DE20022291U1 - Einrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und/oder Position eines zu bewegenden Geräteteils - Google Patents

Description

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Beschreibung

Einrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und/oder Position eines zu bewegenden Geräteteils 5

Die Neuerung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und/oder Stillstandsbzw. Momentan-Position - linearen oder Drehwinkel-Position im Zusammenhang mit einer auch nicht-geradlinig linearen oder insbesondere rotationsmäßigen Bewegung eines Körpers, wie eines Geräteteils und insbesondere eines Rotors, z.B. eines Rades oder einer Scheibe, Walze oder dergl. Diese Einrichtung umfasst einen mit dem beweglichen Geräteteil starr verbundenen Informationsträger, der in mindestens einer Spur wenigstens ein Informationsmuster mit in Bewegungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet einem oder mehreren Informationsbereichen bzw. -abschnitten aufweist. Ferner hat diese Einrichtung wenigstens eine Sensor-Messvorrichtung, die in der neuerungsgemäßen Einrichtung mit dem Informationsmuster zur Erfassung des Informationsinhalts des jeweiligen Musters in Wechselwirkung kommt, wobei von einer solchen Sensorvorrichtung dabei entsprechende Sensor-Messsignale abgegeben werden. Es sind außerdem Mittel zur Aufbereitung und Verarbeitung der Signale vorgesehen.

Eine in etwa derartige Einrichtung, die auch als Positionsgebereinrichtung bezeichnet werden kann, geht z.B. aus der US-A-4599561 hervor. Die bekannte Einrichtung stellt einen Drehpositionsgeber, der auch als Dreh- oder Winkelschrittgeber, Drehmesswertaufnehmer oder Drehwinkeldekodierer bezeichnet wird, dar, mit dem sich allgemein im Falle eines Rotors als Geräteteil dessen Drehbewegung mit Hilfe der zu erhaltenden Sensorsignale erfassen lässt. Sinngemäß sind auch Positionsgeber für Geräte mit linear bewegtem Geräteteil entwickelt worden, mit denen die Linearposition und/oder Lineargeschwindigkeit erfasst werden können. Die aus der US-Patentschrift

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zu entnehmende Positionsgebereinrichtung enthält einen mitrotierenden, kreisscheibenförmigen Informationsträger, dessen Flachseite bzw. Scheibenoberfläche mit konzentrischen Spuren aus magnetischem Material versehen ist. Am Außenrand dieses Informationsträgers ist eine Spur zur inkrementalen Detektion (vgl. z.B. „Sensor Report"¹, Heft 3, 1989, Seiten 6 und 7) für kleine Winkeländerungen vorgesehen. Diese inkrementale Spur ist aus in Richtung der Bewegung hintereinanderliegenden Informationsabschnitten mit alternierender magnetischer .Polaritat bestehend gebildet. Eine solche bekannte Einrichtung hat somit ein Informationsmuster, das aus einer Folge magnetisierter Materialabschnitte besteht.

In der DE-A-29 08 599 ist eine weitere einschlägige Einrichtung beschrieben, bei der ein Informationsmuster verwendet ist, das aus diskreten permanentmagnetischen Elementen besteht.

Aus der DE-A-195 04 307 ist eine einschlägige Einrichtung bekannt, bei der als Sensorvorrichtung eine Wirbelstrom-Messeinrichtung verwendet ist. Eine solche spricht auf unterschiedlich elektrisch leitende Eigenschaft mit entsprechendem Sensorsignal an. Für eine solche Sensorvorrichtung genügt es, dass das Informationsmuster der Einrichtung zur Positions- oder Geschwindigkeitserfassung, d.h. der Informationsträger bzw. dessen Informationsmuster, in Bewegungsrichtung dem Muster entsprechend örtlich unterschiedlich elektrisch leitendes Material umfasst. In diesem Stand der Technik ist ein Wirbelstromsensor-Messkopf beschrieben, mit dem wirbelstromsensitiv das Informationsmuster des Informationsträgers des bewegten Geräteteils messtechnisch erfasst werden kann. Ein wie dort beschriebener Wirbelstromsensorkopf mit einem Substratplättchen, auf dessen beiden Flächen, Vorder- und Rückseite, je eine Sensor-Gradiometerspule angebracht ist und das senkrecht zur Spur des Informationsmusters positioniert wird, kann auch bei der Neuerung das Informationsmuster ausgelesen bzw. abgetastet werden.

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Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es, eine einschlägige Einrichtung anzugeben, mit der sich mit möglichst geringem technischem Aufwand eine Erfassung der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsrichtung und/oder der Position eines zu bewegenden Geräteteils ausführen lässt. Teilaufgaben sind, die Notwendigkeit eines Frequenzumformers für die Drehzahlbestimmung entbehrlich zu machen, mit geringem Aufwand eine gute Winkelauflösung zu erzielen, die Einrichtung so auszubilden, dass möglichst hohe Störfeld-Unempfindlichkeit erzielt ist und die Herstellung und den Aufbau der Einrichtung mit einfachen Mitteln und einfacher Technologie zu realisieren ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen dieser neuerungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend werden neuerungswesentliche Merkmale genannt, die im Einzelfall einer jeweiligen Ausführung der Neuerung jedoch nicht vollzählig bzw. insgesamt angewandt sind bzw. sein müssen und/oder über die hinaus und/oder statt dessen noch weitere, noch nachfolgend beschriebene Merkmale benutzt sind bzw. sein müssen:

