DE102006031139A1

DE102006031139A1 - Vorrichtung zum berührungslosen Messen der absoluten linearen Position mit planaren Spulen

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Publication number: DE102006031139A1
Application number: DE200610031139
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schubach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2006-07-03
Publication date: 2008-01-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen und verschleißfreien Messen der absoluten linearen Position mit planaren Spulen von Geräte-, Maschinen- oder Betätigungselementen im Bereich von 10 mm bis 200 mm, wobei dieses Element selbst die Funktion des Läufers darstellen kann. An zwei in einer Ebene differentiell angeordneten planaren Dreieckspulen werden die Verluste des elektromagnetischen Feldes gemessen, die durch Wirbelströme im Läufer entstehen. Diese Verluste sind proportional zu der vom Läufer überdeckten Fläche der Dreieckspulen und damit proportional zur absoluten Position. In einer zweiten Ebene wird ein zweites Spulenpaar angeordnet, womit Änderungen des Abstands des Läufers ausgeglichen werden. Sie ist anwendbar für den Ersatz von Potentiometern, aber auch als Positionssensor in Getrieben, Logistikanlagen, Autositzen, als Füllstandsensor in Behältern, kurz überall woe die lineare Position von Interesse ist. Sie ist besonders geeignet für den Einsatz bei hoher Temperatur und starker Verschmutzung. Ein Zusatznutzen ist, dass der Läufer orthogonal zu der Messrichtung beliebig bewegt werden kann, ohne den Messwert zu verändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen und verschleißfreien Messen mit planeren Spulen der absoluten linearen Position von Geräte-, Maschinen- oder Betätigunselementen, wobei dieses Element selbst die Funktion des Läufers darstellen kann. Sie ist besonders geeignet für den Einsatz bei hoher Temperatur und starker Verschmutzung.
Sie ist anwendbar als Ersatz von Potentiometern, aber auch als Positionssensor in Getrieben, Logistikanlagen, Autositzen, als Füllstandsensor in Behältern, kurz überall wo die lineare Position von Interesse ist.
In bekannten Geräten zum berührungslosen Messen der absoluten linearen Position werden Differentialspulen mit proportionalem Übersetzungsverhältnis von der Spule des Läufers angeregt, der magnetische Fluss mit Magneten im Läufer proportional bedampft oder über den Effekt der Magnetostriktion in eine Schallwelle gewandelt, deren positionsabhängige Laufzeit gemessen werden kann.
Der offensichtliche Nachteil der meisten Lösungen besteht darin, dass erhebliche Teile der Messvorrichtung sowohl auf der Seite des Stators, als auch auf der des Läufers vorgesehen werden müssen, und dass die mit diesen Systemen der Messtechnik verbundenen Kosten den Einbau in der Großserie offensichtlich nur bedingt zulassen.
Einfache Lösungen, wie der Magnet am Läufer, sind kostengünstig. Der offensichtliche Nachteil dieses Ansatzes besteht nun darin, dass Magnete nur bis zur so genannten Curie-Temperatur stabil sind, gegen harte Schläge sehr empfindlich sind und die Anlagerung von ferromagnetischem Abrieb die Funktion an sich in Frage stellt.
Ein weiterer Ansatz zur Lösung dieser Problematik zielt nun darauf, mit einer planaren Spule im Läufer ein magnetisches Wechselfeld aufzubauen und dessen proportionale Verteilung auf zwei Empfängerspulen am Stator zu messen. Der offensichtliche Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass am Läufer zusätzlich diese Spule erforderlich ist und zudem flexibel elektrisch leitend mit der Auswerte-Elektronik verbunden werden muss. Damit sind die Verwendungsmöglichkeiten eingeschränkt und zudem die Kosten höher.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung vorteilhaft auszubilden, mit welcher die absolute lineare Position zwischen Läufer und Stator induktiv und berührungslos bestimmt wird und die Genauigkeit der Messung etwa 0,2% erreicht.
Zwei längliche, symmetrische, dreieckige Spulen werden auf dem Stator nebeneinander gegenläufig in einer Ebene angeordnet und mit einem Strom bekannter Größe durch jede ein gemeinsames elektromagnetisches Feld erzeugt. Die Längsachse des durch die 2 Dreiecke beschriebenen Vierecks ist die Messrichtung.
