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Die
Erfindung betrifft eine Wirbelstromsensoranordnung, insbesondere
zur Weg- oder Winkelmessung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Wirbelstromsensoren
werden heute insbesondere als Näherungssensoren
zur Abstandsmessung oder zur Positionsbestimmung beweglicher Teile
eingesetzt. Bekannte Wirbelstromsensoren umfassen i.d.R. einen Sensor
mit einer Spule und einen leitfähigen
Geber und arbeiten im wesentlichen nach folgendem Prinzip:
Die
Spule wird mit einem hochfrequenten Strom betrieben und erzeugt
in ihrer näheren
Umgebung ein hochfrequentes magnetisches Feld, das im Geber Wirbelströme hervorruft.
Die Wirbelströme
erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spule entgegengesetztes
magnetisches Feld. Je nach Abstand zwischen Sensor und Geber, der
Leitfähigkeit sowie
der im Feldbereich befindlichen Geberfläche ist dieses Gegenfeld unterschiedlich
groß.
Die Spule zeigt somit je nach Abstand, Leitfähigkeit und Fläche eine
unterschiedliche Ersatzinduktivität bzw. eine unterschiedliche
komplexe Impedanz. Die Induktivität der Spule kann auf verschiedene
Weise, z.B. durch Messung der Resonanzfrequenz eines aus der Spule und
einem Kondensator bestehenden LC-Schwingkreises ermittelt und daraus
der Abstand bestimmt werden.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Wirbelstromsensoren dienen üblicherweise
zur Abstandsmessung oder Positions bestimmung. Wirbelstromsensoren,
die zur Weg- oder Winkelmessung eingesetzt werden können, sind
aus dem Stand der Technik dagegen nicht bekannt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelstromsensor
zur Weg- oder Winkelmessung zu schaffen. Die Messgröße sollte dabei
möglichst
kontinuierlich gemessen werden können.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Wirbelstromsensoranordnung
zu schaffen, deren Geber eine leitfähige Spur aufweist, die vom
Sensor in Längs-
bzw. Bewegungsrichtung abgetastet wird. Die Spur ist dabei so gestaltet,
dass sich die komplexe Impedanz der Sensorspule und damit auch das
entsprechende Sensorsignal mit zurückgelegtem Weg kontinuierlich ändert.
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Die
Spur kann zu diesem Zweck eine in Bewegungsrichtung variierende
Leitfähigkeit,
eine variierende wirksame Fläche,
eine variierende Dotierung, ein variierendes Verhältnis an
leitfähigen
zu nicht-leitfähigen
Bereichen (z.B. Lochspur oder Spur mit leitfähigen und nicht-leitfähigen Streifen)
oder eine andere variierende Eigenschaft aufweisen, die eine Änderung
der Wirbelströme
und somit eine kontinuierliche Änderung
der komplexen Spulenimpedanz während
des Abtastens bewirkt. Die Spur kann z.B. als gleichmäßig breiter
Streifen leitfähigen
Materials (z.B. ein Blechstreifen oder Folienstreifen) realisiert
sein, der in definierten Abständen
nichtleitende Bereiche (z.B. Löcher)
aufweist, deren Dichte oder Größe sich
in Bewegungsrichtung ändert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die wirksame Fläche
der Spur kontinuierlich zu- oder abnehmend gebildet. Unter dem Begriff „wirksame
Fläche" wird dabei diejenige
Fläche
der leitfähigen
Spur verstanden, die zur Erzeugung von Wirbelströmen und damit zur Erzeugung
eines dem Feld der Spule entgegengerichteten Feldes beiträgt.
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Durch
die kontinuierliche Veränderung
der Spur ändert
sich auch das Gegenfeld kontinuierlich mit dem Weg. Somit kann die
Messgröße (Weg
oder Winkel) kontinuierlich bestimmt werden. Ein derart aufgebauter
Weg- oder Winkelmesser ist darüber
hinaus besonders einfach zu realisieren und außerdem sehr störfest und
temperaturunempfindlich.