Das linear oder insbesondere rotationsmäßig zu bewegende bzw. bewegte Geräteteil, z.B. ein Rotor, mit einer eine solche Bewegung mit einer Bewegungsrichtung ausführenden Körperfläche, z.B. der Stirnfläche und/oder der Mantelfläche eines Rades, einer Walze oder dgl., hat auf einer oder mehreren solcher Flächen jeweils ein oder mehrere Informationsmuster teilweise bekannter, oder aber insbesondere im vorliegenden Zusammenhang neuer Art bzw. Ausgestaltung. Darin sinngemäß eingeschlossen ist auch der Fall eines Informationsmusters, das in entsprechend wirksam werdender Weise mit dem Geräteteil in Bezug auf dessen Bewegung und deren Richtung sonst wie starr oder wenigstens kinetisch verbunden angeordnet ist.

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Ein solches Informationsmuster auf einer eine Bewegung ausführenden Fläche des Geräteteils ist vorzugsweise zweidimensional, kann aber auch dreidimensional ausgebildet sein, wovon eine Dimension die der Bewegungsrichtung ist und wenigstens eine insbesondere weitere Dimension zumindest eine Komponente der Information enthält. Das heuerungsgemäße Informationsmuster ist bzw. enthält über seine Länge in Richtung der Bewegung hinweg, - bei einer Rotationsbewegung bzw. auf oder an einem Rotationskörper sei dies die Länge einer im wesentlichen rotationsaxialen, ringförmigen Spur -, eine Periode einer periodischen Funktion als Informationsinhalt. Dieser Informationsinhalt ist in einer messtechnisch zu erfassenden Komponente des Informationsmusters enthalten, die am jeweiligen Ort der Koordinate &khgr; oder &phgr; der Bewegung orthogonal zu der Bewegungsrichtung ausgerichtet ist.

Der Informationsinhalt eines solchen Musters ist in Verbindung mit der Messeinrichtung derart, dass aus diesem Inforiftationsmuster von den Messgrößen Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Position jeweils wenigstens eine mit der Messeinrichtung erfasst werden kann.

Das oder die den Informationsinhalt enthaltenden Informationsmuster sind in einer oder mehreren bzw. als eine oder mehrere Spuren vorgesehen, die mit der vorgegebenen Bewegung des Geräteteils an der jeweiligen Messeinrichtung vorbeilaufen. Entsprechend ist eine jeweilige Spur demgemäß auf die Bewegungsrichtung bezogen ausgerichtet. Insbesondere ist die Ausführung von Single-Turn-Spuren vorgesehen. Unter Single-Turn-Spuren sind hier solche Spuren zu verstehen, bei denen eine vorgebbare Länge einer Spur, - im Falle einer in sich geschlossenen Spur auf z.B. einem walzenförmigen Rotationskörper ist dies z.B. die Umfangslänge oder es ist dies die Länge einer ringförmigen Spur auf einer rotierenden Seiten- bzw. Stirnfläche dieses Körpers -, als Informationsmuster eine Periode des vorgesehenen Informationsinhalts umfasst. Insbeson-

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dere ist dies hier eine 27t-Periode einer Sinus x- oder Cosinus x-Funktion mit z.B. &khgr; = &phgr; eines Dreh- bzw. Positionswinkels &phgr;.

Es kann bei der Neuerung insbesondere auch nur zusätzlich eine wenigstens dem Grunde nach an sich bekannte Inkremental-Spur vorgesehen sein. Eine Inkremental-Spur umfasst innerhalb einer vorzugebenden Länge dagegen eine Vielzahl Perioden, z.B. mehrere periodische Informationselemente innerhalb einer solchen z.B. Umfangslänge.

Diese beiden prinzipiellen Ausführungsformen, Single-Turn- und Inkremental-Spur haben voneinander unterschiedlich bei deren Anwendung sich ergebende Vorteile.

Die Wechselwirkung zwischen dem Informationsmuster und der Messeinrichtung beruht bevorzugt auf Effekte magnetischer, elektromagnetischer Art, wie z.B. Wirbelstromeffekt, felderregt bedingte Ausrichtung magnetischer Domänen, Magnetowider-Standseffekt, magnetischem Orientierungseffekt, deren Nutzung insbesondere auch bei rauen Betriebsbedingungen, wie insbesondere physikalische und/oder elektromagnetische Verschmutzung, außerordentlich hohe Betriebssicherheit gewährleistet.

Um diese vorgenannten Wechselwirkungen zu erfassen, sind die vorgesehenen Messeinrichtungen bevorzugt Wirbelstrom-Messköpfe in Verbindung mit Wirbelstromerregung, Magnetfeldsensoren, vorzugsweise magnetoresistiver Art, und dergleichen.