Im Moment des Abschaltens des Stroms wird die Energie des elektromagnetischen Feldes für jede Spule in einen negativen Spannungspuls umgesetzt und bewirkt über je eine Diode den Ladungsfluss aus je einem Kondensator, bis das Feld abgebaut ist. In der Folge können an den Kondensatoren diese zum Energieinhalt proportionalen, negativen Spannungen gemessen werden. Gleichzeitig wird beim Abbau des elektromagnetischen Feldes in dem elektrisch leitfähigen Läufer ein Wirbelstrom induziert und so seine Energie vermindert, was an den Kondensatoren als geringerer Spannungshub messbar wird.
Weil der Energieverlust durch Wirbelstrom proportional zu der überdeckten Fläche der dreieckigen Spulen und deren Abstand zum Läufer ist, kann mit einem zweiten Paar solcher Spulen in einer zweiten, koplanaren Ebene daraus direkt differentiell die absolute lineare Position bestimmt und eine Änderung des Abstandes im Arbeitsbereich kompensiert werden.
Zudem ist es vorteilhaft, dass der Läufer orthogonal zu der Messrichtung beliebig bewegt werden kann, ohne den Messwert zu verändern, sofern er länger als diese Strecke ist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Teilen durch den Patentanspruch (1) gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gerätes ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Anordnung zweier dreieckiger planarer Spulenpaare mit gleicher Fläche und Form jeweils auf der Ober- und Unterseite eines Trägers hat im Vergleich zu bislang bekannten Lösungen den Vorteil, dass der Läufer lediglich aus einer ebenen Fläche eines elektrisch leitfähigen Materials besteht, oder eine dünne elektrisch leitfähige Schicht aufweist, und so Teil der mechanischen Applikation sein kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Läufer orthogonal zur Messrichtung bewegt werden kann, ohne die Messung zu beeinflussen, soweit seine Länge dies erlaubt, bzw. erfordert.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren.
Dabei zeigt
1 den planaren Träger mit zwei gegeneinander angeordneten, dreieckigen Spulen, die Messrichtung X, den Nullpunkt 0, den Läufer, die elektrisch leitenden Verbindungen des Spulensystems und deckungsgleich mit der Oberseite, ein weiteres Spulenpaar auf der Unterseite;
2 die beiden Ebenen der Spulen, den Träger, Läufer und Spulensystem im Querschnitt, sowie eine mechanische Schutzschicht auf den Spulen, eine ferromagnetische Abschirmung auf der Unterseite und die Befestigung des Läufers an der mechanischen Applikation;
3 zeigt als Ausschnitt die Spitzen zweier Spulen auf Ober- und Unterseite und die Verwendung von Kontaktbrücken, um den jeweils innersten Leiter für den Anschluss nach außen zu führen;
4 zeigt einen exemplarischen Stromlaufplan zum Erfassen des Abschaltimpulses mit Stromschalter, elektrisch leitender Verbindung, planarer Spule, Läufer, Diode, Kondensator, invertierenden Operationsverstärker zur Pegelanpassung der negativen Signalspannung am Kondensator, drei zum Stromlaufplan gleichen Anordnungen und Logikschaltkreis oder Mikrocontroller mit Analog/Digitalwandler zur Auswertung;
5 zeigt einen weiteren exemplarischen Stromlaufplan zur Erfassung des Einschaltimpulses mit Stromschalter, elektrisch leitender Verbindung, planarer Spule, Läufer, Diode, Kondensator, drei zum Stromlaufplan gleichen Anordnungen und Logikschaltkreis oder Mikrocontroller mit Analog/Digitalwandler zur Auswertung in der Beschattung mit positiver Signalspannung am Kondensator;
6 zeigt einen weiteren exemplarischen Stromlaufplan zur Erfassung des Abschaltimpulses mit Stromschalter, elektrisch leitender Verbindung, planarer Spule, Läufer, Diode, Kondensator, drei zum Stromlaufplan gleichen Anordnungen und Logikschaltkreis oder Mikrocontroller mit Analog/Digitalwandler zur Auswertung in der Beschattung mit positiver Signalspannung am Kondensator;
7 zeigt einen Längsschnitt durch Träger und Spulensystem und Läufer, mit Messrichtung X und um 90° abgeknickten Enden der Spule, mit Gehäuse und teilweiser, ferromagnetischer Abschirmung nach innen und außen.
