DE10141764A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Detektion der Position eines ObjektsInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts (1), insbesondere des Ankers (2) eines Ventils (3), beispielsweise eines Ein- und Auslassventils, Kraftstoffeinspritzventils, Gaswechselventils oder dergleichen, mit mindestens zwei Spulen (4, 5), vorzugsweise zwei Magnetspulen, die mit Strom beaufschlagbar sind, um das Objekt (1) zwischen den zwei Spulen (4, 5) zu bewegen, ist im Hinblick auf eine weitgehend lineare und störungsfreie Erfassung der Position des Objekts (1) bei einfachster Konstruktion der ausgestaltet und weitergebildet, dass die beiden Spulen (4, 5) - wechselweise - zum Bewegen des Objekts (1) zwischen den Spulen (4, 5) und zur Detektion der Position des Objekts (1) dienen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion der Po
sition eines Objekts, insbesondere des Ankers eines Ventils, beispielsweise ei
nes Ein- und Auslassventils, Kraftstoffeinspritzventils, Gaswechselventils oder
dergleichen, mit mindestens zwei Spulen, vorzugsweise zwei Magnetspulen, die
mit Strom beaufschlagbar sind, um das Objekt zwischen den zwei Spulen zu be
wegen.
Vorrichtungen und Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts sind in der
Praxis seit langem bekannt. Lediglich beispielhaft wird auf die DE 197 35 375 C1
verwiesen, aus der eine Vorrichtung zur Detektion der Position eines Objekts,
nämlich eines Ankers eines Ventils, bekannt ist. Die bekannte Vorrichtung um
fasst ein Piezoelement zur Detektion der Position des Ankers des Ventils, wobei
das Ventil zwei Magnetspulen aufweist, die mit Strom beaufschlagbar sind, um
das Objekt zwischen den beiden Spulen zu bewegen. Die Detektion der Position
des Objekts - nämlich des Ankers - erfolgt hierbei indirekt über die Messung der
Federkraft von zwei Federn, die den Anker in einer Mittelstellung zwischen den
beiden Endpositionen halten, wenn die Spulen stromlos sind. Mittels des Piezo
elements kann also aufgrund der Federkraft die Geschwindigkeit des Ankers be
stimmt werden, um mit dem vom Piezoelement erzeugten Signal die Schaltung
zum Ansteuern des Magnetantriebs so zu regeln, dass eine minimale Auftreff
geschwindigkeit des Ankers in der Endstellung erreicht ist. Idealisiert weisen die
Federn eine lineare Kennlinie auf, so dass sich die Federkraft für diesen verein
fachten Fall linear proportional zur Stellung des Ankers ändert.
Die bekannte Vorrichtung ist besonders dahingehend problematisch, dass mittels
des Piezoelements lediglich die Endpositionen des Ankers feststellbar sind. An
dere Positionen des Ankers lassen sich nur indirekt über die Kennlinie der Fe
dern berechnen. Dies führt zu erhöhten Fehlern bei der Detektion der Position
des Ankers.
Aus der DE 198 56 528 A1 ist zudem für sich gesehen ein Ventilhubsensor be
kannt, der zwei Stratokörper aufweist. Die Stratokörper sind hierbei in einem Ab
stand, wobei ein Zwischenraum bildet wird, angeordnet. In diesem Zwischen
raum ist ein Hallsensor angeordnet. Ein als Sensorelement ausgestaltetes Objekt
ist mit einem Magnetelement versehen und gegenüber dem Hallsensor ver
schiebbar angeordnet. Der Hallsensor arbeitet hierbei berührungslos. Bei der aus
der DE 198 56 528 A1 bekannten Vorrichtung ist insbesondere problematisch,
dass Temperaturänderungen am Hallsensor nicht kompensiert werden. Zudem
wirkt sich das nichtlineare Ausgangssignal nachteilig auf die Detektion der Posi
tion des Objekts aus. Ferner sind für sich gesehen noch die Queranker-Bauform
für Sensoren sowie eine Detektion durch Strom- oder Induktivitätsmessung über
dieselbe Spule bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich
tung und ein Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts der eingangs
genannten Art anzugeben, bei der bzw. dem die Position des Objekts bei ein
fachster Konstruktion weitgehend linear und störungsfrei erfassbar ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Vorrichtung und
das Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 bzw. 27 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung
und das in Rede stehende Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts
derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die beiden Spulen - wechselweise -
zum Bewegen des Objekts zwischen den Spulen und zur Detektion der Position
des Objekts dienen.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass zusätzliche Mit
tel, wie beispielsweise Piezoelemente, zur Detektion der Position eines Objekts
nur unzureichend geeignet sind, um die Position eines Objekts zu detektieren. In
weiter erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass man in Abkehr zu der
bisherigen Praxis - nämlich zusätzliche Mittel einzusetzen - eine Detektion der
Position des Objekts einzig und allein mittels der beiden Spulen erreichen kann.
