DE102006031139A1 - Connecting device for contactless measurement of linear position of rotor, has pair of triangular coils of same surface with form depicts square in former level and another pair of coils of same surface with form arranged in later level - Google Patents
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Abstract
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.The The present invention relates to a non-contact device and wear-free measurements with flat coils of the absolute linear position of device, machine or actuators, this element itself being able to represent the function of the runner. she is particularly suitable for the use at high temperature and heavy pollution.
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.she is applicable as a replacement of potentiometers, but also as a position sensor in gearboxes, logistics systems, car seats, as a level sensor in containers, in short everywhere the linear position is of interest.
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.In known devices for contactless measuring In the absolute linear position, differential coils with proportional transmission ratio of the coil of the runner stimulated, the magnetic flux with magnets in the rotor proportionally steamed or over transformed the effect of magnetostriction into a sound wave whose position-dependent Runtime can be measured.
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.Of the obvious disadvantage of most solutions is that considerable parts of the measuring device both on the side of the stator, as also on the runner's must be provided and that the costs associated with these systems of metrology the installation in mass production obviously only conditionally allow.
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.easy Solutions, like the magnet on the runner, are inexpensive. The obvious disadvantage of this approach is that that magnets are only stable up to the so-called Curie temperature, against hard blows are very sensitive and the attachment of ferromagnetic abrasion the function in question.
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.One further approach to the solution This problem now aims to use a planar coil in the runner magnetic alternating field and its proportional distribution on two receiver coils to measure on the stator. The obvious disadvantage of this solution is in that at the runner additionally this coil is required and also flexible electrically conductive must be connected to the evaluation electronics. This is the uses limited and the costs are higher.
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.task It is therefore advantageous for the present invention to have a sensor arrangement form, with which the absolute linear position between runner and stator inductively and contactlessly determined and the accuracy of the measurement reaches about 0.2%.
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.Two elongated, Symmetrical, triangular coils are side by side on the stator opposite arranged in a plane and with a current of known size each generates a common electromagnetic field. The longitudinal axis of the The quadrilateral described by the 2 triangles is the measuring direction.
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.in the Moment of turning off the power becomes the energy of the electromagnetic Field for each coil is converted into a negative voltage pulse and causes via one each Diode the charge flow from one capacitor each, until the field degrades is. In the consequence can at the capacitors these are proportional to the energy content, negative Voltages are measured. At the same time, the degradation of the electromagnetic Field in the electrically conductive runner induces an eddy current, thus reducing its energy to what is the capacitors as a lower voltage swing is measurable.
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.Because the energy loss due to eddy current is proportional to the covered one area the triangular coils and their distance from the runner can be with a second Pair of such coils in a second, coplanar plane out directly differentially determines the absolute linear position and a change of the distance in the work area can be compensated.
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.moreover It is beneficial that the runner orthogonal to the measuring direction can be moved freely, without to change the reading, if he is longer as this route is.
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.These Task is with the characterizing parts by the patent claim (1) solved. Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the measures in the dependent Claims.
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.The inventive arrangement two triangular planar coil pairs with the same area and Shape has respectively on the top and bottom of a carrier Compared to previously known solutions the advantage that the runner only from a flat surface an electrically conductive Material exists, or a thin one electrically conductive layer and thus can be part of the mechanical application.
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.Farther it is an advantage that the runner is orthogonal can be moved to the measuring direction without affecting the measurement, as far as its length this is permitted or required.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren.Further Advantages and details of the device according to the invention arise from the following description of several embodiments with reference to enclosed figures.
Dabei zeigtthere shows
In
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.Of the Measuring range is located in the conductor-free, inner area of the Coils in which largely the homogeneous conditions of a Helmholtz coil be valid. The runner covers Tracks only in Y, with this overlap by moving not changed.
Der
Nullpunkt 0 der Messung ist die Linie parallel zu Y, bei der die
Spulen
Ferner
kann der Träger
Die
Windungen der unteren Spule (
Die
Leiterführung
in den anderen beiden Spulen (
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.The Tip of the triangle was chosen as possible small area differences between upper and lower coil, and rectangular, dull cut off to the length as short as possible to keep.
Der
invertierende Operationsverstärker
(
Zwischen
der Schaltung (
Durch
Drehen des Spulensystems (
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
Wird
diese Energie eL über eine Diode
Dieses
Umladen erfolgt beispielsweise mit der Schaltung in
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.This negative voltage is converted and amplified via an inverting rail-to-rail operational amplifier into a positive signal voltage U 0 . As a result, the capacitor is discharged through the resistors again, so that periodic measurements are possible.
Dann
werden zwei planare Spulen
Über den
beiden Spulen wird in geringem Abstand d1 der ebenfalls plane Läufer
Wie
viel Energie dabei in Wirbelstrom umgesetzt wird, ist abhängig vom
Abstand d1
Auf
der Unterseite des Trägers
Durch
Einsetzen und umfangreiches Umformen bestimmt man die Lösung dieses
Gleichungssystems mit
Mit
der Normierung von const in Gleichung (9) auf 1 und Festlegen des
Nullpunktes für
den Punkt an dem die überdeckten
Flächen
Dabei
wird auch offensichtlich, dass die Breite des Läufers
Weitere
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors ergeben sich aus
der Anordnung von Kontaktbrücken
zur Leiterbahnführung
der Spulen gemäß
Daneben
kann auch jede Ebene E1, E2 auf einer eigenen flexiblen Leiterplatte
angeordnet sein, um die Anschlüsse
Ebenso können die „Enden" des Trägers abgewinkelt werden, um die in der Applikation sichtbare Länge dem nutzbaren Messweg anzugleichen und die Baugröße zu verringern.As well can Angled the "ends" of the carrier to adjust the length visible in the application to the usable measuring path and to reduce the size.
Der
Auftrag eines robusten Materials auf den Träger
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.Besides causes the attachment of a ferromagnetic layer or foil at the bottom E2 or the sides a shield against electrical conductive Materials nearby of the sensor, about housing parts made of 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.In safety-critical applications requiring a redundant design require the sensor array to be placed opposite each other, leaving a runner Intervene on both coil systems acts. The evaluation in the Electronics are also separated and can act in opposite directions Generate output signals.
Interessant
ist es ebenso, die Spulenebene um X zu krümmen und auf einem Zylinder
anzuordnen. Dann kann der Läufer
Oder der Läufer wirkt von Außen als Halbkreis oder Ring auf das Spulensystem und seine lineare Verschiebung kann berührungslos gemessen werden.Or the runner works from the outside as a semicircle or ring on the coil system and its linear displacement can be contactless be measured.
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.at curvature of the coil system by Y and mounting on a cylinder, the Runner rectangular remain and its rotational position about the X-axis is now measured. This rotational positions can be measured up to +/- 135 °, z. B. the position the throttle grip on the motorcycle.
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
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.These Arrangement can for Safety-critical applications also carried out twice and with a runner to be controlled. The sensor system then face each other and the runner is in between.
Ebenfalls
ist es in Analogie möglich,
das Spulensystem mit rechteckigen Spulen auszustatten und die Dreiecksform
auf den Läufer
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.All in all It can be said that the measurements are relatively low-impedance and the stability against Disturbing influences very much good is. So good that even the application in electromagnetic Field of an electric motor possible is.
Claims (10)
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