DE102005007265A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung der Position und der Geschwindigkeit eines Messobjekts - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts (5) relativ zu einem Sensor (1), wobei der Sensor (1) und das Messobjekt (5) relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, wobei der Sensor (1) eine Messspule (2) mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Spannungsabgriff(en) (4) und ein an das Messobjekt (5) angebrachtes und mit der Messspule (2) elektromagnetisch gekoppeltes Target (7) aufweist und wobei dem Sensor ein elektronisches Bauteil (6) zum Addieren der an dem Sensor (1) abgegriffenen Spannungen zugeordnet ist, sind im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau des Sensors dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Messung von Position und Geschwindigkeit das Target (7) zwei Teile (8, 10) ausweist, wobei ein Teil (8) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut ist und der andere Teil als ein Magnet (10) ausgeführt ist und dass durch eine Auswerteschaltung (11) aus dem Ausgangssignal des elektronischen Bauteils (6) zum Addieren der abgegriffenen Spannungen eine der Position des Targets proportionale Spannungskomponente Up und eine der Geschwindigkeit des Targets proportionale Spannungskomponente Uv bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts relativ zu einem Sensor, wobei der Sensor und das Messobjekt relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, wobei der Sensor eine Messspule mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Spannungsabgriff/-en und ein an das Messobjekt angebrachtes und mit der Messspule elektromagnetisch gekoppeltes Target aufweist und wobei dem Sensor ein elektronisches Bauteil zum Addieren der an dem Sensor abgegriffenen Spannungen zugeordnet ist.
  • Messvorrichtungen der genannten Art werden beispielsweise zur Kolbenpositionsbestimmung an pneumatischen und hydraulischen Zylindern wie auch zur Messung von Ventilstellungen insbesondere in geschlossenen Regelkreisen benötigt. Für derartige Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Position des Messobjekts und dessen Bewegungsgeschwindigkeit relativ zum Sensor gleichzeitig und absolut gemessen werden können.
  • Messvorrichtungen zur Bestimmung der Position eines Ventils sind seit langem bekannt. So zeigt beispielsweise die Druckschrift DE 198 56 528 A1 ein Ventilhubsensor zur Stellungserfassung von Aus- und Einlassventilen, der zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Statorkörper mit kreisrunden Ausnehmungen für einen Sensorstößel aufweist. Zwischen den Statorkörpern und im Abstand dazu ist ein Hallsensor angeordnet. Der zylinderförmig ausgebildete Sensorstößel ist mit einem Permanentmagnet versehen, der gegenüber dem Hallsensor verschoben wird. Vorteilhaft für diese Ausführung ist die kleine Abmessung des Hallsensors. Jedoch kann mit diesem Sensor lediglich die Position des Ventils ermittelt werden.
  • Bei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Wegsensoren (zum Beispiel aus den Druckschriften DE 25 11 683 C3 oder DE 39 13 861 A1 ) sind eine Sekundärspule auf einen langgestreckten weichmagnetischen Sensorkern und an dessen Enden zwei Primärspulen gewickelt. Als Messobjekt dient ein Magnet, der sich längs des Sensorkerns bewegt. Durch Strombeaufschlagung der Primärspule wird in der Sekundärspule in Abhängigkeit von der Position des Magnets, der den weichmagnetischen Sensorkern in seiner unmittelbaren Nähe in Sättigung bringt, eine Spannung induziert. Nachteilig ist hierbei die große Dimensionierung des Sensors. Dazu kann auch hier lediglich die Position bestimmt werden.
  • Weiterhin ist aus der DE 42 25 968 A1 ein Wirbelstromsensor bekannt, bei dem eine Messspule mit mehreren Spannungsabgriften vorgesehen ist. Durch einen die Messspule umgreifenden Ring aus elektrisch leitendem Material wird in Abhängigkeit von der Position des Rings die Teilimpedanz der Messspule zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen beeinflusst. Mit Hilfe einer Auswerteschaltung kann damit die relative Position des Rings bezüglich der Spannungsabgriffe bestimmt werden. Allerdings ergibt sich auch hierbei lediglich die Position auf direktem Weg.