Ein für die Neuerung zu verwendender Wirbelstrom-Messkopf kann gemäß einer ersten Ausführungsform eine generell auch als Magnetometer bezeichneten Detektor enthalten oder daraus bestehen. Dieses Magnetometer hat eine Empfangs-/Antennen-Messspule bzw. -Leiterschleife mit vorzugsweise einer oder mit mehreren Schleifen bzw. Windungen des Leiters. Mit einem solchen Magnetometer wird die jeweilige Amplitude des magnetischen Feldes der erzeugten Wirbelströme und zusätzlich auch

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das Feld der magnetischen Erregung gemessen. Der mit einem solchen Magnetometer-Wirbelstrom-Messkopf gemessene Amplitudenwert enthält somit auch Offset-Amplitudenanteile. Eine andere Ausführungsform eines Wirbelstrom-Messkopfes ist die eines Gradiometers mit wiederum einer Erregerspule und mit üblicherweise zwei Magnetometer-Spulen bzw. -Leiterschleifen. Diese beiden Spulen bzw. Schleifen sind in der Regel axial oder planar, quer zur Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnet und haben als wesentliches Merkmal einander entgegengesetzten Wicklungssinn. Mit einem solchen Gradiometer ist eine differentielle Magnetfeldmessung ausführbar mit.wesentlich verringertem bzw. weitgehend unterdrücktem Offset-Amplitudenanteil, der z.B. auf dem Erregerfeld beruht. Zu weiteren Einzelheiten eines solchen an sich bekannten Messkopfes und speziellen Ausführungsformen eines solchen sei auch auf den Stand der Technik verwiesen.

Im Falle der Verwendung eines Messkopfes mit magnetoresistivem Messelement können als Gradiometer derartige Elemente in elektrischer Brückenschaltung betrieben verwendet werden, womit ebenfalls ein Offset-Wert und/oder ein Temperaturgang kompensiert werden kann.

Zur Bestimmung des nachgefragten Messwertes der Position, bei Rotation des Drehwinkels, eignet sich als Informationsmuster im Besonderen ein solches einer wie schon oben beschriebenen Single-Turn-Spur. Auch kann mit diesem Informationsmuster die Bewegungsgeschwindigkeit, bei Rotation die Drehzahl, in einfacher Weise erfasst bzw. gemessen werden. Für die Eindeutigkeit der Bestimmung der Bewegungsrichtung und der Position ist als eine bevorzugte Lösung vorgesehen, innerhalb dieser Periode der Single-Turn-Spur in Bewegungsrichtung aufeinanderfolgend zwei Messköpfe vorzusehen. Vorzugsweise werden diese in einem Abstand von &pgr;/2 einer 27t-Periode eines vorgesehenen Sinus-Informationsmusters der Spur, also mit &pgr;/2-phasenverschobenem Messsignal, angeordnet oder, im Falle zweier Spuren mit gleichem Informationsmuster, werden diese Spuren

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in Bewegungsrichtung um dieses Maß zueinander phasenversetzt angeordnet. Allgemein heißt dies, die zwei Messköpfe bzw. die zwei Informationsmuster um vorzugsweise eine Viertelperiodenlänge der Periode des Informationsmusters gegenseitig versetzt zu positionieren.

Zu praktischen Ausführungsformen der Neuerung sei auch auf die weiter unten erfolgende Beschreibung verwiesen.

Insbesondere für hohe Auflösung der Longitudinal-Geschwindigkeits- bzw. der Drehzahl-Messung oder -Erfassung kann auch bei der Neuerung ein Informationsmuster in der Art eines Inkremental-Musters, hier als Inkremental-Spur bezeichnet, vorgesehen sein. Auch hierzu sei hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Neuerung auf die weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele verwiesen, an Hand derer die neuerungsgemäßen Besonderheiten noch besser erklärt werden können.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform mit einer Walze und mit einem auf deren Mantelfläche als Umfangsfläche befindlichen Informationsmuster.

Figuren IA bis ID zeigen Beispiele weiterer Informationsmuster.
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Figuren 2A und 2B zeigen auf einer Seiten- bzw. Stirnfläche eines walzenförmigen Körpers angeordnete Informationsmuster.

Figuren 3, 3A, 3B zeigen Ausführungsformen mit Inkrementalspur.

Die perspektivische Darstellung der Figur 1 zeigt eine insbesondere hinsichtlich des Informationsmusters ganz einfache Ausführungsform mit hier auch nur einer Spur. Mit 11 bezeichnet zeigt die Figur als Geräteteil einen Rotor mit seiner Welle 12. Auf der Umfangsfläche 13 des Geräteteils 11 ist ein neuerungsgemäß ausgestaltetes Single-Turn-Informationsiuuster

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20 aufgebracht, das beispielsweise z.B. eine aufgeklebte Metallfolie ist, die die für Wirbelstrom-Sensortechnik erforderlich höhere elektrische Leitfähigkeit als ihre Unterlage aufweist. Zumindest im Bereich der Umfangsflache 13 besteht der Rotor 11 dementsprechend sinngemäß aus elektrisch zumindest wesentlich schlechter als das Metall elektrisch leitendem Material. Figur IA zeigt zur Figur 1. die Abwicklung der Metallfolie des Single-Turn-Informationsmusters 20 mit einer sinusförmig vom Winkel &phgr; abhängigen - wie ersichtlichen Seitenbegrenzung 21 wie in der Figur 1. Von &phgr;=0 bis &phgr;=2&pgr; reicht die Länge der Umfangsflache 13 des Rotors 11. Die beiden &pgr;-Sinushalbbögen 21i und 2I2 sind um den Winkel &phgr; = &pgr; gegeneinander versetzt auf die beiden Hälften beiderseits der Mittellinie M des Informationsmusters 20 verteilt positioniert. Die Figur IB zeigt zur Figur IA das Diagramm V₃ der Signalspannung 121, die mit der hier vorgesehenen Gradiometer-Messeinrichtung 30 der Figuren 1 und IA zu erfassen ist, aufgetragen über der Zeit t, und zwar für diese eine Periode 2&pgr; der Rotation.