8 zeigt einen Zylinder als Träger des Spulensystems, den Läufer Kreisförmig darum gebogen und die Messrichtung X.
9 zeigt einen weiteren Zylinder als Träger des Spulensystem und den Läufer als Kolben im Inneren sowie die Messrichtung X.
In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung dargestellt. Zwei Spulen (3.1, 3.1) sind in einer Ebene E1 auf der Oberfläche des Trägermaterials (1) als Dreiecke gegensinnig angeordnet. Sie bestehen aus einigen Windungen elektrisch leitfähigen Materials, etwa einer Kupferleiterbahn auf FR4, haben möglichst gleiche Fläche und nehmen gemeinsam die Form eines Rechtecks ein. Mit den Koordinaten X und Y der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist X die Messrichtung und Y orthogonal dazu. Dabei bezeichnet l die Länge, m den Messbereich und b die größte Breite der Spulen. Deckungleich unter den beiden Spulen der Oberfläche sind auf der Unterseite E2 zwei weitere dreieckige Spulen (3.3, 3.4) angebracht, die zusammen das Spulensystem bilden und über bis zu acht elektrische Verbindungen 4.xx angeschlossen werden. Der Läufer (2) weißt eine plane Fläche auf und hat in Richtung Y zwei zueinander parallele Kanten und kann in der Messrichtung X bewegt wegen. Eine Bewegung in Richtung Y kann hinzu kommen. Die senkrechte Projektion der Fläche des Läufers (1) auf die Ebene der Spulen (3.1, 3.2) erzeugt die Flächen 12.1 und 12.2, die sich dadurch auszeichnen, dass ihre Gesamtfläche beim Verschieben des Läufers (2) konstant bleibt und das differentielle Messprinzip begründet. Die gleiche Projektion und Bedingung gilt für die Spulen der Unterseite (3.3, 3.4).
Der Messbereich befindet sich im dem leiterfreien, inneren Bereich der Spulen, in dem weitgehend die homogenen Bedingungen einer Helmholtz-Spule gelten. Der Läufer überdeckt Leiterbahnen nur in Y, wobei sich diese Überdeckung durch das Verschieben nicht verändert.
Der Nullpunkt 0 der Messung ist die Linie parallel zu Y, bei der die Spulen 3.1 und 3.2 sowie 3.3 und 3.4 die gleiche Breite haben.
2 zeigt den Querschnitt durch den Träger (1) mit den Spulen und dem Abstand d1 des Läufers (2) zum oberen Spulenpaar (3.1, 3.2) und d2 zum unteren (3.3, 3.4). Zusätzlich dargestellt ist eine Schicht (13) als mechanischer Schutz oder Gehäuse des Spulensystems, eine ferromagnetische Schicht oder Folie (14) zum rückwärtigen Schließen des Magnetkreises der Spulen und die Anbindung des Läufers (2) an die zu messende mechanische Applikation (37). Der Läufer kann damit allein durch die Formgebung mit der mechanischen Applikation eine dingliche Einheit bilden und beispielsweise eine elektrische leitende Schicht auf einem Träger sein.
Ferner kann der Träger 1 aus Keramik, Kunststoff oder einem anderen elektrisch nicht leitenden Material der Dicke d bestehen, auf das die Leiterbahnen mit einem angemessenen Prozess aufgebracht werden. Insbesondere kann es fest oder flexibel sein. Ebenso ist es möglich, dass jede der Ebenen E1 und E2 einen eigenen festen oder flexiblen Träger mit dem Abstand d zueinander darstellt, sodass der Träger 1 entfallen kann.