  • In der Druckschrift DE 197 35 375 C1 ist ein Magnetventil, insbesondere für Ein- und Auslassventile von Brennkraftmaschinen beschrieben. Zur Regelung der Bestromung des Magnetantriebs wird die Stellung des Ventilankers durch ein Piezoelement erfasst, das die Kraft der Ventilfeder misst. Daraus lässt sich die jeweilige Position des Ankers und so der Hubverlauf und damit die Geschwindigkeit des Ankers bestimmen. Als nachteilig erweist sich hierbei der stark eingeschränkte Aufbau des Sensors und die Bestimmung der Geschwindigkeit aus dem zeitlichen Verlauf der Position.
  • Die aus der Praxis bekannte Bestimmung der Geschwindigkeit aus dem Wegsignal durch Differenzierung des Signals hat den entscheidenden Nachteil, dass generell in differenzierenden Systemen Störungen, insbesondere Rauschen, sehr großen Einfluss auf das Ausgangssignal haben. Damit steigen die Anforderungen an die Qualität des Wegsignals sehr stark an, insbesondere in Bezug auf Linearität und dem Signal-Rausch-Verhältnis, was den Einsatz von teuren rauscharmen Sensoren erforderlich macht.
  • Prinzipiell könnten auch zwei Sensoren eingesetzt werden, von denen der eine den zeitlichen Verlauf der Position und der andere den der Geschwindigkeit des Messobjekts erfasst. Dabei steigen jedoch bedingt durch die Sensoren und die jeweils notwendigen Auswerteelektroniken der Platzbedarf und die Kosten des Sensorsystems erheblich an. Zudem hat eine zusätzlich notwendige Synchronisierung der beiden Sensoren negative Auswirkungen.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Erfassung von Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts anzugeben, bei dem sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit mit nur einem Sensor gleichzeitig und ohne nachfolgende Differenzierung des Wegsignals möglichst kostengünstig, langzeitstabil und bei möglichst kleinen Abmessungen der Vorrichtung gemessen werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Messung der Position und Geschwindigkeit das Target zwei Teile aufweist, wobei ein Teil aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut ist und der andere Teil als ein Magnet ausgeführt ist.
  • Hinsichtlich eines Verfahrens wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 32 gelöst. Hiernach ist ein Verfahren zur Erfassung der Position und der Geschwindigkeit eines Messobjekts dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Messung der Position und Geschwindigkeit durch eine Auswerteschaltung aus dem Ausgangssignal des elektronischen Bauteils zum Addieren der abgegriffenen Spannungen eine der Position des Targets proportionale und eine der Geschwindigkeit des Targets proportionale Spannungskomponente bestimmt wird.
  • Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position und der Geschwindigkeit eines Messobjekts besonders effektiv und Platz sparend aufgebaut werden kann, wenn mit einem Sensor sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit gleichzeitig gemessen wird. Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass durch spezielle Ausgestaltung des Targets eines Wirbelstromsensors ein Signal erzeugbar ist, das sowohl einen positionsabhängigen als auch einen geschwindigkeitsabhängigen Anteil enthält und dass diese Komponenten mittels einer einfachen Auswerteschaltung aus dem Sensorsignal gewonnen werden können.
  • An das Messobjekt ist ein mit der Messspule elektromagnetisch gekoppeltes Target (= Geber) angebracht, welches erfindungsgemäß aus zwei Teilen ausgebildet ist, wobei der eine aus einem elektrisch leitenden Material und der andere aus einem Magneten besteht. Bei dieser Vorrichtung wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass die Relativbewegung zwischen dem Magneten und der Messspule eine Induktionsspannung Uv zur Folge hat, die als Maß für die Bewegungsgeschwindigkeit verwendet wird. Gleichzeitig wird ein Spannungssignal Up infolge der Impedanz änderung der Messspule, welche durch den elektrisch leitenden Teil des Targets hervorgerufen wird, als Maß für die Targetposition genutzt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung überschreitet die Länge des gesamten Targets, den Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen der Messspule nicht und ist vorzugsweise ungefähr gleich diesem Abstand. Dadurch werden ein optimales Verhältnis von Messbereich zur Länge der Messspule und eine maximale Linearität der Ausgangssignale erreicht.
