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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung einer
Drehung oder Drehzahl eines Messobjekts, insbesondere in Nutzfahrzeugen,
mit einem Sensor, der zur berührungslosen Drehungs-
oder Drehzahlerfassung des Messobjekts dient.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung einer
Drehung oder Drehzahl eines Messobjekts, insbesondere in Nutzfahrzeugen.
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Darüber hinaus
bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung eines Ultraschallsensors,
insbesondere in Nutzfahrzeugen.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen
zur Erfassung einer Drehung oder einer Drehzahl von Messobjekten
sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Insbesondere zur berührungslosen
Drehungs- oder Drehzahlerfassung der Messobjekte werden herkömmliche
aktive Hall-Sensoren beziehungsweise magnetoresistive oder passive,
induktive Sensoren eingesetzt, die auf der Grundlage von beispielsweise
magnetischen Flussdichteänderungen
oder Induktivitätsänderungen
Messsignale in Abhängigkeit von
der Oberfläche-
und/oder Materialbeschaffenheit des Messobjekts liefern können. Bei
diesen vorgenannten Sensoren kann sich ein relativ hoher Konstruktionsaufwand
im Zusammenhang mit Sensoren haltenden Bauteilen, beispielsweise
Gehäusen,
ergeben, da diese Sensoren unter Einhaltung eines nur sehr geringen
Abstands zu dem Messobjekt montiert und entsprechend ausgerichtet
werden müssen,
um verwertbare Messsignale liefern zu können. Durch die strenge Einhaltung
des nur sehr geringen Abstands zu dem Messobjekt und der genauen
Ausrichtung können
die von den vorgenannten Sensoren gelieferten Signale aufgrund von
Fertigungsungenauigkeiten stark beeinträchtigt werden. Beispielsweise dann,
wenn das Messobjekt mit einer Unwucht oder einem Achsversatz dreht
und somit aufgrund der Fertigungsungenauigkeiten leicht exzentrisch
gelagert ist. Dadurch können
sich unter Umständen
erfasste Flussdichte- oder Induktivitätsänderungen ergeben, die einer
entsprechenden Drehung des Messobjekts zugeordnet werden, tatsächlich aber
aus den Fertigungsungenauigkeiten herrühren. Dies kann zu einer gewissen
Messunsicherheit und im Extremfall sogar zu nicht auswertbaren Messsignalen
dieser Sensoren führen.
Somit ist es bei derartigen Sensoren zur berührungslosen Drehungs- oder Drehzahlerfassung zwingend
erforderlich, den Abstand des Sensors und dessen Ausrichtung zum
Messobjekt möglichst
genau einzuhalten und das drehende Messobjekt weitestgehend ohne
Exzentrizität
zu lagern. Dies erhöht zum
einen den Montageaufwand und stellt zum anderen enorm hohe Anforderungen
an die Fertigung.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäßen Vorrichtungen
und Verfahren zur berührungslosen
Drehungs- oder Drehzahlmessung von Messobjekten derart weiterzubilden,
dass der hierfür
erforderliche Konstruktions-, Montage und Fertigungsaufwand verringert
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass der Sensor ein Ultraschallsensor ist.
Durch den Einsatz eines Ultraschallsensors zur Drehungs- oder Drehzahlerfassung
des Messobjekts kann der Konstruktions-, Montage- und Fertigungsaufwand
erheblich verringert werden, da eine Ausrichtung des Ultraschallsensors
nicht in dem Maße
wie bei den dem Stand der Technik angehörenden Sensoren zur berührungslosen
Drehungs- oder Drehzahlerfassung erforderlich ist. Weiterhin muss
ebenso wenig ein im Vergleich zum Stand der Technik geringer Abstand zum
Messobjekt eingehalten werden. Der Ultraschallsensor zur berührungslosen
Drehungs- oder Drehzahlerfassung kann im Vergleich zum Stand der Technik
mit einem erweiterten beziehungsweise größeren Luftspalt zum Messobjekt
eingesetzt werden. Somit beeinträchtigen
Fertigungsungenauigkeiten die durch den Ultraschallsensor erfassten
Messsignale auch nicht in dem Maße, wie beim Stand der Technik.