3 beschreibt zusätzlich beispielhaft die Anordnung der Leiterbahnen der oberen (3.2) und unteren (3.4) Spule an der Spitze im Ausschnitt. Über eine Kontaktbrücke (3.23) auf der Unterseite wird die innerste Windung der oberen Spule (3.2) nach außen geführt und dann neben der äußeren Windung (3.2.1) über einen Teil des Dreiecks als äußerster Leiter (3.2.2) zu dem Anschluss (4.22) an einer Seite des Trägers 1 geführt.
Die Windungen der unteren Spule (3.4) verlaufen deckungsgleich unter den Windungen der oberen (3.2) mit Ausnahme des Bereiches in der Spitze. Hier werden sie vor der Kontaktbrücke (3.23) auf der Unterseite E2 geführt und die innerste Windung über eine weitere Kontaktbrücke (3.43) nach außen (3.42) geleitet und zu Anschluss (4.42) zurückgeführt.
Die Leiterführung in den anderen beiden Spulen (3.1, 3.3) erfolgt in gleicher Weise und ermöglicht es so, vier Spulen auf Ober- und Unterseite eines Trägermaterials in der geforderten Weise anzubringen und anzuschließen, ohne Leiter in einer weiteren Ebene anbringen zu müssen. Damit ist diese Anordnung auch für Träger aus Materialien geeignet, die Innenlagen nicht zulassen, wie etwa Keramik oder Kunststoff.
Die Spitze des Dreieckes wurde gewählt, um möglichst geringe Flächenunterschiede zwischen oberer und unterer Spule zu erzeugen, und rechteckig, stumpf abgeschnitten, um die Länge möglichst kurz zu halten.
4 zeigt einen exemplarischen Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, ergänzt um einen strombegrenzenden Widerstand (5.1), ein Schaltelement (6.1), die elektrischen Verbindungen (4.11, 4.12) zur planaren Spule (3.1), den Läufer (2), eine Diode (7.1), einen Kondensator (8.1) und den invertierend beschalteten Operationsverstärker (9.1). Solange das Schaltelement (6.1) leitend ist, fließt durch Widerstand (5.1) und Spule (3.1) ein Strom und erzeugt um diese ein elektromagnetisches Feld. Im Moment des Abschaltens des Stroms bewirkt die Energie des elektromagnetischen Feldes einen negativen Spannungspuls (Gegeninduktion) und elektrische Ladung aus dem Kondensator wird über die jetzt leitende Diode gepumpt. Mit dem Abklingen dieses Spannungspulses wird die Diode wieder sperrend und an dem Kondensator bleibt eine negative Spannung erhalten, die in der Folge gemessen werden kann. Proportional zu der vom Läufer (2) überdeckten Fläche der Spule (3) wird beim Abschalten des Stroms im Läufer (2) ein Wirbelstrom induziert. Die im Wirbelstrom umgesetzt Energie wird der Energie des negativen Spannungspulses entzogen und als geringerer Spannungshub am Kondensator (8) messbar.
Der invertierende Operationsverstärker (9) dient dazu, diese negative Spannung in einen positiven Wert umzusetzen, der einfach an einen ASIC oder Mikrocontroller (11) mit Analog-Digital-Wandler zur weiteren Verarbeitung angeschlossen werden kann. Insgesamt ist diese Schaltung (10.1) viermal (10.2, 10.3, 10.4) vorhanden. Hervorzuheben ist, dass die elektronischen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 11) und planare Spulen (3) auf dem gleichen Träger (1) angebracht sein können oder über flexible Leiter (4) miteinander verbunden werden.
Zwischen der Schaltung (10) und der Steuereinheit (11) können weitere Bauelemente eingefügt werden, insbesondere um analog die Differenzen der Signale (10.x) bei begrenzter Auflösung der Analog/Digitalwandlung mit höherer Genauigkeit zu bestimmen.
5 zeigt einen weiteren exemplarischen Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, weitgehend analog zu 4. Anders sind der Entfall des Operationsverstärkers und die Durchlassrichtung der Diode (21.1). So wird der Kondensator (18.1) beim Einschalten des Stroms mit dem Schaltelement (16.1) über die Diode (17.1) solange positiv geladen, bis die Induktionsspannung an der Spule (3.1) abgefallen ist und der Nennstrom fließt. Auch beim Einschalten wird in den Läufer ein Wirbelstrom induziert und verändert so die Signalspannung am Kondensator (18.1).
