DE102004025387A1

DE102004025387A1 - Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder von Bewegungsgrößen

Info

Publication number: DE102004025387A1
Application number: DE200410025387
Authority: DE
Inventors: Thomas Burkhardt; Achim Dr. Zern
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: DE102004025387B4

Abstract

Um eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung zur Erfassung des Wegs eines Positionsgebers, umfassend eine Meßfühlereinrichtung mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Meßfühler, an welchen der Positionsgeber berührungslos koppelt, bereitzustellen, welcher universell einsetzbar ist, wird ein integrierter Beschleunigungssensor zur Ermittlung der Beschleunigung des Positionsgebers vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung zur Erfassung des Wegs eines Positionsgebers, umfassend eine Meßfühlereinrichtung mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Meßfühler, an welchen der Positionsgeber berührungslos koppelt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder von Bewegungsgrößen eines Positionsgebers bei einer magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtung.

Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtungen sind beispielsweise aus der EP 1 306 650 A1 oder der EP 1 306 651 A1 bekannt.

Mittels magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtungen läßt sich der Weg bzw. die Position eines beweglichen Maschinenelements erfassen, an welches der Positionsgeber gekoppelt ist. Der Positionsgeber umfaßt dabei einen Permanentmagneten oder Elektromagneten und der Weg (die Position) des Positionsgebers und damit eines Maschinenelements, an welches der Positionsgeber gekoppelt ist, wird über die Laufzeit von propagierenden mechanischen Wellen auf einen von dem Meßfühler umfaßten Wellenleiter ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche universell einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Wegaufnehmervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein integrierter Beschleunigungssensor zur Ermittlung der Beschleunigung des Positionsgebers vorgesehen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich Beschleunigungsdaten ermitteln, wobei die relative Beschleunigung ermittelt wird. Diese lassen sich aufintegrieren, um die Geschwindigkeit des Positionsgebers zu bestimmen. Durch weitere Aufintegration kann die Position bestimmt werden. Die über Aufintegration ermittelten Positionsdaten lassen sich wiederum mit den magnetostriktiv ermittelten Positionsdaten abgleichen. Dadurch können die Beschleunigungsdaten kalibriert werden (das heißt Integrationskonstanten können bestimmt werden).
Die Beschleunigungsmessung kann zeitkontinuierlich erfolgen, während die Positionsmessung über die Meßfühlereinrichtung in der Regel zeitdiskret ist. Die zeitdiskrete Messung hat eine Totzeit zur Folge. Die Position des Positionsgebers läßt sich dadurch bei bewegten und insbesondere beschleunigtem Positionsgeber nicht in Echtzeit erfassen. Durch das Vorsehen eines Beschleunigungssensors, wobei die Beschleunigungsmessung insbesondere der Positionsmessung über die Meßfühlereinrichtung überlagert ist, lassen sich Positionsdaten in Echtzeit ermitteln. Das Rauschen ist verringert, das heißt es lassen sich Daten hoher Genauigkeit erhalten. Es kann ein Positionsausgangssignal bereitgestellt werden, welches nicht mehr zeitlich quantisiert ist. Es steht kontinuierlich zur Verfügung, so daß das entsprechende Positionssignal auch asynchron zu der Taktung der Messung der Meßfühlereinrichtung auskoppelbar ist. Ferner kann ein deutlich geringer verrauschtes Geschwindigkeitssignal (welches durch Integration der Beschleunigungsdaten erhalten wird) bereitgestellt werden als bei der Differenzbildung von Positionsdaten. Damit läßt sich die entsprechende Wegaufnehmervorrichtung beispielsweise auch bei Regelungsanwendungen einsetzen, die einen Wegaufnehmer mit geringer Totzeit erfordern. Aus dem Vergleich von magnetostriktiv ermittelten Positionsdaten und aus dem Beschleunigungssignal ermittelten Positionsdaten lassen sich unter Umständen temperaturabhängige Parameter wie Offset-Parameter und Proportionalitätsparameter bestimmen. Die Beschleunigungssignale müssen deshalb nicht am Beschleunigungssensor kalibriert werden. Dadurch kann der Beschleunigungssensor einfach aufgebaut werden.
Da Positionsdaten durch die magnetostriktive Messung und durch die Beschleunigungsmessung bereitgestellt werden, lassen sich die Daten abgleichen. Es ist dann nicht mehr notwendig, daß der Beschleunigungssensor die absolute Größe der Beschleunigung des Positionsgebers erfaßt, sondern es kommt nur noch auf die relativen Änderungen an. Dadurch kann der Beschleunigungssensor wiederum relativ einfach ausgebildet werden. Insbesondere läßt sich ein nicht-dynamischer Anteil der Beschleunigung, welche durch den Beschleunigungssensor ermittelt wird und beispielsweise auf Temperaturänderungen zurückzuführen ist, in seiner Auswirkung auf das Ausgabesignal eliminieren.
Der Beschleunigungssensor läßt sich auf einfache Weise in eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung integrieren, da der gleiche Geber für die Beschleunigungsmessung und die magnetostriktive Positionsmessung eingesetzt werden kann.
Es ist auch möglich, Startsignale zur Auslösung einer Laufzeitmessung bei der magnetostriktiven Meßfühlereinrichtung mit geringerer Frequenz zu erzeugen, ohne daß dadurch die Totzeit erhöht wird, da ja Positionsdaten über die zeitkontinuierliche Messung mittels des Beschleunigungssensors bereitstellbar sind. Dadurch läßt sich eine effektive Dimensionierung der Wegaufnehmervorrichtung durchführen. Insbesondere lassen sich Nachteile, die durch eine höhere Frequenz der Startsignale entstehen würden, vermeiden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Wegaufnehmervorrichtung bereitgestellt, welche neue vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Beispielsweise ist das Rauschen des Positionswerts reduziert, die Auflösung erhöht und das Geschwindigkeitssignal und das Beschleunigungssignal stehen in Echtzeit zur Verfügung. Es lassen sich dann schnelle Regelanwendungen realisieren.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn als Beschleunigungssensor ein Ferraris-Beschleunigungssensor vorgesehen ist. Die relative Beschleunigung wird dann über Detektion eines elektromagnetischen Feldes von Wirbelströmen ermittelt, wobei die Wirbelströme von induzierten Spannungen erzeugt werden. Ein Magnet erzeugt ein Magnetfeld. Wenn ein Metallteil dem magnetischen Fluß ausgesetzt ist und der Magnetfluß – durch Bewegung des Positionsgebers – sich am Metallteil ändert, dann werden dort Spannungen induziert, die Wirbelströme hervorrufen. Die Wirbelströme sind von einem elektromagnetischen Feld begleitet, das wiederum berührungslos detektierbar ist. Beispielsweise können in einer Detektionsspule aufgrund des elektromagnetischen Felds Spannungen induziert werden, die ein direktes Maß für die Beschleunigung sind. Ein Gehäuse der magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtung stellt einen Metallstreifen bereit, in dem Wirbelströme erzeugbar sind. Abschätzungen zeigen, daß in einer entsprechend ausgebildeten Detektorspule Induktionsspannungen in der Größenordnung von mehreren Mikrovolt bis Millivolt erzeugbar sind, um so ein Beschleunigungssignal zu ermitteln. Bei einem Ferraris-Beschleunigungssensor lassen sich die Magnete des Positionsgebers für die magnetostriktive Kopplung auch für die Beschleunigungsmessung als Magnetflußquellen einsetzen. Es ergibt sich dadurch ein einfacher konstruktiver Aufbau. Die Positionsdaten lassen sich auch dann ermitteln, wenn der Positionsgeber nicht beschleunigt ist.