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Bei
Betrieb des Wirbelstromsensors bewegen sich Spule und Geber vorzugsweise
in gleichbleibendem Abstand relativ zueinander in Bewegungsrichtung.
Dies hat den Vorteil, dass bei der Auswertung der Spuleninduktivität bzw. Spulenimpedanz
der Abstand zwischen Spule und Geber nicht berücksichtigt werden muss und
somit die Auswertung einfacher ist. Da sich das Gegenfeld mit zunehmendem Abstand
abschwächt,
müsste
andernfalls der Abstand berücksichtigt
werden.
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Um
die Messanordnung gegen eine mögliche
Variation des Abstands unempfindlich zu machen, kann die Signalauswertung
z.B. nach dem Differenzprinzip durchgeführt werden. D.h. es wird der Messwert
aus der Differenz zweier Sensorsignale ermittelt, wobei die Sensoren
mechanisch gekoppelt sind und somit die gleiche Abstandsänderung
bei einer Bewegung mitmachen. Der Einfluss des Abstandes kürzt sich
bei der Differenzbildung heraus. Eine mögliche Messanordnung kann z.B.
einen ersten Sensor umfassen, der eine erste Spur, und einen zweiten
Sensor, der eine zweite (z.B. komplementäre) Spur abtastet. Die Spuren
sind vorzugsweise so gestaltet, dass sich das Differenzsignal bei
Abtastung kontinuierlich ändert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Spur derart gestaltet, dass sich die Impedanz
der Spule bzw. ein entsprechendes Sensorsignal mit zurückgelegtem
Weg sinusförmig ändert. Dies
erlaubt eine besonders einfache Auswertung des Sensorsignals.
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Die
Geberspur hat vorzugsweise eine stetige, insbesondere sinusähnliche
laterale Kontur. Dabei ist die Spur bezüglich einer in Bewegungsrichtung verlaufenden
Mittellinie vorzugsweise symmetrisch gebildet. Durch diese Gestalt
verändert
sich die komplexe Impedanz der Spule sinusförmig und kann somit einfach
ausgewertet werden.
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Die
Spur ist vorzugsweise periodisch und hat mehrere Periodensegmente.
Eine periodische Spur hat den Vorteil, dass auch längere Wegstrecken
bzw. größere Winkel
mit hoher Messgenauigkeit erfasst werden können. Wegen der Periodizität ist das
Sensorsignal jedoch nicht mehr eindeutig, so dass je nach Bedarf
Mittel zur Absolutwertbestimmung vorzusehen sind. Solche Mittel
sind in vielfältiger
Weise aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Einrichtung zur Absolutwertbestimmung
kann z.B. aus dem Gradienten eines Sensorsignals die Anzahl der
abgetasteten Knoten oder Bäuche
und daraus die Segmentnummer des aktuellen Periodensegments bestimmen.
Aus der Segmentnummer und der relativen Messgröße lässt sich wiederum die absolute
Messgröße eindeutig
bestimmen.
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Die
leitfähige
Spur ist vorzugsweise überall schmäler als
die wirksame Fläche
der Spule. Somit kann eine kontinuierliche, eindeutige Messung durchgeführt werden.
Unter dem Begriff „wirksame Fläche der
Spule" wird dabei
die vom magnetischen Fluss der Spule durchsetzte Fläche verstanden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst der Sensor zwei Spulen, die in einem vorgegebenen
Abstand in Bewegungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Wenn die Spulen um einen Winkel von 90° (eine Periode der Spur entspricht
einem Winkel von 360°)
versetzt zueinander angeordnet sind, so erfährt eine der Spulen eine sinusförmige Impedanzänderung
und die andere Spule eine cosinusförmige Impedanzänderung. Durch
eine Arcustangens-Berechnung oder eine äquivalente Auswertung ist es
daher sehr einfach möglich,
aus beiden Sensorsignalen die relative Lage zu bestimmen. Eine äquivalente
Auswertung ist z.B. die Berechnung mittels eines tabellarischen
Verfahrens (look-up-table)
oder mittels eines iterativen Verfahrens (z.B. CORDIC-Algorithmus).