  • Vorzugsweise wird die Messspule mit hochfrequenter Wechselspannung (ca. 20 kHz bis 500 kHz) beaufschlagt, wobei die genaue Frequenzwahl von der benötigten Bewegungsfrequenz des Messobjekts abhängt. Auf Grund der einfachen Ausführung des Oszillators mit stabiler Frequenz und Amplitude ist eine symmetrische Speisung der Messspule mit zwei komplementären Wechselspannungen, vorzugsweise bipolare Rechteckspannungen, sehr vorteilhaft. Die an der Messspule abgegriffenen Spannungen werden mit Hilfe eines summierenden Bauteils aufaddiert. Dessen Ausgangssignal stellt eine additive Überlagerung der Spannungen Uv und Up dar.
  • Die Auswertung des Ausgangssignals wird vorzugsweise durch eine Auswerteschaltung durchgeführt, die als analoge oder vorzugsweise digitale Schaltung aufgebaut ist. Eine digitale Auswerteschaltung besteht im Wesentlichen aus einem Analog-/Digital-Wandler und einem Mikrocontroller. Mit diesem Mikrocontroller kann in besonders vorteilhafter Weise die Wechselspannung zur Speisung der Messspule erzeugt werden.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Targets ist das Target aus einem nicht ferromagnetischen Material wie z.B. Aluminium oder Kupferlegierungen ausgebildet und besitzt eine Wandstärke, die größer ist als die Eindringtiefe des Wirbelstroms bei der entsprechend gewählten Frequenz. Damit wird erreicht, dass der Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit des Magneten auf die Spannung Up möglichst gering ist.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Magnet ein Permanentmagnet aufweist, im Wesentlichen stab- oder ringförmig ausgebildet und vorzugsweise in Längsrichtung magnetisiert ist. Dabei sollten sowohl die magnetische Permeabilität μm des Magneten (μm < 3) als auch das Verhältnis von Durchmesser des Magneten zur Messspulenlänge (< 10) möglichst klein und der Innendurchmesser der Messspule nicht viel größer als der Durchmesser des Stabmagneten sein. Damit werden eine maximale Empfindlichkeit und eine hohe Stabilität des Signals Uv entlang der Messpule erreicht.
  • Hinsichtlich der Anordnung des Targets und der Messspule sind unterschiedliche vorteilhafte Ausführungsformen denkbar. Bei einer ersten Ausführung bewegt sich das Target innerhalb und entlang der Messpule, wobei der ringförmig aufgebaute elektrisch leitende Teil des Targets einen stabförmigen Magneten umgreift. In einer anderen Anordnung umgreift das Target die Messspule, wobei der Permanentmagnet ebenfalls ringförmig ausgelegt ist und seinerseits das elektrisch leitende Material umgreift. Eine weitere Möglichkeit bietet ein elektrisch leitender Kern innerhalb der Messspule, so dass das Positionssignal Up direkt von diesem Kern und das Geschwindigkeitssignal Uv von der Mitte der Messspule abgegriffen werden können.