Insbesondere erstreckt sich ein Metallstreifen, in dem Wirbelströme erzeugbar sind, in einer Längsrichtung im wesentlichen parallel zum Meßfühler. Dadurch läßt sich eine zeitkontinuierliche Beschleunigungsmessung der magnetostriktiven Wegmessung überlagern, wobei sich auf einfache Weise die relative Beschleunigung zwischen dem Meßstreifen und dem Positionsgeber ermitteln läßt.
Günstigerweise umfaßt der Positionsgeber einen oder mehrere Magnete und/oder Spulen, über welche Spannungen zur Beschleunigungsermittlung induzierbar sind. Die Magnete erzeugen einen Magnetfluß, welcher auf einen Metallstreifen, welcher insbesondere Teil des Gehäuses der Meßfühlereinrichtung ist, wirken. Durch zeitliche Veränderung des Magnetflusses über Beschleunigung des Positionsgebers wird dann eine Spannung im Metallstreifen induziert. Diese bewirkt im Metallstreifen Wirbelströme, die wiederum (insbesondere in Spulen am Positionsgeber) beschleunigungsproportionale Spannungen erzeugen.
Insbesondere sind der oder die Magnete so angeordnet, daß Magnetfeldlinien im wesentlichen senkrecht in einen Metallstreifen eintreten. Es ergibt sich dann bei Beschleunigung des Positionsgebers eine große Flußänderung.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der oder die Magneten des Positionsgebers die magnetostriktive Kopplung des Positionsgebers an den Meßfühler bewirken. Dadurch läßt sich ein kompakter Aufbau erreichen, wobei auch die Beschleunigung des Positionsgebers meßbar ist.
Insbesondere ist der Meßfühler in einem Gehäuse angeordnet, welches zumindest teilweise aus einem nicht-magnetischen Metall hergestellt ist. Es können dann Wirbelströme in dem Gehäuse erzeugt werden, deren begleitendes elektromagnetisches Feld wiederum zur Beschleunigungsmessung detektierbar ist.
Insbesondere ist ein Metallstreifen, in dem Wirbelströme erzeugbar sind, Teil des Gehäuses.
Zur Auswertung des von den Wirbelströmen erzeugten elektromagnetischen Feldes ist vorteilhafterweise am Positionsgeber mindestens eine Detektorspule angeordnet. In dieser ist eine Spannung induzierbar, welche proportional zur Beschleunigung des Positionsgebers ist. Über Auswertung der induzierten Spannung läßt sich also ein Beschleunigungssignal ermitteln.
Insbesondere ist die mindestens eine Detektorspule mit ihrer Windungsachse im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Meßfühlers ausgerichtet. Dadurch kann die Ankopplung optimiert werden, um so eine ausreichend große Signalstärke zu erhalten. Es ist beispielsweise auch möglich, zwei um 90° gedrehte Detektorspulen vorzusehen.
Bei einer Ausführungsform weist die mindestens eine Detektorspule einen rechteckigen Querschnitt bezüglich dieser Längsrichtung auf oder weist einen Querschnitt mit unterschiedlichen Querachsenabmessungen wie einen ovalen Querschnitt. Auf diese Weise läßt sich die Detektorspule auf einfache Weise am Positionsgeber anordnen. Diese Gestalt ist auch angepaßt an permanentmagnetische Magnetstäbe.
Insbesondere weist die mindestens eine Detektorspule eine Breite auf, welche höchstens so groß ist wie die Breite eines Gehäuses der Meßfühlereinrichtung. Dadurch ragt die Detektorspule nicht in einen Luftbereich hinein, in dem aufgrund der Wirbelströme kein detektierbares elektromagnetisches Feld vorliegt. Es ergibt sich dadurch eine hohe Signalempfindlichkeit.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die mindestens eine Detektorspule eine Höhe aufweist, welche durch das Abklingverhalten des durch Wirbelströme erzeugten Magnetfeldes bestimmt ist. Modellrechnungen haben gezeigt, daß mindestens das Fernfeld des durch einen bekannten Positionsgeber in einem bekannten Gehäuse eines magnetostriktiven Wegmeßsystems erzeugten Felds in einer 1/r-Abhängigkeit abfällt (r ist der senkrechte Abstand zu dem Gehäuse). Dies hat zur Folge, daß eine zu hohe Spule nur in einem kleinen Bereich effektiv ankoppeln kann. Der nicht-wirksame Kopplungsbereich der Detektorspule erhöht aber deren Empfindlichkeit gegenüber Störungseinkopplungen.
Insbesondere ist eine Detektionseinrichtung für elektromagnetische Felder am Positionsgeber angeordnet. Dadurch läßt sich ein einfacher kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Wegaufnehmervorrichtung erreichen.
Es ist grundsätzlich möglich, daß eine Energieversorgungseinrichtung für die Detektionseinrichtung am Positionsgeber angeordnet ist. Beispielsweise sind am Positionsgeber eine oder mehrere Batterien angeordnet und/oder es ist eine photovoltaische Anordnung vorgesehen.
Es ist auch möglich, daß die Energieversorgung für die Detektionseinrichtung über die Meßfühlereinrichtung erfolgt. Es kann dabei Energie über ein Kabel in die Detektionseinrichtung eingekoppelt werden oder es kann eine drahtlose Energieversorgung vorgesehen werden.