Dies wird in technischer Hinsicht überraschend einfach dadurch realisiert, dass
die beiden Spulen, die üblicherweise einzig und allein zum Bewegen des Objekts
zwischen den Spulen dienen, nun - wechselweise - sowohl zum Bewegen des
Objekts zwischen den Spulen und zur Detektion der Position des Objekts dienen.
Dies ist beispielsweise dadurch erreicht, dass während die eine Spule zum Be
wegen des Objekts verwendet wird, die andere zur Detektion der Position des
Objekts gebraucht wird, nämlich als eine Art Wirbelstromsensor.
Im Rahmen einer besonders einfachen Ausgestaltung könnte das Objekt an ei
nem Schaft angeordnet sein. Insbesondere wenn es sich bei dem Objekt um den
Anker eines Ventils handelt, wäre eine besonders gleichförmige Bewegung des
Objekts gewährleistet.
Im Hinblick auf eine besonders robuste und funktionelle Ausgestaltung könnten
die Spulen in mindestens einem Körper angeordnet sein. In besonders vorteil
hafter Weise könnte der Körper hierbei ferromagnetisch sein.
Hinsichtlich einer besonders funktionellen Ausgestaltung könnte das Objekt zwi
schen zwei Endpositionen bewegbar sein. Das Objekt könnte hierbei mittels
mindestens einer Feder in einer Position, insbesondere einer Endposition des
Ventils, gehalten sein. Für den Fall dass es sich bei dem Objekt um den Anker
eines Ventils handelt, könnte die Position, in welcher das Objekt mittels der Fe
der gehalten wird, in besonders vorteilhafter Weise die Schließstellung des Ven
tils sein. Es wäre allerdings auch denkbar, dass das Objekt mittels zweier Federn
in jeder beliebigen Position gehalten wird.
In weiter vorteilhafter Weise könnte mindestens eine Spule in mindestens zwei
Sektionen unterteilt sein. Hierbei könnte die erste Sektion näher am Objekt an
geordnet sein als die zweite Sektion. Zusätzlich oder alternativ könnte der Ab
stand zwischen der zweiten Sektion und dem Objekt größer sein als die Hälfte
des Durchmessers der Spule.
Vorzugsweise könnte zudem die Impedanz der ersten Sektion größer, insbeson
dere ca. drei- bis fünfmal größer, sein als die Impedanz der zweiten Sektion. Bei
einer solchen Ausgestaltung würde durch die Bewegung des Objekts im Wesent
lichen nur die Impedanz der ersten Sektion beeinflusst, wobei die Impedanz der
zweiten Sektion von der Position des Objekts weitestgehend unabhängig ist.
Im Rahmen einer besonders einfachen Ausgestaltung könnte die Spule oder
könnten die Spulen jeweils mindestens zwei Anschlusspunkte und mindestens
einen Abgriff aufweisen. Dabei könnten die Anschlusspunkte und der Abgriff am
Ende der Sektionen angeordnet sein. Somit wäre die Bestromung und die Mes
sung der Impedanz der jeweiligen Sektion besonders einfach ausgestaltet.
In besonders vorteilhafter Weise könnte die Güte der beiden Sektionen der Spule
gleich sein, wenn sich das Objekt in einer Endposition befindet. In besonders
einfacher Weise könnte die Anpassung der Güte dabei durch die Anpassung des
Verhältnisses der Anzahl der Windungen der ersten und der zweiten Sektion er
reicht sein.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Schaltung könnte mindestens eine der
Spulen mit mindestens einem Operationsverstärker einen Spannungs-Strom-
Wandler bilden. Die erste Sektion der Spule könnte dann von dem Spannungs-
Strom-Wandler gespeist werden, wobei der Strom von der Impedanz der zweiten
Sektion abhängig wäre.