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Die
Spur kann z.B. durch Aufbringen einer leitfähigen Folie auf einen nicht-leitfähigen Körper oder
durch Bedampfen eines nicht-leitfähigen Körpers hergestellt werden. Alternativ
kann sie auch aus einem massiven leitfähigen Material, z.B. durch
Fräsen
oder Gießen,
hergestellt werden. In diesem Fall steht die Spur z.B. um 2-3 mm
aus dem massiven Material hervor.
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Geeignete
Materialien, aus denen die Spur hergestellt sein kann, sind insbesondere
Aluminium oder Kupfer.
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Die
Sensorspule bzw. -spulen können
z.B. aus Draht gewickelt oder auf einer Platine, einer flexiblen
Leiterplatte (z.B. als Polyimidfolie) oder einem temperaturbeständigen Substrat,
wie z.B. Keramiksubstrat (Hybridtechnik), oder als gedruckte Ausführung (Printspule)
realisiert sein.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a eine
Rückansicht
einer Wirbelstromsensoranordnung mit einem bandförmigen Geber;
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1b den
Verlauf der Spuleninduktivitäten der
beiden Sensorspulen als Funktion des Wegs;
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2 eine
Seitenansicht der Anordnung von 1;
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3 eine
Ausführungsform
eines Gebers mit nichtperiodischer Spur;
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4 ein
Geberrad mit einer periodisch kontinuierlichen Spur zur Winkelmessung;
und
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5 eine
Ausführungsform
eines Gebers mit leitenden und nicht-leitenden Bereichen.
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1 zeigt eine Wirbelstromsensoranordnung
mit einem Sensor 1 und einem Geber 4, die insbesondere
zur Wegmessung dient. Der Geber 4 umfasst eine leitfähige Spur 5,
die vom Sensor 1 abgetastet wird. (Die Spur ist leitfähig aber
vorzugsweise nichtferromagnetisch.) Sensor 1 und Geber 4 sind hierzu
relativ zueinander in Längs-
bzw. Bewegungsrichtung C des Gebers 4 bewegbar.
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Der
Geber 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Geberband
realisiert, das z.B. entlang eines zu messenden Weges angeordnet
werden kann. Der Sensor ist am beweglichen Teil der Messanordnung befestigt
und tastet die Spur 5 des Gebers 4 ab.
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Die
leitfähige
Spur 5 ist derart gestaltet, dass sich ihre wirksame Fläche, d.h.
die zur Erzeugung eines Gegenfeldes beitragende Fläche, mit
zurückgelegtem
Weg s sinusförmig ändert. Die
Spur hat eine sinusförmige
Kontur 8 und ist ferner bezüglich einer in Längsrichtung
C verlaufenden Mittelachse symmetrisch gebildet. Dadurch wird die
Messanordnung gegen einen seitlichen Offset des Sensors 1 bezüglich der
Mitte der Spur 5 relativ unempfindlich. Die Sensoranordnung 1,4 arbeitet
im wesentlichen nach folgendem Prinzip:
Der Sensor 1 umfasst
zwei Spulen 2,3, die jeweils von einem transienten
oder wechselförmigen HF-Strom
durchflossen werden, dessen Frequenz z.B. in einem Bereich zwischen
500kHz und l0MHz liegt. Dadurch wird in der näheren Umgebung der Spulen 2,3 ein
ebenso hochfrequentes magnetisches Feld erzeugt, das wiederum in
der leitfähigen
Spur 5 des Gebers 4 Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme erzeugen
ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spulen entgegengesetztes
Magnetfeld.
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Je
nach Größe der den
Spulen 2,3 gegenüberliegenden leitfähigen Fläche sind
die induzierten Wirbelströme
unterschiedlich groß.