Insbesondere dienen durch Startsignale für Erregerimpulse oder Erregerimpulse der Meßfühlereinrichtung induzierte Spannungen zur Energieversorgung der Detektionseinrichtung. Die Startsignale der Erregerimpulse weisen eine ansteigende und eine abfallende Flanke auf. Über diese Flanken lassen sich in einer Spule Spannungssignale erzeugen, welche dann über ein Kabel oder drahtlos der Detektionseinrichtung bereitstellbar sind. Die Spannungssignale enthalten Taktzeiten der Meßfühlereinrichtung. Es wird dadurch der Detektionseinrichtung eine Taktfrequenz bereitgestellt, die es der Detektionseinrichtung ermöglicht, ein gemäß der ermittelten Beschleunigung frequenzmoduliertes Signal zu erzeugen, wobei eine starre Frequenzkopplung zu der Taktfrequenz der Meßfühlereinrichtung gegeben ist.
Günstigerweise ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen. Diese führt die Auswertungen und insbesondere Integrationsprozeduren und Abgleichprozeduren durch.
Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinrichtung in einem Gehäuse der Meßfühlereinrichtung angeordnet. Dadurch wird ein System bereitgestellt, welches Beschleunigungsdaten, Geschwindigkeitsdaten und Positionsdaten bereitstellen kann, wobei das oder die Ausgangssignale rauschfrei sind bzw. rauschminimiert sind.
Es kann eine Frequenzmodulationseinrichtung vorgesehen sein, welche ein gemäß einer ermittelten Beschleunigung frequenzmoduliertes Signal erzeugt, welches an eine Auswerteeinrichtung übertragbar ist. Diese Frequenzmodulationseinrichtung ist insbesondere Teil einer Detektionseinrichtung bzw. einer solchen Detektionseinrichtung nachgeschaltet. Es läßt sich ein frequenzmoduliertes Signal erzeugen, welches dann von der Auswerteeinrichtung demoduliert wird, um ein Beschleunigungssignal zu gewinnen und die Beschleunigungsdaten weiterverarbeiten zu können.
Insbesondere wird als Ausgabesignal ein Positionssignal bereitgestellt. Das Positionssignal kann über (zweifache) Integration des Beschleunigungssignals ermittelt werden. Wenn keine Beschleunigung des Positionsgebers detektiert wird, dann kann als Positionssignal das Signal der magnetostriktiven Meßfühlereinrichtung ermittelt werden. Die Nicht-Detektion einer Beschleunigung bedeutet dabei, daß die Totzeit der zeitdiskreten Messung der Meßfühlereinrichtung keine Auswirkungen auf die Meßempfindlichkeit bzw. das Rauschen hat.
Insbesondere ist das Positionssignal mittels Positionsdaten der magnetostriktiven Meßfühlereinrichtung abgeglichen bzw. kalibriert. Dadurch können die Meßergebnisse des Beschleunigungssensors bei der Positionsbestimmung benutzt werden. Es ist dadurch möglich, das Rauschen des Positionssignals zu reduzieren und außerdem ein nicht-totzeitbehaftetes kontinuierliches Ausgangssignal zu erhalten.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn als Ausgabesignal ein Beschleunigungssignal bereitgestellt ist. Der Beschleunigungssensor ermittelt direkt ein solches Beschleunigungssignal. Ein solches Beschleunigungssignal kann beispielsweise bei schnellen Regelungsanwendungen relevant sein.
Es kann ferner vorgesehen sein, daß als Ausgabesignal ein Geschwindigkeitssignal bereitgestellt ist. Dieses wird beispielsweise durch Aufintegration der Beschleunigungsdaten erzeugt.
Die Beschleunigungsmeßwerte werden in kürzeren Zeitabständen als die Positionsmeßwerte der Meßfühlereinrichtung ermittelt. Sie können gegenüber den zeitdiskreten magnetostriktiven Positionsdaten deshalb als zeitkontinuierlich angesehen werden.
Erfindungsgemäß werden über den Beschleunigungssensor Meßwerte zeitkontinuierlich ermittelt, wobei diese Messungen den zeitdiskreten Positionsmessungen der Meßfühlereinrichtung überlagert werden.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß sich Ausgangssignale mit verringerter Verrauschung erzielen lassen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Beschleunigung des Positionsgebers durch einen Beschleunigungssensor ermittelt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Insbesondere werden die magnetostriktiven Positionsdaten zeitdiskret ermittelt und die Beschleunigungsdaten werden zeitkontinuierlich ermittelt. Es wird dadurch eine zeitkontinuierliche Messung einer zeitdiskreten Messung überlagert. Dadurch lassen sich die Vorteile unter wesentlicher Umgehung der Nachteile der beiden Meßmethoden bündeln. Insbesondere kann ein Abgleich der Daten erfolgen, so daß beispielsweise nur der dynamische Anteil der Beschleunigung ermittelt werden muß und nicht der statische Anteil der Beschleunigung.
Dadurch läßt sich der Beschleunigungssensor wiederum einfacher ausbilden. Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich die Position des Positionsgebers auch dann ermitteln, wenn keine Beschleunigung erfolgt.
Insbesondere bewirkt der Positionsgeber die magnetostriktive Kopplung und induziert eine Spannung, welche Wirbelströme hervorruft, über deren elektromagnetisches Feld die Beschleunigung des Positionsgebers ermittelt wird. Der Positionsgeber ist damit sowohl Geber für die zeitkontinuierliche Beschleunigungsmessung als auch für die zeitdiskrete Positionsmessung. Es läßt sich dadurch ein kompakter Aufbau erzielen.
Insbesondere wird die Position des Positionsgebers über Aufintegration der gemessenen Beschleunigungsdaten ermittelt. Falls keine Beschleunigung detektiert wird, können die Positionen auch direkt über die magnetostriktiv gemessenen Positionsdaten ermittelt werden, jedoch mit reduziertem Rauschen.
Es ist ferner günstig, wenn die Geschwindigkeit des Positionsgebers über Aufintegration der gemessenen Beschleunigungsdaten ermittelt wird. Dadurch ergibt sich ein wenig verrauschtes Geschwindigkeitssignal, da keine Differentialbildung notwendig ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Abgleich zwischen den magnetostriktiv ermittelten Positionsdaten und den über die Beschleunigungsdaten ermittelten Positionsdaten erfolgt. Dadurch ist es möglich, daß nur dynamische Beschleunigungsänderungen zur Ermittlung der Positionsdaten herangezogen werden müssen, das heißt es kommt nicht auf den absoluten Wert der Beschleunigung an (einschließlich eines statischen Anteils). Es können dadurch beispielsweise langsam veränderliche Schwankungen in ihren Auswirkungen auf ein Ausgabesignal eliminiert werden. Solche langsam veränderlichen Schwankungen sind beispielsweise durch Temperaturänderungen verursacht. Das durch einen Beschleunigungssensor ermittelte Beschleunigungssignal kann sich grundsätzlich aus einem dynamischen Anteil und aus einem nicht-dynamischen (statischen) Anteil zusammensetzen. Der nicht-dynamische Anteil kann veränderlich sein. Durch die erfindungsgemäße Überlagerung einer zeitkontinuierlichen Messung zu der zeitdiskreten Messung läßt sich die Auswirkung des nicht-dynamischen Anteils eliminieren.