  • Zum Betreiben dieser Vorrichtungen wird vorzugsweise das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt. Dabei wird die Messspule mit zwei Wechselspannungen U1 und U2 beaufschlagt, die vorzugsweise komplementär zueinander sind. Hinsichtlich einer besonders einfachen Auswertung der Sensorsignale sind die verwendeten Wechselspannungen (vorzugsweise bipolare) Rechteckspannungen. Innerhalb einer Periode des Ausgangssignals des elektronischen Bauteils zum Addieren der abgegriffenen Spannungen wird zu zwei vorgegebenen Zeitpunkten t1 und t2 das Ausgangssignal abgetastet. Die Zeitpunkte t1 und t2 sind so gewählt, dass sich das Ausgangssignal bei dem einen Abtastzeitpunkt in der oberen Halbwelle (H) und bei dem anderen Abtastzeitpunkt in der unteren Halbwelle (L) befindet und in beiden Fällen eventuelle Einschwingvorgänge abgeschlossen sind. Die Differenz zwischen den Abtastwerten [H – L] ist ein Maß für die Position des Targets. Mit dem Ausdruck [0,5 × (H + L) – Uref] ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Targets gegeben. Zur Erhöhung der Auflösung und Genauigkeit werden die Abtastungen des Ausgangssignals und deren Auswertungen vorzugsweise periodisch wiederholt und über die jeweiligen Messergebnisse gemittelt.
  • Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die weitgehende Kompensation der durch Alterung oder Temperatureinflüsse langzeitigen Offsetdrift durch die durchgeführte Differenzbildung.
  • Vorstehende Ausführungen zu einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Erfassung von Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts bezüglich eines Sensors sind nicht auf die bisher beschriebenen translatorischen Systeme beschränkt, sondern gelten in rotatorischen Systemen in analoger Weise. Dort ermöglichen Sie die gleichzeitige Messung der Winkelposition und der Drehgeschwindigkeit.
    •
  • Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterbilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 32 nachgeordneten Ansprüche andererseits auf die nachfolgende Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen. In der weiteren Beschreibung werden anhand der zeichnerischen Darstellungen verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele, sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
  • 1 die schematische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Blockschaltbildes,
  • 2 eine weitere Ausführungsform für eine solche Vorrichtung mit einem Target, das die Messspule umgreift,
  • 3 eine dritte Ausführungsform, bei der das Positionssignal direkt am Kern abgenommen wird,
  • 4 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung von Winkel- und Drehgeschwindigkeit und
  • 5 der typische Verlauf des Sensorausgangssignals.
  • Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) ist ein Sensor 1 vorgesehen, der eine auf einen Spulenkörper 3 gewickelte Messspule 2 mit mehreren Abgriffen 4 aufweist. Im Innern des Spulenkörpers 3 bewegt sich ein Messobjekt 5 zusammen mit einem elektromagnetisch mit der Messspule 2 gekoppeltem Target 7 entlang der Längsachse der Messspule 2. Das Target 7 setzt sich aus zwei Teilen zusammen, wobei der erste, der Spule zugewandte Teil als Ring 9 aus einem elektrisch leitendem Material hergestellt ist und den zweiten Teil, einen Permanentmagneten 10, umgreift. Dabei überschreitet die Länge des Targets 7 den Abstand zwischen zwei benachbarten Abgriffen 4 nicht. Dadurch werden gleichzeitig die maximale Linearität und das optimale Verhältnis von Messbereich zur Länge der Messspule 2 erreicht. Weiterhin ist der Ring 9 aus Aluminium oder einer Kupferlegierung hergestellt, wobei seine Wandstärke größer als die Eindringtiefe des Wirbelstroms ist. Der Permanentmagnet 10 ist als Stabmagnet ausgelegt und in Längsrichtung (= Bewegungsrichtung) magnetisiert.
  • Die Messspule 2 wird über die Treiber 15 (Operationsverstärker OP16 und OP17) mit zwei komplementären bipolaren Rechteckspannungen U1 und U2 gespeist, welche von einem Oszillator 14 erzeugt werden und deren Frequenz in Abhängigkeit von der Bewegungsfrequenz des Targets vorzugsweise im Bereich von 20 kHz bis 500 kHz liegt.