Der Abgriff zwischen der ersten und zweiten Sektion könnte hierbei mit dem in
vertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sein. Der nichtinver
tierende Eingang des Operationsverstärkers könnte zudem mit einem Multiplexer
verbunden sein. Mittels des Multiplexers könnte eine Spannung Uin erzeugt wer
den, die beispielsweise eine Rechteckspannung sein könnte.
In besonders vorteilhafter Weise könnte der Multiplexer mittels eines Mikrorech
ners oder eines Quarzoszillators steuerbar sein. Die Frequenz des Mikrorech
ners oder des Quarzoszillators könnte hierbei sehr viel größer sein, beispielswei
se 50 kHz bis 250 kHz, als die Frequenz des Stroms, mit der die Spule zur Be
wegung des Objekts angesteuert ist.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung könnte der Spannungs
abfall an der ersten Sektion mittels eines Instrumentalverstärkers erfassbar sein,
wobei der Zusammenhang
besteht. Hierbei ist Uin die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Ope
rationsverstärkers, Zs1 die Impedanz der ersten Sektion, wenn sich das Objekt in
der Endposition befindet, in welcher der Abstand zwischen der Spule und dem
Objekt minimal ist, Zs2 die Impedanz der zweiten Sektion, die im Wesentlichen
unabhängig vom Abstand des Objekts zu der Spule ist, K der Verstärkungsfaktor
des Instrumentalverstärkers und γ ein Koeffizient ist, der von der Geometrie der
Spule abhängig ist. Die Spannung am Ausgang des Instrumentalverstärkers Uv
ist somit vom Verhältnis der Impedanzen Zs1 und Zs2 der ersten und zweiten Sek
tion abhängig.
Der Ausgang des Instrumentalverstärkers könnte mit dem Eingang eines Diffe
rentiators verbunden sein. Der Ausgang des Differentiators könnte dann die
Spannung
aufweisen, wobei τ die Zeitkonstante des Differentiators ist.
Der Ausgang des Differentiators könnte mit einem Komparator verbunden sein.
Die Ausgangsspannung des Differentiators US könnte dann mittels des Kompa
rators mit einer konstanten Spannung U0 vergleichbar sein. Am Ausgang des
Komparators könnte somit ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugbar sein,
wenn der Multiplexer mittels des Mikrorechners oder des Quarzoszillators ge
steuert ist.
Alternativ könnte der Ausgang des Komparators mit einem insbesondere mono
stabilen Multivibrator verbunden sein. Mittels des Ausgangssignals des Multivi
brators könnte sodann der Multiplexer steuerbar sein. In diesem Falle würde die
Vorrichtung wie ein freischwingender Oszillator mit einer Periode T = tx + Δt ar
beiten, wobei Δt die Zeitkonstante des Monoflops ist.
In besonders einfacher Weise könnte sodann mittels einer Auswerteschaltung
die Position des Objekts ermittelbar sein. Diese Auswerteschaltung könnte hier
bei in jedweder Form realisiert sein.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe auch durch das Verfahren zur Detekti
on der Position eines Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 27 ge
löst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren zur Detektion der Position eines
Objekts derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die beiden Spulen - wech
selweise - zum Bewegen des Objekts zwischen den Spulen und zur Detektion
der Position des Objekts dienen.
Im Hinblick auf eine besonders zuverlässige Detektion der Position des Objekts
könnte die zur Detektion verwendete Spule mit hochfrequentem Strom, vorzugs
weise kleiner Amplitude, gespeist werden. Die Impedanz der zur Detektion des
Objekts verwendeten Spule würde dann exponentiell vom Abstand des Objekts
abhängen. Die zur Detektion verwendete Spule würde somit nach dem Wirbel
stromprinzip arbeiten, wobei es möglich ist, die Position des Objekts linear und
gleichzeitig temperaturstabil und unabhängig von Schwankungen der Versor
gungsspannung zu ermitteln. Eine Temperaturkompensation könnte hierbei zu
dem auf unterschiedliche Weise realisiert werden, beispielsweise mittels der An
ordnung einer Kompensationsspule.
Mindestens eine Spule könnte mit mindestens einem Operationsverstärker einen
Spannungs-Strom-Wandler bilden.