6 zeigt einen weiteren exemplarischen Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer Verbindung der planaren Spule (3) mit den anderen elektronischen Komponenten (4, 25, 26, 27, 28) so angeordnet, dass im Moment des Abschaltens des Spulenstroms über die Diode (27.1) elektrische Ladungen in den Kondensator (28.1) befördert werden und eine messbare Erhöhung der Spannung über die Versorgungsspannung hinaus am Kondensator (28.1) bewirken, die von der Position des Läufers (2) abhängig ist.
7 zeigt einen Längsschnitt zur Messrichtung X durch das erfindungsgemäße Spulensystem (3), wobei links und rechts jeweils ein Teil des Trägers (1) rechtwinklig vom Läufer (2) weg angeordnet ist. Damit wird erreicht, das die Bereiche der Spitze und die Bereiche der Katheden der Spulendreiecke nicht zur Länge L des Sensors beitragen und die Messstrecke m fast die Länge L erreicht. Die ferromagnetische Schutzschicht (14) partiell auch seitlich nach außen angebracht, erlaubt die Montage des Sensors auch direkt in elektrisch leitfähige Materialien wie Aluminium.
8 zeigt den Träger (30) als Zylinder mit dem Spulensystem 3 auf seiner Innen- und Außenseite und Läufer (32) als halbkreisförmiges, übersteckbares Element, dass senkrecht zur Bildebene in X bewegt werden kann, sowie eine Schutzschicht (33) im Inneren dieses Zylinders zum mechanischen Schutz der Spulen. Ebenso kann der Läufer (1) als Ring ausgebildet werden.
Durch Drehen des Spulensystems (3) auf den Oberflächen des Zylinders (30) um 90° kann ebenso die Drehung des Läufers (32) um X gemessen werden.
9 zeigt den Träger (30) wiederum als Zylinder im Längsschnitt mit dem Spulensystem 3 und einem Kolben (31) im Inneren als Läufer mit Bewegung in X.
Eine Spule mit der Induktivität L wird von einem Strom I durchflossen. Den Zusammenhang zwischen diesen Größen und der Energie des um die Spule erzeugten elektromagnetischen Feldes beschreibt eL = 1/2·L·I2 (1)
Wird diese Energie e_L über eine Diode 7 vollständig in eine Kapazität C umgeladen, so bleibt die Energie e_C konstant und am Kondensator wird eine Spannung messbar: eL = eC (2) eC = ½·C·U2 (3)
Dieses Umladen erfolgt beispielsweise mit der Schaltung in 4 in dem Moment des Abschaltens des Stroms, so dass die negative Gegeninduktionsspannung der Spule L über die jetzt leitende Diode Ladungen aus dem Kondensator pumpt und so eine proportionale, negative Spannung U_C erzeugt. UC = –Wurzel(L/C·I2) (4)
Diese negative Spannung wird über einen invertierend beschalteten Rail-to-Rail Operationsverstärker in eine positive Signalspannung U₀ umgesetzt und verstärkt. In der Folge wird der Kondensator über die Widerstände wieder entladen, so dass periodische Messungen möglich sind.
Dann werden zwei planare Spulen 3.1, 3.2 als rechtwinklige Dreiecke mit einem spitzen Winkel und gleicher Fläche und Geometrie in einer Ebene E1 so angeordnet, dass sich die Hypotenusen gegenüber liegen und sich die Dreiecke zu einem Viereck ergänzen. Die Messrichtung X wird dann die Richtung der Ankatheten, parallel zur Längsseite des Vierecks.
Über den beiden Spulen wird in geringem Abstand d1 der ebenfalls plane Läufer 2 aus einem elektrisch leitfähigem Material, beweglich in X und möglicherweise auch in Y, angebracht. Damit befindet der Läufer sich im elektromagnetischen Feld der Spulen und es entsteht im Moment des Abschaltens des Spulenstroms durch Induktion ein Wirbelstrom, der dem elektromagnetischem Feld der Spule Energie entzieht.
