DE10141764A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Detektion der Position eines Objekts

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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.
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.
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.
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.
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.
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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