Im Rahmen einer besonders funktionellen Ausgestaltung könnte mindestens eine
Spule in mindestens zwei Sektionen unterteilt sein, wobei die erste Sektion dabei
näher am Objekt angeordnet sein könnte als eine zweite Sektion, so dass die
Position des Objekts durch die Änderung der Impedanz der ersten Sektion be
stimmt werden könnte. Das Wirkungsprinzip beruht somit auf dem Effekt der
Entmagnetisierungswirkung von Wirbelströmen, die durch das elektromagneti
sche Feld der Spule in dem Objekt induziert werden. Im Ergebnis verändert sich
die Impedanz der ersten Sektion der Spule mit der Bewegung des Objekts be
trächtlich, wobei sich zur gleichen Zeit die Impedanz der zweiten Sektion in Be
zug auf die Lage des Objekts verhältnismäßig wenig ändert, weil sie entfernt ge
nug vom Objekt angeordnet ist. Die erste Sektion der Spule könnte hierbei durch
eine Stromquelle, nämlich den mittels der Spule und dem Operationsverstärker
gebildeten Spannungs-Strom-Wandler, gespeist werden, wobei der Strom dann
von der Impedanz der zweiten Sektion abhängig wäre.
Der Spannungsabfall an der ersten Sektion könnte mittels eines Instrumentalver
stärkers erfasst werden, wobei der Zusammenhang
besteht.
Der Ausgang des Instrumentalverstärkers könnte dann mit dem Eingang eines
Differentiators verbunden sein. Am Ausgang des Differentiators würde somit die
Spannung
anliegen, wobei τ die Zeitkonstante des Differentiators ist.
Der Ausgang des Differentiators könnte sodann mit einem Komparator verbun
den sein, so dass die Spannung am Ausgang des Differentiators mittels des
Komparators mit einer konstanten Spannung U0 verglichen wird.
Am Ausgang des Komparators liegen nur Signale der Zeitdauer t0(x) für bestimmte
Positionen des Objekts an. Die Zeit ist somit proportional zur Position
des Objekts und zwar
mittels der Änderung der konstanten Spannung und/oder der Zeitkonstanten
könnten dann die Werte der Zeit geregelt werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten die Lehre der vorliegenden Erfindung in
vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die
den Patentansprüchen 1 und 27 nachgeordneten Patentansprüche und anderer
seits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Detektion der Position eines Objekts anhand der Zeichnung zu verweisen. In
Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detek
tion der Position eines Objekts anhand der Zeichnung werden auch im Allgemei
nen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der
Zeichnung zeigt
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung, ein Ausführungsbeispiel eines
Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion der Posi
tion eines Objekts, nämlich den Teil eines Ventils,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung, einen Ausschnitt der Spulen
des Ventils der Fig. 1,
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung, einen Schaltplan einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 in einer schematischen Darstellung, den Zeitverlauf der Spannun
gen für verschiedene Positionen des Objekts bei einer ersten Aus
führungsform und
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung, den Zeitverlauf der Spannun
gen für verschiedene Positionen des Objekts bei einer zweiten
Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Teils einer erfindungsgemäßen Vor
richtung zur Detektion der Position eines Objekts 1, nämlich den Anker 2 eines
Ventils 3. Das Ventil 3 umfasst zwei Spulen 4, 5, in diesem Fall Magnetspulen,
die mit Strom beaufschlagbar sind, um den Anker 2 zwischen den Spulen 4 und
5 zu bewegen.
In erfindungsgemäßer Weise dienen die beiden Spulen 4, 5 - wechselweise -
zum Bewegen des Ankers 2 zwischen Spulen 4, 5 und zur Detektion der Position
des Ankers 2.
Der Anker 2 ist an einem Schaft 6 und die Spulen 4, 5 sind in zwei ferromagneti
schen Körpern 7, 8 angeordnet. Der Anker 2 ist mittels der beiden Spulen 4, 5
zwischen zwei Endpositionen, nämlich der geöffneten und der geschlossenen
Stellung des Ventils, bewegbar und wird mittels einer Feder 9 in der Position ge
halten, in der das Ventil 3 geschlossen ist. Die beiden Spulen 4, 5 werden wech
selweise bestromt, um den Anker 2 zwischen den Spulen 3, 5 zu bewegen und
das Ventil 3 somit zu öffnen und zu schließen.
Zusätzlich wird, wenn die Spule 4 zur Bewegung des Ankers 2 bestromt wird, die
Spule 5 zur Bestimmung der Position des Ankers 2 verwendet und umgekehrt.