Wie viel Energie dabei in Wirbelstrom umgesetzt wird, ist abhängig vom Abstand d1 eLn = eL·(1 – e-1/(w·d1)) (5)und der vom Läufer überdeckten Flächen a (12.1), b (12.2) der Spulen 3.1, 3.2. Der Faktor w ist abhängig von der Fläche der planaren Spulen und empirisch für den Arbeitsbereich zwischen ca. 1 mm und 5 mm zu ermitteln. Dabei ist diese überdeckte Fläche mit der Verschiebung des Läufers 2 in Richtung X linear veränderlich eL1 = eL·(1 – e-1/(w·d1))·a(x) (6)und wird am Kondensator 8.1 mit Gleichung (4) als Spannung U₁, bzw. an Kondensator 8.2 (der Spule 3.2) als Spannung U₂ mit U1 = U0·(1 – e-1/(w·d1))·a(x) (7) U2 = U0·(1 – e-1/(w·d1))·b(x) (8)messbar. Wegen der differentiellen Anordnung der Spulen bleibt die Summe der vom Läufer 2 abgedeckten Flächen a(x) (12.1) und b(x) (12.2) auch beim Verschieben in X konstant a(x) + b(x) = const (9)
Auf der Unterseite des Trägers 1 sind in einer zweiten Ebene E2 mit dem Abstand d zur Ebene E1 deckungsgleich zwei weitere, planare Dreieckspulen 3.3, 3.4 angebracht. Für sie gilt sinngemäß U3 = U0·(1 – e-1/(w·(d1+d)))·a(x) (10) U4 = U0·(1 – e(-1/(w·(d1+d)))·b(x) (11)und die Gleichungen 7, 8, 9, 10, 11 bilden ein vollständiges Gleichungssystem mit dem die Position des Läufers in Messrichtung X unabhängig von U₀, w, d und dem Abstand d1 bestimmt werden kann.
Durch Einsetzen und umfangreiches Umformen bestimmt man die Lösung dieses Gleichungssystems mit a(x)/b(x) = (U2 – U1)/(U4 – U3) (12)
Mit der Normierung von const in Gleichung (9) auf 1 und Festlegen des Nullpunktes für den Punkt an dem die überdeckten Flächen 12.1 und 12.2 gleich sind a(x) = b(x) = 0,5 (13) ist die Lösung der erfindungsgemäßen Messaufgabe X = (U2 – U1)/(U4 – U3) (14)solange die Messung innerhalb der praktisch homogenen Messstrecke m erfolgt. Praktisch heißt dies, der Läufer 2 darf sich nicht über den Leiterbahnen der Spulenspitze oder der Katheten der Spule befinden oder hinausbewegen.
Dabei wird auch offensichtlich, dass die Breite des Läufers 2 keine wesentliche Bedeutung hat, solange dieser innerhalb der Messstrecke m bleibt und dass der Läufer orthogonal zur Messrichtung in Y bewegt werden kann, ohne die Messung in X zu beeinträchtigen.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors ergeben sich aus der Anordnung von Kontaktbrücken zur Leiterbahnführung der Spulen gemäß 3, die es erlaubt, mit einem zweilagigen Träger 2 auszukommen. Dies ist wichtig für Träger aus Keramik oder Kunststoff.
Daneben kann auch jede Ebene E1, E2 auf einer eigenen flexiblen Leiterplatte angeordnet sein, um die Anschlüsse 4 aus einem Bereich sehr hoher Temperatur ohne Lötstellen herauszuführen, bis ein für Elektronikteile geeignetes Temperaturniveau erreicht ist.
Ebenso können die „Enden" des Trägers abgewinkelt werden, um die in der Applikation sichtbare Länge dem nutzbaren Messweg anzugleichen und die Baugröße zu verringern.
Der Auftrag eines robusten Materials auf den Träger 1 dient dem mechanischen Schutz der Spulen und kann durch Umspritzen oder Verguss hergestellt werden.
Daneben bewirkt das Anbringen einer ferromagnetischen Schicht oder Folie an der Unterseite E2 oder den Seiten eine Abschirmung gegen elektrisch leitfähige Materialien in der Nähe des Sensors, etwa Gehäuseteile aus Aluminium.