Somit ist auch das Gegenfeld unterschiedlich stark. Dabei gilt grundsätzlich der
Zusammenhang, dass das Gegenfeld bei kleiner wirksamer Fläche klein
und bei großer wirksamer
Fläche
der Spur 5 groß ist.
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Durch
das entgegengesetzte Magnetfeld verändern sich die Ersatzinduktivitäten bzw.
komplexen Impedanzen der Spulen 2,3 bezüglich ihrer
Anschlussklemmen. Steht einer Spule 2,3 z.B. ein
Knoten 6 (kleine Fläche)
gegenüber,
so hat diese Spule 2,3 eine große Ersatzinduktivität und somit
eine betragsmäßig große komplexe
Impedanz. Steht der Spule hingegen ein Bauch 7 (große Fläche) gegenüber, so
weist diese Spule 2,3 eine kleine Ersatzinduktivität und somit
eine betragsmäßig kleine
komplexe Impedanz auf. Die Induktivitätsänderung kann durch eine Auswerteeinheit 9 (siehe 2 )
erfasst werden, die beispielsweise die Resonanzfrequenz eines LC-Schwingkreises,
bestehend aus jeweils einer Spule 2,3 und einer
(parasitären)
Kapazität
ermittelt und daraus die Messgröße (Weg
oder Winkel) bestimmt.
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1b zeigt
den Verlauf der Ersatzinduktivitäten
der Spulen 2,3 bei Abtastung einer vollen Periode
(zwischen s0 und s1) der leitfähigen
Spur 5. Dabei bezeichnet A den Verlauf der Ersatzinduktivität bzw. komplexen
Impedanz der ersten Spule 2 und B den entsprechenden Verlauf
der zweiten Spule 3.
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Da
die zweite Spule 3 in einem Abstand von 90° (eine Periode
entspricht 360°)
in Längsrichtung
C der sinusähnlichen
Kontur 8 angeordnet ist, zeigt die erste Spule 2 eine
cosinusförmige
Impedanzänderung
und die zweite Spule 3 eine sinusförmige Impedanzänderung.
Die Position des Sensors 1 relativ zur Spur 5 kann
somit durch Arcustangens-Berechnung in einfacher Weise ermittelt
werden.
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Da
die Signale A,B wegen der Periodizität der Spur 5 über den
gesamten Messbereich des Gebers 4 nicht eindeutig sind,
ist es sinnvoll, zusätzliche Mittel
zur Absolutwertbestimmung vorzusehen, mit denen beispielsweise eine
Segmentnummer des gerade abgetasteten Periodensegments bestimmt
werden kann. Hierzu gibt es verschiedenste Möglichkeiten, die hinreichend
aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Es
wird angemerkt, dass bereits mit einer Spule 2 bzw. 3 eine
Position innerhalb einer (halben) Periode der Spur 5 eindeutig
bestimmt werden kann. Die zweite Spule 3 dient in diesem
Fall nur zur Vereinfachung der Messauswertung.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
einer Spule 2 bzw. 3 hat 170 Windungen und einen
Durchmesser von 16 mm. Die maximale Breite der Spur 5 beträgt beispielsweise
13 mm. Bei einem Luftspalt von 2,5 mm lässt sich dabei ein Messeffekt
von ca. 4%, bei einem Luftspalt von 2 mm von 5,5% und einem Luftspalt
von 1 mm von 9,5% erzielen.
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2 zeigt
eine Seitenansicht der Anordnung von 1a. Dabei
ist zu erkennen, dass Sensor 1 und Geber 4 in
einem Abstand d, dem sogenannten Luftspalt, voneinander angeordnet
sind. Wegen der Abhängigkeit
der Ersatzinduktivität
bzw. der komplexen Impedanz der Spulen 2,3 vom
Abstand d ist es vorteilhaft, wenn sich der Abstand d mit dem Weg
s nicht ändert.