Die Spulen 3Oi und 3&Ogr;2 des Gradiometers sind in der Richtung 14 für hohe Winkelauflösung so schmal mit b bemessen, wie dies für ausreichend großes messbares Signal möglich ist. In der dazu orthogonalen Richtung erstreckt sich dieses Gradiometer über die gesamte Breite B des Informationsmusters 20. Wie ersichtlich, führt eine neuerungsgemäße Seitenbegrenzung

21 mit Sinusform, nämlich wie in Figur IA gezeigt, zu einer optional offset-armen sinusförmigen Signalspannung wie sie in Figur IB mit 121 bezeichnet ist.

Mit 50 ist eine elektronische Auswerteeinrichtung für die jeweilige Signalspannung bezeichnet.

Eine ebenfalls gezeigte alternative Randbegrenzung 2I_x führt zu einer Signalspannung 12I_x. Diese hat ersichtlich Oberwellen bzw. hohen Klirrfaktor. Für eine solche Signalspannung 12I_x mit lediglich der Grundwelle gleich der Frequenz des

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Messsignals 121 würde ein größerer Aufwand in der Auswertung erforderlich sein. Neuerungsgemäß ist die Sinusform möglichst weit angenähert bevorzugt.

Es ist eine Magnetfeld-Erregung für die Wirbelstromerzeugung in dem Metall des Informationsmusters 20 erforderlich. Hierzu verwendet man eine Erregerspule 230 in prinzipiell bekannter Art und Weise. Diese Erregerspule kann Bestandteil der Messeinrichtung 30 sein, womit auch die örtliche Übereinstimmung von Magnetfelderregung und Messung des damit erzeugten Wirbelstrom-Responses gewährleistet ist. Entsprechendes gilt für eine Messeinrichtung mit magnetoresistiven Messelementen.

Insbesondere aus der Figur IB ist ersichtlich, dass das Signal des Gradiometer-Messkopfes der Messeinrichtung 30 sowohl eine Angabe des augenblicklichen Drehwinkels &phgr; des jeweiligen Umlaufs des Geräteteils 11, nämlich als momentane positive
oder negative Amplitude der Spannung, liefert und die Frequenz
dieser Signalspannung 121, bzw. die Grundwelle der Signalspannung 12I_x, die Umdrehungszahl, diese gemittelt über
die Periode 2&pgr;, angibt.

Die Eindeutigkeit des momentanen Drehwinkels &phgr; und die Drehrichtung +14 oder -14 können bei dieser ganz einfachen Ausführungsform jedoch nur aus dem unmittelbar vorangegangenen Amplitudenverlauf der Signalspannung 121 ermittelt werden.

Um letzterem Umstand zu begegnen, empfiehlt es sich, noch
eine zweite nur schematisch dargestellte Messeinrichtung 30', die vorzugsweise gleich der Messeinrichtung 30 ausgeführt

ist, vorzusehen. Diese ist wie in der Figur 1 angedeutet positioniert, nämlich in oder wie hier entgegen der Bewegungsrichtung 14 um ein Winkelmaß &Dgr;&phgr; versetzt. Insbesondere empfiehlt es sich, diesen Winkelversatz gleich einem ungeradzahligen (1, 3) Vielfachen der halben Periodenlänge &pgr;/2 zu wählen. Die beiden Messeinrichtungen 30 und 30' geben dann eine ebenfalls um &pgr;/2 gegeneinander versetzte Signalspannung, d.h.

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eine Sinus-Spannung und eine Cosinus-Spannung ab. Aus den Signalspannungen 121 und 121' lässt sich dann ohne weiteres sowohl der Drehwinkel einer Stillstands- bzw. Momentan-Position als auch die jeweilige Drehrichtung eindeutig bestimmen. 5

Anstelle des in der Figur 1 bzw. IA gezeigten Gradiometers als Messeinrichtung 30 können auch zwei orthogonal zur Bewegungsrichtung 14 nebeneinander angeordnete einzelne Messelementespulen vorgesehen sein, die in differentieller bzw. Brückenschaltung zusammengeschaltet sind und deren Signalspannungsdifferenz im Ergebnis eine Signalspannung ist, die der Signalspannung 121 des Gradiometers entspricht. Anstelle von Messelementespulen können auch z.B. magnetoresistive Messelemente verwendet sein, die ebenfalls differentiell miteinander und somit mit Gradiometerwirkung verschaltet sind.

Die Figur IC zeigt in wie schon zur Figur IA angegebener Weise die Abwicklung eines zwei-spurigen Informationsmusters 2&Ogr;2, und zwar mit parallel der Bewegungsrichtung laufenden zwei Spuren 2&Ogr;2' und 202''mit dazwischen neutraler Spur 2O_n. Bei dieser Ausführungsform kann wiederum ein Gradiometer als Messeinrichtung 30 verwendet werden. Es können auch, - wie hier als Beispiel dargestellt -, zwei einzelne Magnetfelddetektoren 130, 130', z.B. auch magnetoresistive Elemente, die orthogonal zur Bewegungsrichtung 14, die neutrale Spur dazwischenliegend, nebeneinander angeordnet sind, vorgesehen sein. Von dem einen Detektor 130 wird bei Bewegung in Richtung 14 zunächst als Information der Sinus-Halbbogen 21i der einen Spur 2&Ogr;2', und dann vom zweiten Detektor 130' um &pgr;-phasenversetzt der Sinusbogen 2I2 der anderen Spur 2&Ogr;2'' messtechnisch erfasst. Die neutrale Spur 2O_n erleichtert die Positionierung der Detektoren.