In sicherheitskritischen Anwendungen, die eine redundante Auslegung erfordern, kann die Sensoranordnung sich gegenüberliegend angeordnet werden, so dass ein Läufer dazwischen auf beide Spulensysteme wirkt. Die Auswertung in der Elektronik erfolgt ebenfalls getrennt und kann gegensinnig wirkende Ausgangssignale erzeugen.
Interessant ist es ebenso, die Spulenebene um X zu krümmen und auf einem Zylinder anzuordnen. Dann kann der Läufer 2 als Kolben 31 im Inneren des Zylinders angeordnet und seine Position gemessen werden.
Oder der Läufer wirkt von Außen als Halbkreis oder Ring auf das Spulensystem und seine lineare Verschiebung kann berührungslos gemessen werden.
Bei Krümmung des Spulensystems um Y und Anbringen auf einem Zylinder, kann der Läufer rechteckig bleiben und seine Drehstellung um die X-Achse wird jetzt gemessen. Damit sind Drehstellungen bis +/– 135° messbar, z. B. die Stellung des Gasgriffs beim Motorrad.
Ein weiterer Anwendungsbereich erschließt sich, wenn das ebene Spulensystem in der Ebene auf einer Kreisbahn gekrümmt wird. Die Grundbeziehungen der Auswertung und Interpretation der Signale bleibt erhalten und der Läufer 2 muss sich jetzt auf dieser Kreisbahn bewegen. Dann wird die Drehstellung des Läufers 2 im Bereich von etwa +/– 135° messbar.
Diese Anordnung kann für sicherheitskritische Anwendungen ebenfalls doppelt ausgeführt und mit einem Läufer gesteuert werden. Die Sensorsystem liegen sich dann gegenüber und der Läufer befindet sich dazwischen.
Ebenfalls ist es in Analogie möglich, das Spulensystem mit rechteckigen Spulen auszustatten und die Dreiecksform auf den Läufer 2 zu übertragen. Beschaltung und Auswertung bleiben gleich.
Insgesamt kann man sagen, dass die Messungen relativ niederohmig erfolgen und die Stabilität gegen Störeinflüsse sehr gut ist. So gut, dass selbst die Anwendung im elektromagnetischen Feld eines Elektromotors möglich ist.

Claims

Vorrichtung zum berührungslosen Messen der linearen Position X eines Läufers (2) über der Sensoranordnung (3) aus planaren Spulen und elektrisch leitend verbunden eine Auswerteeinheit 10, dadurch gekennzeichnet, dass A ein erstes Paar dreieckiger Spulen (3.1, 3.2) gleicher Fläche und Form in der Ebene E1 nebeneinander und gegenläufig angeordnet ein Viereck beschreibt und dass B ein zweites Paar dreieckiger Spulen (3.3, 3.4) gleicher Fläche und Form in einer zweiten Ebene E2 ebenso angeordnet ist und C die Ebenen E1 und E2 parallel zueinander sind und den Abstand d voneinander aufweisen und D die planare Spule (3.1) der Ebene E1 deckungsgleich über der Spule (3.3) der Ebene E2 und die beiden anderen Spulen (3.2, 3.4) ebenso deckungsgleich übereinander liegen und E die Messrichtung X parallel zu einer Seite des Vierecks festgelegt ist und F der Läufer (2) wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist oder ganz aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und G der Läufer (2) vorteilhaft als eine plane, viereckige Fläche parallel zu den Ebenen E1 und E2 ausgestaltet ist und seine Ausdehnung in Y größer als die Breite b der Spulenanordnung und in Messrichtung X wesentlich kleiner als die Lange 1 ist und zur Ebene E1 den Abstand d1 aufweist und H der Läufer (2) von der mechanischen Applikation (37) wenigstens in Richtung X bewegt wird und I das Spulensystem (3) mit der Auswerteelektronik (10) über elektrische Leiter (4) starr oder flexibel verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass A die Spulen (3.1, 3.2) der Ebene E1 auf der Oberseite eines festen Trägers (1) und die Spulen (3.3, 3.4) der Ebene E2 auf der Unterseite dieses Trägers (1) angeordnet sind und B mit Kontaktbrücken (3.13, 3.23, 3.33, 3.43) in den Spitzen (35) der Spulendreiecke die innerste Windung über die anderen Windungen geführt wird und dann als äußerste Windung (3.12, 3.22, 3.32, 3.42) neben den anderen Windungen auf der gleichen Ebene zu den elektrischen Verbindungen (4) geführt wird oder C ein mehrlagiger Träger (1) mit mehreren Verbindungsebenen verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass A der Träger (1) auch aus einem flexiblen Material sein kann und B für das Spulensystem (3) jeder Ebene E1 und E2 ein eigener Träger verwendet wird.