Messschleife und des ermittelten Referenzstroms i3 in der Referenzschleife lassen sich gleichzeitig in der Messschleife und der Referenzschleife auftretende Störeinflüsse weitgehend eliminieren.

Fig. 2 zeigt schematisch die elektrische Messanordnung des in Fig. 1 gezeigten Wegmessaufnehmers. Die Messschleife sowie die Referenzschleife werden niederohmig betrieben, wobei die Impedanzen R2 und R3 nur wenige Ohm mit R2,3 < = 10 Ohm, z. B. 2 Ohm, bei der Arbeitsfrequenz entsprechen. Wegen des zu vernachlässigenden Spannungsabfalls über die Mess- und Referenzschleife ergibt sich demnach ein reiner Strommessbetrieb der gezeigten Anordnung, wobei U1 die an der Erregerschleife anliegende Spannung, i1, i2, i3 die in den jeweiligen Leiterschleifen fließenden Ströme und R1, R2, R3 die jeweiligen Impedanzen der einzelnen Schleifen bedeuten. Aufgrund dieses niederohmigen Betriebs der des Wegmessaufnehmers ist dieser nahezu unempfindlich gegen äußere Störeinflüsse wie EMV- Störungen.

Beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Erregerschleife, und zwar im vorliegenden Beispiel eines periodisch für jeweils nur etwa 1 µsec anliegenden, mit etwa 10 kHz schwingenden Rechtecksignals, wird durch die Erregerschleife (kurzzeitig) ein Magnetfeld aufgebaut, welches über den Ferritkern konzentriert wird und sowohl in die Mess- als auch in die Referenzschleife einkoppelt. Die Einkopplung über den Ferritkern erfolgt bei der Messschleife in einem Flächensegment S2 und bei der Referenzschleife in einem Flächensegment S3. Zusätzlich koppeln die Stromschleifen gegenseitig über Luft ein, d. h. insbesondere die Erregerspule über Luft in die Mess- und Referenzspule und im Wege einer Gegeninduktionen auch die Messschleife und die Referenzschleife gegenseitig, wobei der Beitrag der Gegeninduktion der Referenzschleife in die Messschleife wegen der unmittelbaren Einflußnahme auf das eigentliche Messsignal dominiert.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Niedrigspannungsversorgung 100 zur elektrischen Versorgung der Erregerschleife 20 auf. Die Spannungsversorgung 100 ist insbesondere als Rechteckimpulsgeber ausgelegt, der Spannungspulse mit einer Pulsdauer von etwa 0,5-5 µsec und einer Signalfrequenz von etwa 5-50 kHz bereitstellt. Diese an der Erregerschleife 20 anliegende Spannung wird mittels des Ausgangssignals 115 eines Proportional/Integral- (PI-)Reglers 110 so eingestellt, dass die Referenzstromamplitude î3 (siehe Fig. 2) während des Messvorgangs konstant ist.

Der dem Regler 110 zuzuführende IST-Wert ist die an der Referenzschleife 40 gemessene Referenzstromamplitude 13, die auf einen vorgebbaren SOLL-Wert geregelt wird. Der Referenzstrom wird zunächst über eine SampleSchaltung 140 bezüglich der bei dem Pulsbetrieb auftretenden Stromspitzen ausgewertet. Das von der Sample gelieferte Ausgangssignal, und zwar ein Spannungswert, wird mittels einer Verstärkerstufe 120 verstärkt und schließlich dem Regler 110 zugeführt, wo er mit einer Referenzspannung verglichen wird und so den Strom im Erreger neu regelt.

Der an der Messschleife 30 gemessene Messstromamplitude 12 wird ebenfalls zunächst mittels einer weiteren Sample 150 ausgewertet, der sich ergebende Spannungswert im Anschluss daran verstärkt und liegt dann am Ausgang 160 als Messsignal vor.