Wenn der Anker 2 sich in der jeweiligen Endposition befindet und der Haltestrom
in der jeweiligen Spule 4, 5 abgeschaltet wird, so dass der Anker 2 von der sich
entspannenden Feder 9 in Richtung auf die andere Endstellung in Bewegung
gesetzt wird, wird die Spule 4, 5 mit hochfrequentem Strom gespeist.
Die Spulen 4, 5 sind in jeweils zwei Sektionen 10, 11, 10', 11' - wie in Fig. 2 dar
gestellt - unterteilt. Die erste Sektion 10, 10' ist hierbei näher am Anker 2 ange
ordnet als die zweite Sektion 11, 11'. Damit die zweite Sektion 11, 11' zusätzlich
noch unabhängiger von der Position des Ankers 2 ist, ist der Abstand zwischen
der zweiten Sektion 11, 11' und dem Anker 2 größer als die Hälfte des Durch
messers der Spulen 4, 5. Zudem ist die Impedanz der ersten Sektion 10, 10'
größer, in diesem Fall ca. 4 mal größer, als die Impedanz der zweiten Sektion
11, 11' gewählt.
Die Spulen 4, 5 weisen jeweils zwei Anschlusspunkte 12, 12', 13, 13' und einen
Abgriff 14, 14' auf, die an den jeweiligen Endpunkten der Sektionen 10, 11, 10',
11' angeordnet sind.
Zur Ermittlung der Position eines zwischen den Spulen 4, 5 bewegten Ankers 2
weist die Schaltung, wie in Fig. 3 gezeigt, einen Spannungsteiler aus drei Wider
ständen R1, R2 und R3 auf, wobei der Spannungsteiler von einer Spannungs
quelle Ucc gespeist wird.
Mit Hilfe eines Operationsverstärkers 15 und dem als Potentiometer ausgeführ
ten Widerstand R2 wird eine Referenzspannung U0 erzeugt. Zwischen den Wi
derständen R1 und R2 wird die Spannung Uin abgegriffen, die zum Eingang ei
nes Multiplexers 16 geführt wird, dessen zweiter Eingang mit Masse verbunden
ist.
Der Ausgang des Multiplexers 16 ist mit einem Spannungs-Strom-Wandler ver
bunden, der die Spulen 4, 5 und einen Operationsverstärker 17 umfasst. Der
Ausgang des Multiplexers 16 ist dabei mit dem nichtinvertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 17 verbunden, wobei der invertierende Eingang des Ope
rationsverstärkers 17 mit dem Abgriff 14 der Spule 4 verbunden ist, dessen An
schlusspunkt 12 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 17 und dessen
Anschlusspunkt 13 mit Masse verbunden ist.
Der Spannungsabfall zwischen dem Anschlusspunkt 12 und dem Abgriff 14 der
Spule 4 wird mittels eines Instrumentalverstärkers 18 abgegriffen und über eine
Kapazität - hier nicht dargestellt - mit dem invertierenden Eingang eines Diffe
rentiators 19 verbunden, wobei der Ausgang des Instrumentalverstärkers 18 über
einen Widerstand - hier nicht dargestellt - mit dem invertierenden Eingang des
Differentiators 19 verbunden ist.
Der Ausgang des Differentiators 19, an dem die Spannung Us liegt, ist mit dem
nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 20 verbunden, dessen invertie
render Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 15 verbunden ist,
wobei die Referenzspannung U0 anliegt. Der Ausgang des Komparators 20 ist
mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers 21 verbunden, an dessen Ausgang ein
Zeitintervall erzeugt wird, das proportional zu der Position des Ankers 2 ist.