Ferner kann durch den Abgleich der Positionsdaten auch erkannt werden, ob eine Beschleunigung vorliegt oder nicht; so können beispielsweise die magnetostriktiven Positionsdaten direkt verwendet werden, wenn keine Beschleunigung vorliegt. Eine Mittelwertbildung ist in diesem Falle ohne Genauigkeitseinbußen möglich.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer magnetostriktiven Wegmeßeinrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Gegenstandes mit der schematischen Darstellung von induzierten Strömen bei bewegtem Magnet;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Positionsgebers, welcher an einem Gegenstand, dessen Position zu bestimmen ist, fixierbar ist;
4 eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 schematisch ein Positions(Weg)-Zeit-Diagramm eines bewegten Gegenstandes und über zeitdiskrete Messungen ermittelte Positionsdaten (zur Veranschaulichung in übertriebener Darstellung);
6 schematisch die Impulsfolge von Erregerimpulsen für ein magnetostriktives Wegmeßsystem;
7 schematisch Spannungen, welche durch Erregerimpulse in einer Spule induziert werden; und
8 Diagramme für die Beschleunigung, Geschwindigkeit und die Position eines bewegten Gegenstandes, wobei die entsprechenden Daten mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurden, im Vergleich zu den Positionsdaten, welche durch zeitdiskrete Messungen ermittelt wurden.
Ein Ausführungsbeispiel einer Meßfühlereinrichtung ist als magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung in 1 gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet. Die Meßfühlereinrichtung 10 umfaßt einen Meßfühler 12, welcher in einem Gehäuse angeordnet ist (in 1 nicht gezeigt). Es ist ein Positionsgeber 14 vorgesehen, welcher ein oder mehrere Magnete umfaßt. Der Positionsgeber ist an beispielsweise einem beweglichen Maschinenteil fixiert und bewegt sich auf einer parallel zu dem Meßfühler 12 verlaufenden Bahn. Der Positionsgeber 14 kann freifliegend zu einem Gehäuse der Meßfühlereinrichtung 10 bewegt sein oder an dem Gehäuse geführt sein.
Der Meßfühler 12 ist als Wellenleiter 16 ausgebildet und beispielsweise rohrförmig ausgebildet oder liegt in Drahtform vor. Beispielsweise ist er aus einer Nickel-Eisen-Legierung hergestellt. In ihn ist ein Kupferleiter 18 eingefädelt.
Der Meßfühler 12 erstreckt sich in einer Längsrichtung 20. Der Positionsgeber 14 ist parallel zu dieser Längsrichtung 20 bewegt.
Ein von einer Meßschnittstelle stammender Erreger(Strom)-Impuls 22 löst als Meßsignal eine Messung aus. Der Erregerstromimpuls 22 wird dabei mittels eines Startsignals ausgelöst. Der Erregerstromimpuls 22 erzeugt ein zirkulares Magnetfeld 26, welches aufgrund weichmagnetischer Eigenschaften des Wellenleiters 16 in diesem gebündelt wird. An einer Meßstelle 28, welche durch die Position des Positionsgebers 14 relativ zu dem Meßfühler 12 bestimmt ist, wirkt das Magnetfeld des Positionsgebers 14 auf den Wellenleiter 16. Magnetfeldlinien 30 des oder der Magneten des Positionsgebers 14 verlaufen rechtwinklig zum zirkularen Magnetfeld 26 und sind ebenfalls im Wellenleiter 16 gebündelt.
In einem Bereich 32, in welchem sich die beiden Magnetfelder 26 und 30 überlagern, entsteht im Mikrobereich des Gefüges des Wellenleiters 16 eine elastische Verformung aufgrund von Magnetostriktion. Diese elastische Verformung wiederum bewirkt eine sich längs des Wellenleiters 16 in entgegengesetzte Richtungen 34, 36 ausbreitende elastische Welle (Torsionswelle). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Welle im Wellenleiter 16 liegt in der Größenordnung von ca. 2800 m/s und ist weitgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.
An einem Ende 38 des Wellenleiters 16 ist ein Dämpfungsglied 40 vorgesehen, durch das die zu diesem Ende 38 laufende transsonare Welle dort weggedämpft wird, so daß der zurückreflektierte Anteil bei der Signaldetektion gegenüber der direkt propagierenden Welle vernachlässigbar ist.
Am anderen Ende 42 ist ein Signalwandler 44 angeordnet, welcher durch Umkehrung des magnetostriktiven Effekts und magnetische Induktion ein elektrisches Signal erzeugt und dieses an eine Meßschnittstelle liefert.
Die Wellenlaufzeit vom Entstehungsort 28 (bestimmt durch die Position des Positionsgebers 14 relativ zum Meßfühler 12) ist direkt proportional zum Abstand zwischen dem Positionsgeber 14 und dem Signalwandler 44. Mittels einer Zeitmessung kann daher der Abstand zwischen dem Signalwandler 44 und dem Positionsgeber 14 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die primären Signale für die Laufzeitmessung sind der Erregerstromimpuls 22 auf dem Wellenleiter 16 und sein Reaktionsimpuls, welcher zeitversetzt in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem Signalwandler 44 und dem Positionsgeber 14 von dem Signalwandler 44 an die Meßschnittstelle geliefert wird. Der Zeitpunkt zwischen Auslösen eines Erregerstromimpulses und Eintreffen des Reaktionsimpulses ist durch den Ort des Positionsgebers 14 bestimmt.
Die Startsignale, welche entsprechend Erregerstromimpulse 22 und damit die Laufzeitmessung auslösen, werden in regelmäßigen Zeitabständen ausgelöst. Ein Startsignal wird auch als Initimpuls bezeichnet. Die Gesamtdauer einer Laufzeitmessung ist bestimmt durch den Abstand der Auslösung benachbarter Startimpulse. Die Zeitperiode zwischen der Auslösung eines Startimpulses zu dem Zeitpunkt t₀ bis zum Beginn der Auslösung des nächsten Startimpulses zu dem Zeitpunkt t₁ wird auch als Frame bezeichnet. Bei magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtungen liegen typische Frameraten im Bereich zwischen 0,5 und 2 kHz. Die sich daraus ergebenden Framedauern t₁ – t₀ liegen in einem typischen Bereich zwischen 0,5 ms und 2 ms.