Schließlich zeigt die Fig. 4 an einem erfindungsgemäßen Wegmessaufnehmer gemessenen Fehlerverlauf, d. h. die Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert der in Fig. 3 am Ausgang 160 anliegenden Messspannung über der Messkopfverschiebung x.

Vorteilhafterweise sind sowohl der vorbeschriebene induktive Wegaufnehmer als auch die vorbeschriebene Schaltungsanordnung gleichzeitig auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet und bilden somit eine Einheit.

Claims (13)

1. Induktiver Wegmessaufnehmer mit einem verschieblichen, magnetisch permeablen Messkopf (10), mit wenigstens einer Messschleife (30), deren geometrische Gestalt sich in Abhängigkeit vom Verschiebungsweg des Messkopfes (10) ändert, mit wenigstens einer Erregerschleife (20), mittels der in dem Messkopf (10) ein magnetischer Fluß (60) erzeugbar ist, der die Messschleife (30) an jedem Punkt des Verschiebungsweges, im Wesentlichen im Bereich des Messkopfes (10), durchsetzt und ein elektrisches Messsignal (î2) induziert, und mit wenigstens einer Referenzschleife (40), deren geometrische Gestalt sich über den Verschiebungsweg nicht ändert und die an jedem Punkt des Verschiebungsweges, im Wesentlichen im Bereich des Messkopfes (10), von einem magnetischen Fluss (60) durchsetzt ist, wobei die die Referenzschleife (40) durchsetzende Amplitude des magnetischen Flusses konstant gehalten ist.

2. Wegmessaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Referenzschleife (40) induzierte Referenzspannung oder eine durch die induzierte Referenzspannung bedingte Referenzstromamplitude (13) konstant gehalten ist.

3. Wegmessaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal des Wegmessaufnehmers (10) aus dem Quotienten von Messspannungsamplitude bzw. Messstromamplitude (î2) und Referenzspannungsamplitude bzw. Referenzstromamplitude (î3) resultiert.

4. Wegmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluß (60) oder die induzierte Referenzspannungs- bzw. der Referenzstromamplitude (î3) mittels einer Regelung, insbesondere einer PI-Regelung, auf einen vorgebbaren Wert regelbar ist.

5. Wegmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschleife (30) und/oder die Referenzschleife (40) niederohmig (70, 80) betrieben sind bzw. betrieben ist.

6. Wegmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerschleife (20) mit einer pulsförmigen Erregerspannung/-strom beaufschlagt ist.

7. Wegmessaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerschleife (20) mit einer im bevorzugten Bereich von 0,5-5 µsec gepulsten und im Bereich von bevorzugt 5-50 kHz schwingenden Erregerspannung/-strom beaufschlagt ist.

8. Wegmessaufnehmer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerschleife (20) mit einer im Wesentlichen rechteckförmigen Erregerspannung/-strom beaufschlagt ist.

9. Elektrische Schaltungsanordnung zum Betrieb eines induktiven Wegmessaufnehmers nach Anspruch 1, aufweisend eine Spannungs-/Stromversorgung (100) für die Erregerschleife (20), gekennzeichnet durch eine Regelstufe (110), wobei das Ausgangssignal der Referenzschleife (40) der Regelstufe (110) als Ist-Wert zugeführt wird, der Ist-Wert mit einem vorgebbaren Soll-Wert verglichen wird, und der Ausgang der Regelstufe (110) mit dem Eingang der Spannungs- /Stromversorgung (100) der Erregerschleife (20) verbunden ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstufe (110) als PI- Regler ausgebildet ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschleife (30) und/oder die Referenzschleife (40) über eine Impedanz (70, 80) von vorzugsweise 0,1-10 Ohm geschlossen sind bzw. geschlossen ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs-/Stromversorgung (100) ein Pulssignal, insbesondere ein Rechtecksignal, mit einer Pulsdauer von bevorzugt 0,5-5 µsec und mit einer Signalfrequenz von bevorzugt 5-50 kHz bereitstellt.

13. Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Leiterplatte gleichzeitig ein induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 angeordnet sind.