Bei einer anderen ebenfalls in Fig. 3 in dargestellten Ausführungsform wird der
Ausgang des Komparators 20 über einen Monoflop-Multivibrator 22 mit dem
Steuereingang des Multiplexers 16 verbunden. Der Steuereingang des Multiple
xers 16 wird mit einem Rechteckoszillator, in diesem Fall einem Mikrorechner 23,
verbunden. Der Mikrorechner 23 steuert den Multiplexer 16 dabei mit einem
Rechtecksignal mit der Frequenz f0 an, wobei in der ersten Halbperiode des
Rechtecksignals ein Eingang des Multiplexers 16 mit dem aus den Widerständen
R1, R2 und R3 gebildeten Spannungsteiler verbunden ist und in der zweiten
Halbperiode des Rechtecksignals derselbe Eingang des Multiplexers 16 mit
Masse verbunden ist. Die Frequenz f0 beträgt hierbei einen Wert von ca. 50 bis
250 kHz. Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Steuereingang des Multiple
xers 16 mit dem Ausgang des monostabilen Multivibrators 22 verbunden.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Spannung US am Ausgang des Operationsver
stärkers 19 von der Zeit t für drei unterschiedliche Positionen des Ankers x1, x2,
x3. Die Spannung US wird mittels des Komparators 20 mit der Spannung U0 ver
glichen. Am Ausgang des Komparators 20 liegen Signale mit der Zeitdauer t0(x1),
t0(x2) und t0(x3) - jeweils dargestellt in Fig. 4b, Fig. 4c und Fig. 4d - für die drei
verschiedenen Positionen des Ankers 2 an. Durch die konstante Frequenz f0 der
Speisespannung wird durch die vom Abstand abhängige Zeitdauer t0(x) ein Si
gnal mit Pulsweitenmodulation erzeugt.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Spannung US von der Zeit für eine Position x1
des Ankers 2 bei der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor
richtung. Wenn die Spannung US mit der Referenzspannung U0 gleich ist, ent
steht am Ausgang des Komparators 20 ein Signal UK mit der Zeitdauer t0(x1).
Mit fallender Flanke der Spannung UK wird der monostabile Multivibrator 22 ge
steuert, der nach der konstanten Zeit Δt umschaltet. Zu dieser Zeit wird die Spei
sung der Spule 4, bzw. 5 unterbrochen und dann mittels des Multiplexers 16
wieder eingeschaltet. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform bietet den
Vorteil einer hohen Messgeschwindigkeit, da die Anordnung wie ein freischwin
gender Oszillator arbeitet und nicht an eine fest vorgebbare Frequenz f0 gebun
den ist. Als Ausgangssignal steht somit ein reines Zeitintervall T = tx + Δt, womit
eine Frequenzmodulation erreicht ist.
Hinsichtlich weiterer Details wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die
allgemeine Beschreibung verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend be
schriebenen Ausführungsbeispiele lediglich der Erörterung der beanspruchten
Lehre dienen, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränken.
Claims (40)
1. Vorrichtung zur Detektion der Position eines Objekts (1), insbesondere
des Ankers (2) eines Ventils (3), beispielsweise eines Ein- und Auslassventils,
Kraftstoffeinspritzventils, Gaswechselventils oder dergleichen, mit mindestens
zwei Spulen (4, 5), vorzugsweise zwei Magnetspulen, die mit Strom beauf
schlagbar sind, um das Objekt (1) zwischen den zwei Spulen (4, 5) zu bewegen,
dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (4, 5) - wechsel
weise - zum Bewegen des Objekts (1) zwischen den Spulen (4, 5) und zur De
tektion der Position des Objekts (1) dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt
(1) an einem Schaft (6) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spulen (4, 5) in mindestens einem Körper (7, 8) ange
ordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die
Körper (7, 8) ferromagnetisch ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dass das Objekt (1) zwi
schen zwei Endpositionen bewegbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt
(1) mittels mindestens einer Feder (9) in einer Position, insbesondere einer End
position des Ventils (3), gehalten ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Spule (4, 5) in mindestens zwei Sektionen (10, 11, 10',
11') unterteilt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Sektion (10, 10') näher am Objekt (1) angeordnet ist als die zweite Sektion (11,
11').
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Abstand zwischen der zweiten Sektion (11, 11') und dem Objekt (1) größer als
die Hälfte des Durchmessers der Spule (4, 5) ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Impedanz der ersten Sektion (10, 10') größer, insbesondere ca. drei- bis
fünfmal größer, ist als die Impedanz der zweiten Sektion (11, 11').