  • Die an den Abgriffen 4 anliegenden Wechselspannungen werden mit Hilfe eines Operationsverstärkers OP6 und eines Widerstandsnetzwerks R0, R1,..., Rn aufaddiert. Bei einer Bewegung des Targets 7 relativ zur Messspule 2 stellt sich am Ausgang des OP6 eine Wechselspannung ein, die als Summe einer transformatorischen und einer generatorischen Spannung angesehen werden kann. Dabei ist die transformatorische Komponente proportional zur Position und die generatorische Komponente proportional zur Geschwindigkeit des Targets 7.
  • Für die Auswertung der beiden Signalkomponenten ist eine Auswerteschaltung 11 vorgesehen, deren Eingang mit dem Ausgang des summierenden Verstärkers 6 verbunden ist. Diese Auswerteschaltung 11 besteht aus einem A/D-Wandler 12 und einem Mikrocontroller 13, der den A/D-Wandler steuert und gleichzeitig zur Erzeugung der Wechselspannungen U1 und U2 genutzt werden kann.
  • Die in 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von dem zuvor erörterten Ausführungsbeispiel dadurch, dass sich das Messobjekt mit dem Target 7 außerhalb der Messspule 2 bewegt. Auch hier besteht das Target 7 aus zwei Teilen, wobei der Permanentmagnet 10 als Ringmagnet ausgebildet ist und den elektrisch leitfähigen Ring 9 umgreift. Die Messspule 2 mit ihren Abgriffen 4 ist auf einen Spulenkörper 3 aus weichmagnetischem Material gewickelt und wird mit zwei komplementären bipolaren Rechteckspannungen U1 und U2 gespeist, die analog zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wiederum direkt von der Auswerteschaltung 11 erzeugt werden können.
  • Das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 abgebildet. Die in diesem Fall einlagige Messspule 2 ist auf einen Spulenkörper 3 gewickelt. Von diesem Spulenkörper 3 wird direkt ein Signal abgegriffen und mit dem OP6 verstärkt. Gleichzeitig liegt am invertierenden Eingang des OP6 die Ausgangsspannung eines Integrators 18 an, wobei der Eingang des Integrators mit dem Mittelabgriff „0" der Messspule 2 verbunden ist.
  • Bei dieser Ausführungsform gibt es zwei Varianten bei der Signalauswertung. Bei der ersten wird die Zeitkonstante des Integrators 18 so gewählt, dass die hochfrequente Komponente des Signals am Abgriff 4 herausgefiltert wird und so am Ausgang des Integrators 18 das Geschwindigkeitssignal anliegt. Gleichzeitig wird am Ausgang des OP6 ein Signal proportional zur Position des Targets 7 erzeugt. Bei der zweiten Variante wird die Spannung am Ausgang des Integrators 18 mit der Wechselspannung, die am Spulenkörper 3 abgegriffen wird, aufaddiert und die weitere Auswertung in einer separaten Auswerteschaltung 11 durchgeführt, wie sie bereits zu den zuvor erörterten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde.
  • In 4 wird eine Vorrichtung zur Messung von Drehbewegungen vorgestellt. Eine einlagige Messspule 2 ist auf einen ringförmigen Spulenkörper 3 aus weichmagnetischem Material gewickelt und weist n Abgriffe mit den Widerständen R1,..., Rn auf, die direkt mit der Messspule integriert werden können. Das ebenfalls zweiteilig aufgebaute Target 7 umgreift die Messpule 2. Die Messspule 2 wird wiederum mit zwei komplementären bipolaren Rechteckspannungen U1 und U2 gespeist. Am Ausgang des OP6 wird auch hier eine Wechselspannung mit zwei Komponenten erzeugt, die sowohl Informationen über den Drehwinkel als auch über die Drehgeschwindigkeit enthält. Die Auswertung des Sensorsignals erfolgt wieder mit der zuvor beschriebenen Auswerteschaltung 11.