Die Meßfühlereinrichtung 10 ist eine erste Meßeinrichtung, welche die Position des Gegenstandes (über die Position des Positionsgebers 14) zeitdiskret mißt. Die einzelne Messung wird durch das jeweilige Startsignal und den daraus resultierenden Erregerstromimpuls 22 ausgelöst. Während eines Frames kann nur ein Meßwert über den Reaktionsimpuls auf den Erregerstromimpuls 22 generiert werden. Diese zeitdiskrete Messung (über die Frames) hat eine Totzeit zur Folge und ist mit Rauschen behaftet. Darüber hinaus ist das über den Reaktionsimpuls generierte Positionssignal kein Echtzeitsignal, da zum Zeitpunkt der Registrierung des Reaktionsimpulses durch den Signalwandler 44 sich der Positionsgeber 14, wenn dieser bewegt ist, an einer anderen Stelle als der Meßstelle 28 befinden kann.
Dies ist in 5 in übertriebener Form gezeigt: Die durchgezogene Kurve ist das tatsächliche Positions(Weg)-Zeit-Diagramm des Positionsgebers 14 und damit des Gegenstandes, an dem der Positionsgeber 14 fixiert ist. Auf der t-Achse sind die Zeitpunkte der Auslösung der Startsignale gezeigt, das heißt, sind die Frames gezeigt. Die Kreise geben den tatsächlichen Ort des Positionsgebers 14 bei Auslösung der jeweiligen Startsignale an. Die Startsignale führen zur jeweiligen Auslösung der Erregerstromimpulse 22. Diese weisen eine endliche Laufzeit auf, bis sie die jeweiligen Meßstellen 28 (bestimmt durch die Position des Positionsgebers 14) erreicht haben. Ferner ist die aufgrund der Laufzeit der Impulse auf dem Wellenleiter 16 ermittelte Position eine "in der Zeit verschobene" Position des Positionsgebers 14. Dies ist in 5 durch Kreuze angedeutet. Wenn der Positionsgeber 14 innerhalb eines Frames bewegt wird, dann weicht die gemessene Position von der tatsächlichen Position ab, das heißt die Positionsdaten der Meßfühlereinrichtung 10 unterscheiden sich von den tatsächlichen Positionsdaten. Dies ist in 5 durch die Stufenfunktion – übertrieben – angedeutet. Aufgrund der zeitdiskreten Messung liegt somit eine Totzeit in den Positionsdaten vor. Die Totzeit kann prinzipiell durch Verkürzung der Zeitdauer eines Frames erniedrigt werden; dies hat jedoch andere Nachteile zur Folge und aufgrund der Laufzeitmessung ist dies nur in relativ engem Rahmen möglich. Da die Frames eine definierte Länge aufweisen müssen, liegt grundsätzlich eine bestimmte Totzeit für die Messung vor.
Aus den gemessenen zeitabhängigen Positionsdaten lassen sich grundsätzlich Geschwindigkeitsdaten und Beschleunigungsdaten des Positionsgebers 14 durch Bildung von Differenzen als Annäherung für eine Differentiation bilden. Aufgrund des Rauschens der Positionsdaten sind die ermittelten Größen Geschwindigkeit und Beschleunigung jedoch mit relativ großen Ungenauigkeiten behaftet.
Erfindungsgemäß ist eine zweite Meßeinrichtung 46 (2) vorgesehen, welche eine Bewegungsgröße des Positionsgebers 14 zeitkontinuierlich ermittelt, wobei diese Größe über eine Differentialbeziehung mit der Position des Positionsgebers 14 in Beziehung steht. Insbesondere wird die Beschleunigung des Positionsgebers 14 als zweite Ableitung der Position in der Zeit ermittelt. Der Begriff zeitkontinuierlich ist dabei so zu verstehen, daß Meßwerte in einem erheblich kürzeren zeitlichen Abstand als der zeitliche Abstand benachbarter zeitdiskreter Messungen ermittelt werden.
Dies ist in 6 schematisch angedeutet: Die zeitdiskreten Messungen der magnetostriktiven Meßfühlereinrichtung 10 sind bestimmt durch die Zeitdauer eines Frames, das heißt durch die Zeitdauer t₁ – t₀. In diesem Zeitintervall wird eine einzige zeitdiskrete Messung der Position des Positionsgebers 14 durchgeführt. In dem gleichen Zeitintervall werden dagegen durch die zweite Meßeinrichtung 46 eine Vielzahl von Messungen, beispielsweise der Beschleunigung des Positionsgebers 14, durchgeführt. Dies ist in 6 durch die "Unterteilungsstriche" 48 angedeutet.
In die erfindungsgemäße Wegaufnehmervorrichtung ist die zweite Meßeinrichtung 46 (2) beispielsweise in der Form eines Beschleunigungssensors integriert.
Die Meßfühlereinrichtung 10 sitzt in einem Gehäuse 50 aus einem nicht-magnetischen Metall wie beispielsweise Aluminium. Der Positionsgeber 14, welcher einen oder mehrere Permanentmagnete aufweisen kann oder einen oder mehrere Elektromagnete, koppelt magnetostriktiv an die Meßfühlereinrichtung 10.
Er koppelt ferner elektromagnetisch an das Gehäuse 50; aufgrund der Bewegung des Positionsgebers 14 verändert sich der magnetische Fluß am Gehäuse 50. Dies hat zur Folge, daß Spannungen in dem Gehäuse 50 induziert werden, die wiederum Wirbelströme verursachen. In 2 ist schematisch eine Wirbelstromdichte 52 in dem Gehäuse 50 in einer Momentaufnahme gezeigt. Die Wirbelströme wiederum erzeugen ein Magnetfeld 54, welches beispielsweise detektierbar ist, beispielsweise durch eine Detektionseinrichtung, welche am Positionsgeber 14 angeordnet ist. Es läßt sich direkt aus einer über das veränderliche Magnetfeld 54 induzierte Spannung die Beschleunigung des Positionsgebers 14 ermitteln und zwar zeitkontinuierlich ermitteln, das heißt zu jedem Zeitpunkt läßt sich direkt in Echtzeit der aktuelle Beschleunigungswert für den Positionsgeber 14 ermitteln.
Beschleunigungssensoren, bei welchen Magnete in einem Metallteil Spannungen erzeugen, die wiederum Wirbelströme hervorrufen und das von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfeld in Sensorspulen induziert wird, werden als Ferraris-Beschleunigungssensoren bezeichnet.