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche des Trägers (1) mit den Spitzen (35) und Gegenkatheden (36) der Spulendreiecke (3) im rechten Winkel zu den Ebenen E1 und E2 abgewinkelt werden und so die Länge l des Trägers (1) reduzieren.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Spulen (3.3, 3.4) der Unterseite E2 abgewandt vom Läufer (2) oder der Außenseite E1 im abgewinkelten Bereich über den Spitzen (35) und Gegenkatheten (36) eine ferromagnetische Schicht (14) oder Folie angebracht wird.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass A das planare Spulensystem (3) um die Achse X oder Y gerollt wird und in der Folge die Ebene E1 die äußere Oberfläche eines Zylinders (30) und die Ebene E2 die innere bildet oder umgekehrt und B der Läufer (2) entsprechend als Kolben (31) oder Ring oder Teil eines Rings (32) ausgestaltet wird.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass A jede Spule (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) über elektrische Leiter (4.x1, 4.x2) mit je einer elektronischen Schaltung (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) verbunden ist und B jede Schaltung (19) wenigstens ein Widerstand (15) und ein Schaltelement (16) enthält, die zwischen einer Versorgungsspannung und Masse in Reihe geschaltet sind und C die Anode der Diode (17) mit dem Anschluss der Spule (3) verbunden ist, an dem der Strom in die Spule hinein fließt und D die Kathode der Diode (17) mit einem Kondensator (18) und weiteren elektronischen Komponenten verbunden ist und E die weitere Auswertung aller Schaltungen (19) in einem integrierten Schaltkreis (11), etwa einem ASIC, FPGA oder Mikrocontroller mit ADC erfolgt.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass A jede Spule (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) über elektrische Leiter (4.x1, 4.x2) mit je einer elektronischen Schaltung (10.1, 10.2, 10.3, 10.4) verbunden ist und B jede Schaltung (10) wenigstens ein Widerstand (5) und ein Schaltelement (6) enthält, die zwischen einer Versorgungsspannung und Masse in Reihe geschaltet sind und C die Kathode der Diode (7) mit dem Anschluss der Spule (3) verbunden ist, an dem der Strom in die Spule hinein fließt und D die Anode der Diode (7) mit einem Kondensator (8) und weiteren elektronischen Komponenten verbunden ist und E die weitere Auswertung aller Schaltungen (10) in einem integrierten Schaltkreis (11), etwa einem ASIC, FPGA oder Mikrocontroller mit ADC erfolgt.
Vorrichtung nach wenigstem einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass A jede Spule (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) über elektrische Leiter (4.x1, 4.x2) mit je einer elektronischen Schaltung (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) verbunden ist und B jede Schaltung (20) wenigstens ein Widerstand (25) und ein Schaltelement (26) und eine Spule (3) enthält, die zwischen einer Versorgungsspannung und Masse in Reihe geschaltet sind und C die Anode der Diode (27) mit dem Anschluss der Spule (3) verbunden ist, an dem der Strom aus der Spule austritt und D die Kathode der Diode (27) mit einem Kondensator (28) und weiteren elektronischen Komponenten verbunden ist und E die weitere Auswertung aller Schaltungen (20) in einem integrierten Schaltkreis (11), etwa einem ASIC, FPGA oder Mikrocontroller mit ADC erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der vorbenannten elektronischen Schaltungsvarianten 10, 19, 20 zwischen Spule (3) und Diode (7, 17, oder 27) ein weiterer Kondensator angebracht werden kann.