Die Figur ID zeigt noch ein weiteres Muster 2&Ogr;3 zur Ausführung nach Figur 1. Dieses besteht hier aus einer Sinuskurve Wi · sincp als nur einseitig modulierte Begrenzung 21c und einem zusätzlichen unmodulierten Anteil 2Oq des Musters. Das

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Minimum eines Offsets ist erreicht für W₀ = 2Wi, siehe Figur ID.

Die Figuren 2A und 2B zeigen die Neuerung weitergehend erläuternde bevorzugte Beispiele für die Neuerung zu verwendende Informationsmuster.

Figur 2A zeigt ein auf der bei Bewegung des Geräteteils 11a rotierenden Seiten- oder Stirnfläche 113 aufgebrachtes, für die Neuerung zu verwendendes Informationsmuster 20a. Dieses besteht aus wie dargestellten zwei konzentrischen Spuren 20'a und 20''a. Die Messeinrichtung 30 ist vor dieser Stirnfläche 113, d.h. seitlich des Geräteteils 11, angebracht und ist wiederum ein Gradiometer mit den Spulen 30&khgr; und 302· Die eine Gradiometerspule liegt über der Spur 20'a und die andere Gradiometerspule liegt über der Spur 20''a. Diese Messeinrichtung 30 liefert die resultierende offset-freie Differenz-Signalspannung 121 am elektrischen Ausgang. Diese beiden Spuren haben je einen Anteil 120' bzw. 120'', die als Seitenbegrenzungen - vergleiche 21 in Figur IA - wieder jeweils einen 180°-Sinusbogen enthalten, was infolge der Krümmung der Spur als solches ohne diesen Hinweis so nicht zu erkennen ist. Jede dieser beiden Spuren enthält somit eine &pgr;- bzw. 180°- Sinus-Amplitudenfunktion einer 27C-Sinuswelle, und zwar die eine Spur mit der Phase O bis &pgr; und die andere Spur mit der Phase &pgr; bis 2&pgr; einer 27i-Umdrehung des Musters 20a. Die Signalspannung bei Rotation des Geräteteils 11 ist wieder eine weitestgehend von Klirrfaktor-Anteilen freie Sinusspannung mit der Frequenz der Grundwelle. Diese Frequenz ist gleich der Umdrehungszahl dieses Geräteteils 11 pro Sekunde.

Die Figur 2B zeigt ein Informationsmuster, das alternativ zur Figur 2A wieder auf der Seitenfläche 113 vorgesehen bzw. dort angebracht ist. Das Informationsmuster 20b ist im Gegensatz zur Figur 2A ein einspuriges Muster, das funktionell und messtechnisch vergleichbar dem in Figur ID in Abwicklung, gezeigten linearen Muster ist und für die Seitenfläche 113 wie

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bei Figur 2A angepasst ist. Dieses ringförmige Muster 20b hat zusätzlich zu dem Informationsinhalt, der hier wiederum eine 27t-Sinusfunktion Wi · sin &phgr; ist, noch den Gleichanteil 2Oo/ nämlich wie in Figur ID. Mit (Wo - Wi) ist der Minimalwert der Summe der Sinusfunktion und des Gleichanteils bei &phgr; = 270° kenntlich gemacht. Mit (Wo + Wi) ist auch die Maximalamplitude dieser Summe aus Gleichanteil und Sinusfunktion bei &phgr; = 90°hervorgehoben. Diese Stelle befindet sich in Figur 2B gerade im Bereich der Messeinrichtung 30. Diese überdeckt die gesamte maximale Breite B = W₀ + Wi des Musters 2 0b der Spur. Bei Rotation des Geräteteils 11 und damit dieser Stirnfläche 113 wird mit der Messeinrichtung eine Funktion W = Wo + Wi ■ sin &phgr; erfasst. Diese Signalspannung ist wie bei den vorangehenden Beispielen proportional dem Drehwinkel &phgr;, dieser bezogen auf einen vorgebbaren Ausgangspunkt.

Im Falle der Verwendung eines Gradiometers als Messeinrichtung 30, 30' empfiehlt es sich, dieses hier in Figur 2B mit dessen Symmetriemitte, - etwa sinngemäß wie zur Figur ID angegeben -, bezogen auf das Muster 20b so zu positionieren, dass auch der Offset-Anteil im Signal 121, 121' eliminiert ist. Als Bemessungsregel sei angegeben, die jeweilige Symmetriemitte im Abstand R = Ri ± ^ Wo = R₁ ± Wi zu positionieren. Darin ist Ri der Radius der hierfür um die Achse A kreisförmig zu wählenden einen Berandung der Spur 20b, und zwar der inneren Berandung 21i für das Pluszeichen oder der äußeren Berandung 21a für das Minuszeichen der Gleichung. Die jeweils andere Berandung 21a bzw. 21i enthält in diesen Fällen dementsprechend allein die Funktion Wi-sincp der Information des Informationsmusters der Spur, wie auch zur Figur ID erläutert.