Bei dem gezeigten Beispiel läßt sich die Beschleunigung des Positionsgebers 14 auf einer Bewegungsstrecke 56 (2), welche parallel zu der Längsrichtung 20 des Meßfühlers 12 ausgerichtet ist, ermitteln. Das Metallteil für den Ferraris-Beschleunigungssensor ist dabei durch einen Metallstreifen gebildet, welcher integraler Bestandteil des Gehäuses 50 ist.
Rechnerische Abschätzungen zeigen, daß bei Positionsgebern mit Permanentmagneten, wie sie üblicherweise für magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtungen verwendet werden, beim Abstand von ca. 1 cm zwischen dem Positionsgeber 14 und dem Gehäuse 50 Normalkomponenten des Magnetfeldes von ca. 100 G auftreten. Im Einflußbereich des Magnetfeldes am Gehäuse 50 erhält man eine näherungsweise konstante Stromdichte, welche im magnetfeldfreien Außenraum dipolartig geschlossen ist. Die Abstandsabhängigkeit des durch die Wirbelströme hervorgerufenen Magnetfelds, welche eine Detektionseinrichtung durchsetzt, folgt mindestens im Fernfeldbereich einer 1/r-Abhängigkeit, wobei r der senkrechte Abstand zwischen Gehäuse 50 und Detektionseinrichtung ist.
Abschätzungen ergeben, daß sich über die zweite Meßeinrichtung 46 mit einem Beschleunigungssensor gemäß dem Ferraris-Prinzip für Beschleunigungen der Größenordnung von 0,1 g Spannungen im Bereich Mikrovolt bis Millivolt in einer Detektionseinrichtung erzeugen lassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Positionsgebers, welcher mit einer Detektionseinrichtung versehen ist, und welcher als Ganzes in 4 schematisch gezeigt und dort mit 58 bezeichnet ist, sind in einem Gehäuse 60 zwei beabstandete Ferrit-Magnetstäbe 62a, 62b angeordnet. Diese Permanentmagnete 62a, 62b bewirken die magnetostriktive Kopplung an die Meßfühlereinrichtung 10 und verursachen den magnetischen Fluß, mit welchem der Positionsgeber 58 das Gehäuse 50 beaufschlägt.
Zwischen den beiden Magnetstäben 62, 62b sitzt als Teil einer Detektionseinrichtung 64 eine Detektorspule 66 mit einem rechteckigen Querschnitt. Die Breite der Detektorspule 66 ist vorzugsweise höchstens so groß wie die Breite des Gehäuses 50. Die Höhe der Detektorspule 66 (in der Abstandsrichtung zu dem Gehäuse 50) ist entsprechend der Ortsabhängigkeit des Magnetfeldes der in dem Gehäuse 50 induzierten Wirbelströme gewählt. Wenn der Querschnitt zu hoch gewählt wird (von dem Gehäuse 50 weg), dann wird eine vergrößerte Fläche für Störeinflüsse bereitgestellt, welche wegen der 1/r-Abhängigkeit im Fernfeld aber nichts zur Detektionsempfindlichkeit beiträgt.
Eine Windungsachse 68 der Detektorspule 66 ist parallel zur Bewegungsstrecke und damit parallel zur Längsrichtung 20 orientiert.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde eine Spule mit einer Windungszahl von 1000 und einer Querschnittsfläche von 2 cm² gewählt.
Die Detektionseinrichtung 64, welche im Positionsgeber 58 angeordnet ist, muß mit Energie versorgt werden. Dies erfolgt beispielsweise über eine am Positionsgeber 58 angeordnete Batterie.
Es ist auch möglich, daß die Detektionseinrichtung 64 über die Meßfühlereinrichtung 10 mit elektrischer Energie versorgt wird. Dies kann beispielsweise über ein Kabel erfolgen, welches die Meßfühlereinrichtung 10 und den Positionsgeber 58 miteinander verbindet. Über dieses Kabel läßt sich der Detektionseinrichtung 64 entsprechend elektrische Energie zuführen. Ein solches Kabel ist sowieso vorgesehen, wenn der Positionsgeber 58 als Magnete Elektromagnete umfaßt.
Es ist grundsätzlich vorteilhaft, daß elektrische Energie von der Meßfühlereinrichtung 10 kabellos eingekoppelt wird.
Zur Laufzeitmessung wird durch das Startsignal ein Erregerstromimpuls 22 ausgelöst (vgl. 6). Der Erregerstromimpuls 22 induziert in einer Spule 70, welche mit ihrer Windungsachse parallel zum Wellenleiter 16 ausgerichtet ist, eine Spannung, und zwar jeweils an der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke des Erregerstromimpulses. In 7 sind schematisch die Spannungspulse 72 und 74 angedeutet, welche dadurch in eine Spule der Detektionseinrichtung 64 induziert werden. Die Erregerstromimpulse 22 sind dabei an die Startsignale gekoppelt. Die entsprechende Energie (enthalten in den Spannungspulsen 72, 74) läßt sich mit einem Kabel oder drahtlos an die Detektionseinrichtung 64 übertragen.
In dem Gehäuse 50 ist eine Auswerteeinrichtung 76 angeordnet, welche an einem oder mehreren Ausgängen 78 Positionsdaten und/oder Geschwindigkeitsdaten und/oder Beschleunigungsdaten bereitstellt. Das durch die Detektionseinrichtung 64 ermittelte Detektionssignal (welches ein Beschleunigungssignal des Positionsgebers 58 darstellt), wird an die Auswerteeinrichtung 76 per Kabel oder drahtlos übertragen. Grundsätzlich kann der gleiche Übertragungspfad, mit dem elektrische Energie zur Versorgung der Detektionseinrichtung 64 übertragen wird, verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Detektionseinrichtung 64 einen Schwingkreis, wobei die Schwingung entsprechend der Beschleunigung frequenzmoduliert wird. Das frequenzmodulierte Signal kann dann von der Auswerteeinrichtung 76 abgenommen und weiterverarbeitet werden. Die Übertragung der Signale der Detektionseinrichtung 64 an die Auswerteeinrichtung 76 beeinflußt dabei die zeitdiskrete Positionsmessung über den Meßfühler 12 nicht.