  • Im Folgenden wird mit Hilfe von 5 zu den verschiedenen zuvor erörterten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Verfahren zur gleichzeitigen Erfassung von Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts 5 relativ zum Sensor 1 vorgestellt. Die Messspule 2 wird dazu mit zwei komplementären Rechteckspannungen U1 und U2 gespeist, wie sie aus 5a hervorgehen. Uref ist dabei eine stabile Konstantspannung, um deren Betrag die beiden Spannungen U1 und U2 zu positiven Spannungen hin verschoben ist. Der Betrag dabei ist so gewählt, dass er etwa die Hälfte der Versorgungsspannung Un der Operationsverstärker (OP6, OP16 und OP17) annimmt. Liegt Un beispielsweise bei +5 V, so wird Uref zu +2,5 V gewählt.
  • 5b zeigt einen typischen Signalverlauf am Ausgang des OP6. Dieses Signal stellt eine Überlagerung der Spannungen Up proportional der Position, Uv proportional der Geschwindigkeit und Uref dar. Innerhalb einer Periode der Ausgangsspannung des summierenden Verstärkers 6 wird zu den Abtastzeitpunkten t1 und t2 das Ausgangssignal abgetastet, wobei die Abtastzeitpunkte t1 und t2 so gewählt sind, dass einmal während der oberen Halbwelle H und einmal während der unteren Halbwelle L des Ausgangssignals abgetastet wird. Zu beiden Abtastzeitpunkten sind eventuelle Einschwingvorgänge bereits abgeklungen. Die Differenz [H – L] ist dann ein Maß für die Position des Targets und der Ausdruck [0,5 × (H + L) – Uref] ein Maß für dessen Geschwindigkeit.
  • Die Berechnungen können mit Hilfe eines Mikrocontrollers 13 durchgeführt werden, welcher auch die Abtastzeitpunkte t1 und t2 bestimmt, den A/D-Wandler 12 steuert und unter Umständen die Rechteckspannungen U1 und U2 erzeugt.
  • Zur Steigerung von Auflösung und Genauigkeit wird die Abtastung und Auswertung des Ausgangssignals periodisch wiederholt und über eine vorgegebene Anzahl von Ergebnissen gemittelt.
  • Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung der Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts relativ zum Sensor wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
  • Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele die beanspruchte Lehre lediglich erläutern, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims (38)

  1. Vorrichtung zur Erfassung von Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts (5) relativ zu einem Sensor (1 ), wobei der Sensor (1) und das Messobjekt (5) relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, wobei der Sensor (1) eine Messspule (2) mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Spannungsabgriff/-en (4) und ein an das Messobjekt (5) angebrachtes und mit der Messspule (2) elektromagnetisch gekoppeltes Target (7) aufweist und wobei dem Sensor ein elektronisches Bauteil (6) zum Addieren der an dem Sensor (1) abgegriffenen Spannungen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Messung der Position und Geschwindigkeit das Target (7) zwei Teile (8, 10) ausweist, wobei ein Teil (8) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebaut ist und der andere Teil als ein Magnet (10) ausgeführt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) einlagig aufgebaut ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) mehrlagig aufgebaut ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Spannungsabgriffen (4) der Messspule (2) die Spannungsabgriffe (4) im Wesentlichen gleichen Abstand zueinander aufweisen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Targets (7) den Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen (4) der Messspule (2) nicht überschreitet.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Targets (7) ungefähr gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen (4) ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (7) im Innern der Messspule (2) verschiebbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (7) außerhalb der Messspule (2) verschiebbar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (7) die Messspule (2) umgreift.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil (8) des Targets (7) aus einem nicht ferromagnetischen Material besteht.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil (8) des Targets (7) aus Aluminium oder Kupferlegierungen hergestellt ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des einen Teils (8) des Targets (7) größer als die Eindringtiefe des Wirbelstroms ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil (8) des Targets (7) als Ring (9) ausgeführt ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) als Permanentmagnet ausgeführt ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) als Stabmagnet ausgestaltet ist.
  16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) in Längsrichtung magnetisiert ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) als Ringmagnet ausgestaltet ist.