Mit dieser Anordnung nach Figur 2B lässt sich die Drehzahl und lassen sich, eingeschlossen die Hinzuziehung der unmittelbaren Vorgeschichte, auch eindeutig die Drehwinkel-Position und die Drehrichtung bestimmen. Wie schon oben darauf hingewiesen, kann diese Eindeutigkeit auch durch Anordnung

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und Signalauswertung mit einer weiteren Messeinrichtung 30', die wie die Messeinrichtung 30, wie gezeigt, beide im Abstand r von der Rotationsachse A angeordnet sind, gewährleistet werden. Vorzugsweise ist ein Versatz der beiden Messeinrichtungen um &pgr;/2 vorgesehen, womit die jeweilige Signalspannung der einen und der anderen Messeinrichtung eine Sinus-Funktion bzw. eine Cosinus-Funktion enthalten. Diese beiden Funktionen werden schaltungstechnisch verarbeitet, nämlich zu den wie schon genannt eindeutigen Messsignalen für Drehzahl, Drehrichtung und Position.

Für eine Messwerterfassung mit höherer Auflösung kann zusätzlich zu einem wie voranstehend beschriebenen Informationsmuster 20 oder auch allein eine Inkremental-Spur 40, ein- oder mehrspurig, vorgesehen sein. In Figur 3 ist auf einem Geräteteil 11, hier auf einer Walze, gemäß je einer Alternative eine solche Spur 40 gezeigt. Dargestellt ist nur je ein Abschnitt einer solchen Spur auf wahlweise der Umfangsflache 13 oder der Stirnfläche 113. In den Figuren 3A und 3B ist wiederum je ein Anteil einer Spur 40, hier jedoch als Abwicklung gezeigt. Eine solche Inkremental-Spur ist prinzipiell bekannt. Sie besteht aus Inkrement-Elementen 41 mit zu diesen zugehörigen Zwischenräumen 42. Ein Inkrement-Element und ein benachbarter Zwischenraum bilden eine Periode der Inkremental-Spur. Wie ersichtlich, kann eine Vielzahl Inkremental-Perioden innerhalb einer 27t-Periode der Umdrehung des Geräteteils 11 vorgesehen sein. Mit einer solchen bekannten Inkremental-Spur kann man bekanntermaßen die Drehzahl problemlos bestimmen. Hierzu ist es üblich, Magnetometer zu verwenden, soweit es sich um magnetische Wechselwirkung der Ausführungsform handelt.

Um neuerungsgemäß bei Verwendung einer wie beschriebenen Inkremental-Spur außer der Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit auch eindeutig die Drehrichtung und/oder eine Position bestimmen zu können, können die voranstehend zur Single-Turn-Spur der vorliegenden Neuerung genannten AusführungsVarianten

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angepasst auch bei der Inkremental-Spur 40 angewendet werden. Eine solche Ausführungsform ist, wie Figur 3A zeigt, zur Bewegungsrichtung 14 orthogonal zwei Messeinrichtungen innerhalb der Breite der Inkremental-Spur anzuordnen, jedoch neuerungswesentlich diese beiden Messeinrichtungen um vorzugsweise (2n-l) ■ 1/4 · &rgr; mit &eegr; = 1 oder 2 und &rgr; = der Periode der Folge der Inkrementelemente 41 gegeneinander in Richtung der Bewegung zu versetzen. Die eine Messeinrichtung misst also ein Signal, das gegenüber demjenigen der anderen Messeinrichtung um dieses Maß des Periodenversatzes zeitlich versetztist. Die beiden Signale verhalten sich bei dieser Messung wie Cosinus und Sinus zueinander. Das Maß des Versatzes kann auch von demjenigen einer Viertelperiode abweichend sein, soweit es bis an das Maß einer halben oder ganzen Periode lediglich angenähert ist, bei dem die Eindeutigkeit wieder verloren geht.

Anstelle eines Versatzes der Messeinrichtungen 30, 30', d.h. bei stattdessen genau orthogonal zur Bewegungsrichtung 14 nebeneinander angeordneten Messeinrichtungen 30, 30' kann, wie Figur 3B zeigt, die Inkremental-Spur auch zweispurig, d.h. mit zwei Parallelspuren 40 und 40', ausgeführt sein, wobei die Inkrement-Elemente 41, 41' der einen und der anderen Spur um das schon zum Versatz der Messeinrichtungen beschriebene Maß 1/4 · P gegeneinander versetzt sind.

Meistenteils werden, in Richtung der Bewegung 14 gesehen, die Abmessungen von Element 41 und Zwischenraum 42 zwischen zwei benachbarten Elementen etwa gleich groß bemessen. Die Abmessung b der Innenfläche der Spule(n) oder Schleife(n) einer Messeinrichtung 30, und zwar in Richtung der Bewegung 14, wird vorzugsweise auf die Inkremental-Elemente abgestimmt, vorzugsweise etwa gleich groß, bemessen. Damit erreicht man sowohl eine hohe Auflösung als auch große Signalspannung.

Es empfiehlt sich, die Breite einer Inkremental-Spur 40, 40'

breiter, insbesondere mehrfach breiter als das Maß der halben

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Periodenlänge &rgr; zu bemessen. Damit können die Anforderungen an die Justierung in Lateralrichtung zwischen Spur und Messeinrichtung wesentlich herabgesetzt werden.