Wenn zur Energieversorgung der Detektionseinrichtung Spannungspulse 72,74 verwendet werden, dann kann die Detektionseinrichtung sich über diese Spannungspulse 72, 74 eine Frequenz ableiten, beispielsweise 5 Perioden. Ist beispielsweise der Erregerstromimpuls 22 vier Takte eines internen Oszillators lang, dann steht die durch die Detektionseinrichtung 64 abgeleitete Frequenz in einem bestimmten Verhältnis zu einer internen Frequenz der Meßfühlereinrichtung 10. Es ist dadurch eine starre Frequenzverkopplung erreicht, über die sich wiederum durch die Auswerteeinrichtung 76 durch Demodulation das ursprüngliche – unmodulierte – Detektionssignal der Detektionseinrichtung 64 und damit der ermittelte Beschleunigungswert zurückgewinnen lassen.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren funktioniert wie folgt:
Die Meßfühlereinrichtung 10 als erste Meßeinrichtung ermittelt Positionsdaten des Positionsgebers 14 bzw. 58 aufgrund zeitdiskreter Messungen. Die zweite Meßeinrichtung 46 (der Beschleunigungssensor) ermittelt Bewegungsdaten für die Bewegungsgröße Beschleunigung U_acc des Positionsgebers 14 bzw. 58 zeitkontinuierlich. Dabei gilt Uacc(t) = a(t)·k0 + k1.
k₀ ist ein Proportionalitätsparameter, der temperaturveränderlich sein kann; k₁ ist ein Offset-Parameter, der seine Ursache beispielsweise in einer elektronischen Verstärkung hat.
Aus den gemessenen Beschleunigungsdaten läßt sich die Geschwindigkeit des Positionsgebers 14 bzw. 58 durch Aufintegration berechnen:
Daraus wiederum ergibt sich die Position durch weitere Aufintegration:
k₀, k₁, v_o und s_o sind Parameter bzw. Integrationskonstanten. Die Parameter k₀ und k₁ können sich durchaus in der Zeit verändern, wobei die Zeitveränderlichkeit jedoch langsam ist. Diese Zeitveränderlichkeit kann beispielsweise durch Temperaturdrifts verursacht sein. Die Parameter selber sind neben der Temperatur auch von dem Abstand zwischen dem Positionsgeber 14 bzw. 58 und dem Gehäuse 50, den eingesetzten Materialien insbesondere bezüglich magnetischen Eigenschaften und Leitfähigkeitseigenschaften (des Gehäuses 50) und der Dicke des Gehäuses 50 abhängig.
Erfindungsgemäß wird gleichzeitig die Position des Positionsgebers 14 bzw. 58 zeitdiskret gemessen, das heißt die zeitdiskrete Messung und die zeitkontinuierliche Messung sind überlagert. Durch Abgleichung der Meßergebnisse und insbesondere der aufintegrierten Daten gemäß den obigen Formeln mit den durch die erste Meßeinrichtung 10 ermittelnden Daten lassen sich die Parameter k₀, k₁, v_o, s_o bestimmen und zwar auch in ihrer (langsamen) Zeitabhängigkeit bestimmen. Über die Positionsdaten der Meßfühlereinrichtung 10 lassen sich somit die Daten der zweiten Meßeinrichtung 46 kalibrieren.
Dadurch wiederum muß der Ausgang des Beschleunigungssensors 46 nicht die absolute Beschleunigung des Positionsgebers 14 bzw. 58 ausgeben, sondern nur ein mit einem Offset (k₁) behafteten beschleunigungsproportionales Signal (Parameter k₀). Die aufwendige Kompensation von Signalbeeinflussungen wie Temperatur, Abstand, Material usw. kann entfallen.. Dadurch läßt sich mit relativ geringem Aufwand eine hohe Genauigkeit für die Messung erreichen.
Grundsätzlich kann der Abgleich bzw. die Kalibrierung bei jedem Frame durchgeführt werden. Für die meisten Anwendungsfälle genügt es jedoch, wenn der Abgleich nach einer Mehrzahl von Frames, wie beispielsweise nach jedem zehnten Frame, durchgeführt wird.
In 8 sind Beispiele für durch die Auswerteeinrichtung 76 bereitgestellte Daten gezeigt. Es wurde dabei ein herkömmlicher Positionsgeber (mit der Bezeichnung BDL6-A-3800-2) mit einer zusätzlichen Detektorspule 66 versehen. Die Detektorspule weist 750 Windungen auf. Die Windungen nehmen eine Breite von ca. 3 mm ein. Der elektrische Widerstand der entsprechenden Detektorspule beträgt 122 Ω.
Dem entsprechenden Positionsgeber 58 wurde ein leichter Stoß von Hand gegeben. Die Kurve 80 zeigt das Beschleunigungssignal an, wobei man im Bereich 82 den Stoß erkennen kann. Das Zeitraster der Kurve 80 liegt bei 20 ms.
Die Kurve 84 zeigt den Geschwindigkeitsverlauf, welcher durch Aufintegration der Kurve 80 ermittelt wurde.
Die Kurve 88 ist ein Positionssignal, welches durch Aufintegration der Daten gemäß der Kurve 84 (Geschwindigkeitssignal) ermittelt wurde. Die Kurve 90 ist eine Invertierung der Kurve 88 und die Kurve 86 das Positionssignal der Meßfühlereinrichtung 10. Die Daten der Kurve 90 sind aus dem Beschleunigungssignal (Kurve 80) durch zweifache Integration ermittelt worden, das heißt diese Kurve besteht aus Wegsignaldaten mit dem gleichen Vorzeichen wie das Positionssignal (Kurve 86) der Meßfühlereinrichtung 10.
Der Zeitmaßstab für die Signaldaten der Kurven 84, 88, 90, 86 ist 5 ms/div; für die Signaldaten der Kurve 80 ist der Zeitmaßstab 20 ms/div.
Aus den Signaldaten ist ersichtlich, daß das über die Meßfühlereinrichtung 10 bestimmte Positionssignal (Kurve 86) den gleichen Verlauf wie das rechnerisch über den Beschleunigungssensor ermittelte Positionssignal (Kurve 90) hat.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird einer zeitdiskrete Messung der Position durch die Meßfühlereinrichtung 10 eine zeitkontinuierliche Messung der Beschleunigung durch die zweite Meßeinrichtung 46 überlagert. Bei der Datenauswertung wird die Geschwindigkeit und die Position über Aufintegration der Daten des Beschleunigungssensors unter Abgleich mit den Daten der Meßfühlereinrichtung 10 als erste Meßeinrichtung ermittelt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Wegaufnehmervorrichtung echtzeitfähig. Das Datenrauschen läßt sich drastisch reduzieren. Die Meßdaten lassen sich asynchron zur festen Abtastrate der Meßfühlereinrichtung 10 abholen. Es ist auch möglich, die Abtastrate der Meßfühlereinrichtung 10 ohne Einschränkung der Meßgenauigkeit zu verringern.