  18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) in Längsrichtung magnetisiert ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (9) den Magneten (10) umgreift.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (9) von dem Magneten (10) umgriffen wird.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) mit zwei Wechselspannungen (U1, U2) gespeist wird.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wechselspannungen (U1, U2) komplementär zueinander sind.
  23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den beiden Wechselspannungen (U1, U2) um Rechteckspannungen handelt.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechteckspannungen bipolar sind.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wechselspannungen (U1, U2) hochfrequent sind.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektronische Bauteil (6) zum Addieren der am Sensor abgegriffenen Spannungen die Spannungen an den Spannungsabgriffen (4) der Messspule (2) zugeführt werden.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (6) zum Addieren der abgegriffenen Spannungen einen summierenden Operationsverstärker aufweist.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des elektronischen Bauteils (6) zum Addieren der abgegriffenen Spannungen eine Auswerteschaltung (11) zur Auswertung des Messsignals vorgesehen ist.
  29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsabgriff (4) in der Mitte („0") der Messspule (2) mit einem Integrator (18) verbunden ist.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante des Integrators (18) so gewählt ist, dass die hochfrequenten Komponenten des am Spannungsabgriff (4) entnommenen Signals herausgefiltert werden und am Ausgang des Integrators eine der Geschwindigkeit proportionale Spannung anliegt.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Integrators (18) zusammen mit einem Spannungsabgriff am Spulenkörper (3) dem elektronischen Bauteil (6) zum Addieren der an dem Sensor (1) abgegriffenen Spannungen zugeführt wird.
  32. Verfahren zur Erfassung von Position und Geschwindigkeit eines Messobjekts (5) relativ zu einem Sensor (1 ), wobei der Sensor (1) und das Messobjekt (5) relativ zueinander verschiebbar angeordnet sind, wobei der Sensor (1) eine Messspule (2) mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Spannungsabgriff/-en (4) und ein an das Messobjekt (5) angebrachtes und mit der Messspule (2) elektromagnetisch gekoppeltes Target (7) aufweist und wobei dem Sensor ein elektronisches Bauteil (6) zum Addieren der an dem Sensor (1) abgegriffenen Spannungen zugeordnet ist, vorzugsweise unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswerteschaltung (11) aus dem Ausgangssignal des elektronischen Bauteils (6) zum Addieren der am Sensor (1) abgegriffenen Spannungen eine der Position des Targets proportionale Spannungskomponente Up und eine der Geschwindigkeit des Targets proportionale Spannungskomponente Uv bestimmt wird.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) mit zwei komplementären bipolaren Rechteckspannungen (U1, U2) beaufschlagt wird.
  34. Verfahren nach Anspruch 32 und 33, dadurch gekennzeichnet, dass zu zwei vorgegebenen Abtastzeitpunkten (t1, t2) das Ausgangssignal des elektronischen Bauteils (6) abgetastet wird, wobei ein Abtastzeitpunkt im Bereich der oberen Halbwelle des Ausgangssignals und der andere Abtastzeitpunkt im Bereich der unteren Halbwelle des Ausgangssignals liegt.
  35. Verfahren nach den Ansprüchen 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz [H – L] des während der oberen Halbwelle abgetasteten Signalwertes (H) und des während der unteren Halbwelle abgetasteten Signalwertes (L) auf die Position des Targets bzw. des Messobjekts geschlossen wird.
  36. Verfahren nach den Ansprüchen 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Formel [0.5 × (H + L) – Uref] die Geschwindigkeit des Targets bzw. des Messobjekts bestimmt wird, wobei Uref eine stabile Gleichspannung als Referenzspannung für das elektronische Bauteil (6) zum Addieren der abgegriffenen Spannungen ist.
  37. Verfahren nach den Ansprüchen 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung des Ausgangssignals des elektronischen Bauteils (6) und die Auswertung der abgetasteten Signalwerte (H, L) periodisch wiederholt werden.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass über mehrere Messwerte für Position und/oder Geschwindigkeit gemittelt wird.
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