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Der
Sensor 1 ist mit einer Auswerteeinheit 9 verbunden,
die die Signale A,B auswertet und die Messgröße s bestimmt. Die Auswerteeinheit 9 kann beispielsweise
als Elektronikschaltung oder Prozessoreinheit mit Software realisiert
sein.
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Die
leitfähige
Spur 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einer leitfähigen Folie
gebildet, die auf einem nichtleitfähigen Substrat 10,
z.B. aus Kunststoff oder Keramik, aufgebracht wurde. Die Folie selbst
kann z.B. aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Wahlweise könnte die
leitfähige
Spur 5 auch aus einem massiven Material gefertigt sein.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines Gebers 4 mit einer konisch zulaufenden Spur 5, deren
wirksame Fläche
von links nach rechts kontinuierlich abnimmt. Da die Spur 5 nicht
periodisch ist, kann die Position im gesamten Messbereich eindeutig
bestimmt werden. Bei längeren
Messstrecken ist jedoch die Empfindlichkeit wegen des geringen Gradienten
der Kontur 8 sehr gering.
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4 zeigt
eine Sensoranordnung zur zeitkontinuierlichen Winkelmessung bei
der die Spur 5 am Umfang eines Geberrades 11 angeordnet
ist. Das Geberrad 11 ist an einer Welle 12 befestigt,
die in Umfangsrichtung D rotiert. Der Sensor 1 ist in diesem Fall
stationär
angeordnet. Bei einer Verwendung dieser Anordnung zur Rotorlagebestimmung
in einer elektrischen Maschine, z.B. in einem Fahrzeug zur Bestimmung
des elektrischen Winkels des Fahrzeuggenerators ist die Anzahl der
Perioden derart gewählt,
dass sie mit der Polpaarzahl p der elektrischen Maschine übereinstimmt.
Eine Periode entspricht in diesem Fall einem elektrischen Winkel
von 360°. Durch
Auswertung der Ersatzinduktivität
bzw. Impedanzänderung
der Spulen 2,3 des Sensors 1 kann der
elektrische Winkel zu jeder Zeit genau bestimt werden.
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Die
in den Figuren gezeigten Sensoranordnungen haben außerdem den
Vorteil, dass der Weg s bzw. der Winkel sofort nach dem Einschalten
ermittelt werden kann (True Power On). Eine Initialisierung ist
nicht erforderlich. Darüber
hinaus ist das beschriebene Messprinzip völlig unempfindlich gegen statische
und in hohem Maße
unempfindlich gegen dynamische magnetische Störfelder, sowie kostengünstig in
temperaturbeständiger
Bauweise ausführbar.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
eines Gebers 4 aus leitfähigem Material, wie z.B. einem
Blechstreifen, mit einem variierendes Verhältnis an leitfähigen zu
nicht-leitfähigen
Bereichen. Die nicht-leitfähigen
Bereiche sind durch eine Vielzahl von Löchern 13 realisiert,
deren Abstand sich in Bewegungsrichtung kontinuierlich ändert. Dadurch ändert sich
die Leitfähigkeit
ortsabhängig
und damit auch die Stärke der
Wirbelströme.
Alternativ könnte
z.B. auch die Größe der Löcher variieren,
wodurch der gleiche Effekt erzielt werden kann.
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Der
Geber 4 könnte
auch aus einer photoresist beschichteten Leiterplatte hergestellt
sein, aus der unterschiedlich viele bzw. unterschiedlich große Löcher freigeätzt sind,
so dass sich die resultierende Leitfähigkeit kontinuierlich mit
dem Weg ändert.
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- 1
- Sensor
- 2
- Erste
Spule
- 3
- Zweite
Spule
- 4
- Geber
- 5
- Leitfähige Spur
- 6
- Knoten
- 7
- Bauch
- 8
- Laterale
Kontur
- 9
- Auswerteeinheit
- 10
- Trägermaterial
- 11
- Geberrad
- 12
- Welle
- A,B
- Verlauf
der komplexen Impedanzen
- C
- Längs- bzw.
Bewegungsrichtung
- D
- Rotationsrichtung