Es empfiehlt sich auch, bei Anwendung des Wirbelstromprinzips für das Informationsmuster der Spur bzw. Spuren Material mit sehr hoher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Silber, zu verwenden und zudem die Frequenz der Erregung derart hoch zu wählen, dass die durch die Wirbelstromwirkung induzierte Signalspannung der Messeinrichtung 30 weitgehend nur noch induktive Signalanteile hat. In entsprechender Weise ist es von Vorteil, bei Spuren aus ferritischem Material solches mit geringem Verlustwinkel vorzusehen, um ebenso mit hoher Erregerfrequenz im wesentlichen nur induktive Anteile in der induzierten Signalspannung zu erreichen. Insbesondere empfiehlt es sich, für die beiden voranstehend genannten Fälle, nicht-phasenempfindliche Gleichrichtung der Signalspannung der Messeinrichtung vorzunehmen.

Nachfolgend werden noch zusätzliche Lösungswege für Randprobleme gegeben. Ein solches Problem ist, eine Temperaturkompensation zur Erzielung hoher Genauigkeit durchzuführen. Ein anderes beruht darauf, dass bei Messungen mit Magnetfeldeffekten der Abstand zwischen der Spur und der Messeinrichtung und insbesondere unbeabsichtigte Abstandsänderungen und -fehler großen Einfluss auf die Messergebnisse haben können. Zur Behebung solcher Probleme empfiehlt es sich, die Demodulation der Signalspannung der Messeinrichtung phasenempfindlich durchzuführen und damit zwei Messergebnisse zu erhalten, nämlieh einmal den Realteil und einmal den Imaginärteil der Signalspannung. Die dadurch im Vergleich zur phasenunempfindlichen Demodulation zu erhaltende zusätzliche Messwertgröße ist geeignet, als Regelgröße für eine Abstands- und/oder Temperaturkompensation des eigentlich gesuchten Messwertes zu dienen. In im wesentlich gleichem Sinne empfiehlt es sich, für die Nutzung der Neuerung die magnetische Erregung auf mehreren verschiedenen Frequenzen, und zwar dies gleichzeitig,

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durchzuführen. Im Ausgangssignal der Messeinrichtung erhält man entsprechend Mehrfachfrequent-Signalspannungen, die für jede Frequenz einzeln demoduliert werden. Bei phasenunempfindlicher Demodulation erhält man für jede Frequenz je ein Ausgangssignal und bei phasenselektiver Demodulation für jede Frequenz zwei Größen, von denen dann wiederum eine dieser Größen der oben angegebenen Kompensation von Änderungen des Abstands, der Temperatur und dgl. im anderen Signal dient.

Für die Herstellung der für die Nutzung der Neuerung erforderlichen elektrischen und elektronischen Elemente empfiehlt sich die Anwendung von aus der Mikroelektronik bekannten Technologien. Zum Beispiel ist es vorteilhaft, die Spulen und dgl. Elemente z.B. der Messeinrichtung unter Verwendung kupferkaschierten Platinenmaterials auszuführen. Lithographisch hergestellte Spulen für die Erregung und für die Messeinrichtung können so präzise bemessen hergestellt werden, dass insbesondere auch das Übersprechen bei der Verwendung doppelter Messeinrichtungen 30 und 30', wie sie oben für die Eindeutigkeit der Messgrößen vorgeschlagen sind, erreichbar sind.

Die voranstehend beschriebenen Ausführungen gelten sinngemäß auch für Messungen bei linearer Bewegung eines Geräteteils.

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Claims (23)