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Spule (4, 5) mindestens zwei Anschlusspunkte (12, 12',
13, 13') und mindestens einen Abgriff (14, 14'), vorzugsweise an den jeweiligen
Endpunkten der Sektionen (10, 11, 10', 11'), aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die Güte der beiden Sektionen (10, 11, 10', 11') der Spule (4, 5) gleich ist,
wenn sich das Objekt (1) in der Endposition befindet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die An
passung der Güte durch die Anpassung des Verhältnisses der Anzahl der Win
dungen der ersten (10, 11) und zweiten Sektion (10', 11') erreicht ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine der Spulen (4, 5) mit mindestens einem Operationsver
stärker (17) einen Spannungs-Strom-Wandler bildet.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14 und Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, dass der Abgriff (14, 14') zwischen der ersten (10, 10') und zweiten Sektion
(11, 11') mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (17) ver
bunden ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Multiplexer (16) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
(17) verbunden ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Multi
plexer (16) mittels eines Mikrorechners (23) oder eines Quarzoszillators steuer
bar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fre
quenz des Mikrorechners oder Quarzoszillators sehr viel größer ist als die Fre
quenz des Stroms, mit der die Spule (4, 5) zur Bewegung des Objekts (1) ange
steuert ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
dass der Spannungsabfall an der ersten Sektion (10, 10') mittels eines Instru
mentalverstärkers (18) erfassbar ist, wobei ein Zusammenhang
besteht.
besteht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Aus
gang des Instrumentalverstärkers (18) mit dem Eingang eines Differentiators (19)
verbunden ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Aus
gang des Differentiators (19) die Spannung
aufweist.
aufweist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Aus
gang des Differentiators (19) mit einem Komparator (20) verbunden ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass am Aus
gang des Komparators (20) ein plusweitenmoduliertes Signal erzeugbar ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ausgang des Komparators (20) mit einem insbesondere monostabilen Multivi
brator (22) verbunden ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 16 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass
mittels Ausgangssignals des Multivibrators (22) der Multiplexer (16) steuerbar ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet,
dass mittels einer Auswerteschaltung die Position des Objekts (1) ermittelbar ist.
27. Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts (1), insbesondere des
Ankers (2) eines Ventils (3), beispielsweise eines Ein- und Auslassventils, Kraft
stoffeinspritzventils, Gaswechselventils oder dergleichen, vorzugsweise mittels
einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, mit mindestens zwei
Spulen (4, 5), vorzugsweise zwei Magnetspulen, die mit Strom beaufschlagbar
sind, um das Objekt (1) zwischen den zwei Spulen (4, 5) zu bewegen,
dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (4, 5) - wechsel
weise - zum Bewegen des Objekts (1) zwischen den Spulen (4, 5) und zur De
tektion der Position des Objekts (1) dienen.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die zur De
tektion der Position des Objekts (1) verwendete Spule (4, 5) mit hochfrequentem
Strom, vorzugsweise kleiner Amplitude, gespeist wird.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die
Impedanz der zur Detektion des Objekts (1) verwendeten Spule (4, 5) exponenti
ell vom Abstand des Objekts (1) abhängt.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spule (4, 5) mit einem Operationsverstärker (17) einen Spannungs-
Strom-Wandler bildet.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei die Spulen (4, 5) in
mindestens zwei Sektionen (10, 11, 10', 11') unterteilt sind und wobei die erste
Sektion (10, 10') näher am Objekt angeordnet ist als die zweite Sektion (11, 11'),
dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objekts (1) durch die Änderung
der Impedanz der ersten Sektion (10, 10') bestimmt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Im
pedanz der zweiten Sektion (11, 11') der Spule (4, 5) im Wesentlichen von der
Änderung der Position des Objekts (1) unabhängig ist.
33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass die
erste Sektion (10, 10') durch eine Stromquelle gespeist wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der in der
ersten Sektion (10, 10') fließende Strom von der zweiten Sektion (11, 11') ab
hängig ist.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet,
dass der Spannungsabfall (UV) an der ersten Sektion (10, 10') mittels eines In
strumentalverstärkers (18) erfasst wird, wobei ein Zusammenhang
besteht.
besteht.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang
des Instrumentalverstärkers (18) mit dem Eingang eines Differentiators (19) ver
bunden ist.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang
des Differentiators (19) die Spannung
anliegt.
anliegt.
38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Ausgang des Differentiators (19)
mit einem Komparator (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spannung am Ausgang des Differentiators (19) mittels des Komparators (20) mit
einer konstanten Spannung (U0) verglichen wird.
einer konstanten Spannung (U0) verglichen wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit
(t0(x)) proportional zur Position des Objekts (1) ist.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der
Änderung der konstanten Spannung (U0) und/oder der Zeitkonstanten τ die
Werte der Zeit (t0(x)) geregelt wird.
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