Durch die Echtzeitfähigkeit der Wegaufnehmervorrichtung kann diese auch bei echtzeitkritischen Anwendungen wie beispielsweise Regelungen eingesetzt werden. Ferner läßt sich ein Geschwindigkeitssignal und Beschleunigungssignal bereitstellen, welches nicht rechnerisch durch Differentiation (und deshalb mit Differentiationsrauschen behaftet) gewonnen wird, sondern direkt (das Beschleunigungssignal) oder über Aufintegration eines direkten Signals wie eines Geschwindigkeitssignals erzeugt wurde. Dies ist wiederum wichtig für schnelle Vorgänge und insbesondere für dynamische Regelvorgänge.
Aufgrund des Abgleichs zwischen den Daten der beiden Meßeinrichtungen 10 und 46 muß nicht die absolute Beschleunigung ausgegeben werden, sondern es reicht, ein offestbehaftetes beschleunigungsproportionales Signal auszugeben. Dadurch wiederum ist es möglich, einen nicht-dynamischen Beschleunigungsanteil abzuseparieren und auch Temperaturdrifts mit langsamer zeitlicher Veränderbarkeit bezogen auf die Enddaten zu eliminieren.
Die Gebermagnete sind gleichzeitig Gebermagnete für die Beschleunigungsmessung und für die Meßfühlereinrichtung 10. Unter relativ geringem Platzbedarf läßt sich damit insbesondere bei magnetostriktivem Wegsystem auch die Beschleunigung des Gegenstandes, dessen Position zu ermitteln ist, erfassen.
Die Position läßt sich über die Meßfühlereinrichtung 10 auch dann ermitteln, wenn der Positionsgeber nicht beschleunigt ist; die Position eines statischen Gegenstandes kann direkt gemessen werden. Durch doppelte Integration des Beschleunigungssignals (das bei einem statischen Gegenstand ein Nullsignal ist) reduziert sich das Rauschen des Positionssignals.

Claims

Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung zur Erfassung des Wegs eines Positionsgebers (14; 58), umfassend eine Meßfühlereinrichtung (10) mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Meßfühler (12), an welchen der Positionsgeber (14; 58) berührungslos koppelt, gekennzeichnet durch einen integrierten Beschleunigungssensor (46) zur Ermittlung der Beschleunigung des Positionsgebers (14; 58).
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschleunigungssensor (46) ein Ferraris-Beschleunigungssensor vorgesehen ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung über Detektion eines elektromagnetischen Feldes von Wirbelströmen, die von induzierten Spannungen erzeugt werden, ermittelt wird.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallstreifen, in dem Wirbelströme erzeugbar sind, sich in einer Längsrichtung im wesentlichen parallel zum Meßfühler (12) erstreckt.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber (14; 58) einen oder mehrere Magnete (62a, 62b) umfaßt, über welche Spannungen zur Beschleunigungsermittlung induzierbar sind.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Magnete (62a, 62b) so angeordnet sind, daß Magnetfeldlinien im wesentlichen senkrecht in einen Metallstreifen eintreten.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Magnete (62a, 62b) des Positionsgebers (14; 58) die magnetostriktive Kopplung des Positionsgebers (14; 58) an den Meßfühler (12) bewirken.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (12) in einem Gehäuse (50) angeordnet ist, welches zumindest teilweise aus nicht-magnetischem Metall hergestellt ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallstreifen, in dem Wirbelströme erzeugbar sind, Teil des Gehäuses (50) ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Positionsgeber (58) mindestens eine Detektorspule (66) angeordnet ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Detektorspule (66) mit ihrer Wicklungsachse (68) im wesentlichen parallel zur Längsrichtung (20) des Meßfühlers (12) ausgerichtet ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Detektorspule (66) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Detektorspule (66) eine Breite aufweist, welche höchstens so groß ist wie die Breite eines Gehäuses (50).
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Detektorspule (66) eine Höhe aufweist, welche durch das Abklingverhalten des durch Wirbelströme erzeugten Magnetfelds bestimmt ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektionseinrichtung (64) für elektromagnetische Felder am Positionsgeber (58) angeordnet ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energieversorgungseinrichtung für die Detektionseinrichtung (64) am Positionsgeber (58) angeordnet ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung für die Detektionseinrichtung (64) über die Meßfühlereinrichtung (10) erfolgt.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühlereinrichtung (10) und die Detektionseinrichtung (64) über ein Kabel gekoppelt sind.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühlereinrichtung (10) und die Detektionseinrichtung (64) drahtlos gekoppelt sind.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß durch Startsignale für Erregerimpulse (22) oder Erregerimpulse (22) der Meßfühlereinrichtung (10) induzierte Spannungen zur Energieversorgung der Detektionseinrichtung (64) dienen.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung (76) vorgesehen ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (76) in einem Gehäuse (50) der Meßfühlereinrichtung (10) angeordnet ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzmodulationseinrichtung vorgesehen ist, welche ein gemäß einer ermittelten Beschleunigung frequenzmoduliertes Signal erzeugt, welches an eine Auswerteeinrichtung (76) übertragbar ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgabesignal ein Positionssignal bereitgestellt ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionssignal über Integration des Beschleunigungssignals ermittelt wird.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das über Aufintegration des Beschleunigungssignals ermittelte Positionssignal mittels eines magnetostriktiv ermittelten Positionssignals der Meßfühlereinrichtung (10) abgeglichen ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgabesignal ein Beschleunigungssignal bereitgestellt ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgabesignal ein Geschwindigkeitssignal bereitgestellt ist.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal über Integration eines Beschleunigungssignals ermittelt wird.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungsmeßwerte in kürzerem Zeitabstand als Positionsmeßwerte der Meßfühlereinrichtung (10) ermittelt werden.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühlereinrichtung (10) die Position zeitdiskret ermittelt.
Magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über den Beschleunigungssensor (46) Meßwerte zeitkontinuierlich ermittelt werden.
Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder von Bewegungsgrößen eines Positionsgebers bei einer magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung des Positionsgebers durch einen Beschleunigungssensor ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktiven Positionsdaten zeitdiskret ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsdaten zeitkontinuierlich ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber die magnetostriktive Kopplung bewirkt und eine Spannung induziert, welche Wirbelströme hervorruft, über deren elektromagnetisches Feld die Beschleunigung des Positionsgebers ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Positionsgebers über Aufintegration der gemessenen Beschleunigungsdaten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Positionsgebers über Aufintegration der gemessenen Beschleunigungsdaten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgleich zwischen den magnetostriktiv ermittelten Positionsdaten und den über die Beschleunigungsdaten ermittelten Positionsdaten erfolgt.