1. Einrichtung zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Bewegungsrichtung und/oder Position eines mit einer Bewegungsrichtung (14) bewegbaren Geräteteils (11) auf der Basis der Erfassung von Messwerten eines magnetischen und/oder Induktions-Wechselwirkungseffektes, der zwischen einem am Geräteteil (11) vorgesehenen Material und wenigstens einer für diesen Wechselwirkungseffekt sensitiven Messeinrichtung (30) auftritt, wobei dieses Material sich auf einer bei Bewegung des Geräteteils (11) sich bewegenden Fläche (13, 113) befindet und dieses Material ein Informationsmuster (20) enthält, das sich in wenigstens einer Spur, die sich in der Bewegungsrichtung (14) auf dieser Fläche (13, 113) erstreckt, vorliegt und wobei die Messeinrichtung (30) dieser Spur gegenüber angeordnet ist, sodass bei Bewegung des Geräteteils (11) dieses Informationsmuster (20) an der Messeinrichtung (30) vorbeiläuft, sodass die in dem Informationsmuster (20) als Modulation der Größe des Wechselwirkungseffekts enthaltene Information mit der Messeinrichtung (30) als Signalspannung (121) zu erfassen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Informationsmuster (20) für eine vorgegebene Länge in Bewegungsrichtung (14) eine Periode einer periodischen Funktion f (x, φ) umfasst, wobei eine jeweilige Amplitude dieser Funktion in einer messtechnisch zu erfassenden Komponente des Informationsmusters enthalten ist, die am jeweiligen Ort (x; φ) orthogonal der Bewegungsrichtung (14) ausgerichtet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Funktion eine Sinusfunktion/Cosinusfunktion (x; φ) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Informationsmusters (20) als seitliche Randbegrenzung (21) des Materials des Wechselwirkungseffekts realisiert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Anteil einer Oberfläche (13, 113) des Geräteteils (11) mit dieser Funktion als Randbegrenzung realisiert ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Material eine auf der Fläche (13, 113) des Geräteteils (11) aufgebrachte Beschichtung ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und der Wechselwirkungseffekt auf Wirbelstromerzeugung beruht.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus ferritischem Material besteht und der Wechselwirkungseffekt magnetischer Art ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Informationsmuster (20 ₂, 20 _a) zu je einer halben Periode des Musters auf zwei nebeneinander parallel laufende Spuren verteilt ist und der Anteil der einen Spur (20 ₂') gegenüber dem Anteil der anderen Spur (20 ₂") in Bewegungsrichtung (14) um ein ungradzahliges Vielfaches (1, 3 . . .) einer halbe Periode versetzt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Informationsmuster tragende Geräteteil (11) ein Rotationsbewegung ausführender Körper mit einer rotationssymmetrischen Mantelfläche (13) ist und sich das Informationsmuster (20) auf dieser in einer oder mehreren Spuren in Bewegungsrichtung (14) erstreckt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (20 _a, 20 _b) auf der eine Rotationsbewegung ausführenden Stirnfläche (113) als eine oder mehrere zur Rotationsachse konzentrische Ringspuren vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messeinrichtungen (30, 30') vorgesehen sind, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung (14) und die eine oder mehreren Spuren des Informationsmusters hintereinander liegend, einander gegenüber versetzt angeordnet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Versatz der Messeinrichtungen (30, 30') wenigstens angenähert gleich einem ungradzahligen Vielfachen (1, 3 . . .) einer halben Periodenlänge des Informationsmusters bemessen ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung (30) ein zwei miteinander elektrisch und differentiell verbundene Spulen (30 ₁, 30 ₂) mit zwischen diesen die Symmetriemitte aufweisendes Gradiometer vorgesehen ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vorliegenden zweispurigen Informationsmuster (20 ₂; 20 _a) eine erste der Spulen (301, 302) einer ersten Spur und die zweite dieser Spulen der zweiten Spur dieser Spuren (20'₂, 20'_a; 20"₂, 20"_a) der Spuren des Informationsmusters zugeordnet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Informationsmuster, das eine erste Spur bzw. in einer Spur (20 ₃, 20 _b) einen ersten Spuranteil (20 ₀) ohne Informationsinhalt mit nur Gleichanteil und eine zweite Spur bzw. in der Spur (20 ₃, 20 _b) einen zweiten Spuranteil mit dem Informationsinhalt umfasst, das Gradiometer mit seiner Symmetriemitte bezogen auf die Spur(en) so positioniert ist, dass die eine Spule (30 ₂) nur den Gleichanteil (20 ₀) und die andere Spule (30 ₁) nur den vom Gleichanteil freien Informationsinhalt des ganzen Informationsmusters erfasst.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einem Single-Turn-Informationsmuster (20) ein weiteres Informationsmuster in der Ausführung einer oder mehrerer Inkrementalspuren (40) mit dazugehörig einer oder mehreren Messeinrichtungen (30, 30') vorgesehen sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messeinrichtungen (30, 30') für die Inkrementalspur vorgesehen sind, die beide bezogen auf die Bewegungsrichtung um wenigstens angenähert einem ungradzahligen Vielfachen (1, 3 . . .) einer 1/4-Periodenlänge der Periode der Inkrementalspur (40) versetzt sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster der Inkrementelemente (41) der einen Spur der Inkrementelemente in Bewegungsrichtung (14) gegenüber der periodischen Folge der Inkrementelemente (41') der anderen Spur um wenigstens angenähert einem ungradzahligen Vielfachen (1, 3 . . .) einer 1/4-Periodenlänge der Inkremente der Inkrementalspur gegeneinander versetzt angeordnet sind.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Inkrementelemente (41, 41') in Richtung der Bewegungsrichtung (14) für hohe Auflösung gegenüber ihrer Länge quer zu dieser Richtung (14) schmal bemessen sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgesehener Wirbelstrom-Messeinrichtung (30) als Material des Informationsmusters (20) ein solches mit sehr hoher elektrischer spezifischer Leitfähigkeit vorgesehen ist und hohe Frequenz der Erregung gewählt ist, sodass die durch Wirbelstrom induzierte, zu messende Signalspannung (121) im wesentlichen nur induktiven Anteil hat.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgesehener Wirbelstrom-Messeinrichtung (30) als Material des Informationsmusters (20) ein ferritisches Material mit geringem Verlustwinkel vorgesehen ist und hohe Frequenz der Erregung gewählt ist, sodass die durch Wirbelstrom induzierte, zu messende Signalspannung (121) im wesentlichen nur induktiven Anteil hat.

22. Einrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Auswerteeinrichtung (50) erfolgende Gleichrichtung der von der Messeinrichtung (30) her eingehenden Signalspannung (121) nichtphasenempfindlich vorgesehen ist.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Auswerteeinrichtung (50) vorgesehene Demodulation der von der Messeinrichtung (30, 30') eingehenden Signalspannung (121, 121') phasenempfindlich vorgesehen ist und Realteil und Imaginärteil des demodulierten Signals zur Fehlerkompensation genutzt werden.