Damit sind Ultraschallsensoren unempfindlicher gegen Achsversätze beziehungsweise
Exzentrizitäten
des drehenden Messobjekts. Weiterhin sind Ultraschallsensoren auch
sehr robust. Um die Genauigkeit der Drehungs- oder Drehzahlerfassung des Messobjekts
zu steigern, kann ebenso vorgesehen sein, mehrere Ultraschallsensoren
einzusetzten.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass das
Messobjekt eine von dem Ultraschallsensor zu sensierende Oberfläche mit
bestimmter Kontur aufweist, über
die die Drehung oder Drehzahl des Messobjekts ermittelbar ist. Die
zu sensierende Oberfläche
des drehenden Messobjekts sollte daher derart beschaffen sein, dass
der Ultraschallsensor aufgrund von Kontur- beziehungsweise Profiländerungen
der Oberfläche
einer Auswerteeinrichtung Messsignale tiefem kann, die einer bestimmten
Drehung beziehungsweise einer bestimmten Winkeldrehung zugeordnet
werden können.
Beispielsweise kommen für
das Messobjekt Konturen in Betracht, bei denen die Oberfläche des
drehenden Messobjekts aufgrund dessen Kontur während dessen Drehung den Abstand
zum Ultraschallsensor ändert. Diese
Abstandsänderungen
der Oberfläche
des Messobjekts zum Ultraschallsensor können erfasst werden, wobei
in Kenntnis des Konturverlaufs beziehungsweise des Profilverlaufs
des Messobjekts auf eine entsprechende Drehung geschlossen werden kann.
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In
diesem Zusammenhang kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet
werden, dass die Oberfläche
des Messobjekts bei dessen Drehung einen alternierenden Konturverlauf
hat. So können
beispielsweise regelmäßig strukturierte Oberflächen bei
dem Messobjekt zur Drehungs- oder Drehzahlerfassung verwendet werden.
In diesem Fall liefert der Ultraschallsensor bei Drehung des Messobjekts
einen alternierenden und impulsartigen Abstandsänderungssignalverlauf. In Kenntnis
der Beschaffenheit beziehungsweise der Kontur der Oberfläche des
Messobjekts über
dessen Umfang kann dadurch auf die Drehung geschlossen werden, beispielsweise
durch Zählen
der alternierenden Abstandsänderungen.
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Weiterhin
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
so verwirklicht werden, dass das Messobjekt ein rotationssymmetrisches
Messobjekt ist.
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Darüber hinaus
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
derart ausgeführt
werden, dass das Messobjekt ein Zahnrad ist.
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Ferner
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
so weitergebildet werden, dass sie zumindest einen weiteren Ultraschallsensor
umfasst, wobei der weitere Ultraschallsensor phasenversetzte Signale bezüglich der
Signale des Ultraschallsensors zur Ermittlung einer Drehrichtung
des Messobjekts erzeugt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik durch ein berührungsloses
Erfassen einer Drehung oder Drehzahl des Messobjekts auf der Grundlage
von Ultraschall auf. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
genannten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur
Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen im Zusammenhang mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verwiesen wird.
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Gleiches
gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auch diesbezüglich auf
die entsprechenden Ausführungen
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in vorteilhafter Weise durch ein Ermitteln der Drehung oder
Drehzahl des Messobjekts auf der Grundlage einer zu sensierenden
Oberfläche
mit bestimmter Kontur des Messobjekts ausgeführt werden.
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Weiterhin
kann das erfindungsgemäße Verfahren
durch das Ermitteln der Drehung oder Drehzahl des Messobjekts auf
der Grundlage eines alternierenden Konturverlaufs der Oberfläche des
Messobjekts realisiert werden.
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Darüber hinaus
kann das erfindungsgemäße Verfahren
durch das Erfassen der Drehung oder Drehzahl des Messobjekts, das
ein rotationssymmetrisches Messobjekt ist, ausgebildet werden.
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Ferner
kann das erfindungsgemäße Verfahren
durch das Erfassen der Drehung oder Drehzahl des Messobjekts, das
ein Zahnrad ist, verwirklicht werden.
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Weiterhin
kann das erfindungsgemäße Verfahren
durch ein Erfassen einer Drehrichtung des Messobjekts auf der Grundlage
von phasenversetzten Ultraschallsignalen weitergebildet werden.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
eines Ultraschallsensors baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik durch den Einsatz des Ultraschallsensors zur berührungslosen
Drehungs- oder Drehzahlerfassung eines Messobjekts auf. Sinngemäß ergeben
sich bei der erfindungsgemäßen Verwendung des
Ultraschallsensors die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
genannten Vorteile in analoger Weise, weshalb auch diesbezüglich zur
Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird. Selbstverständlich können auch
mehrere Ultraschallsensoren zur Drehungs- oder Drehzahlerfassung verwendet
werden, um die Genauigkeit der Messung zu steigern.
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Weiterhin
ist die erfindungsgemäße Verwendung
eines Ultraschallsensors zur berührungslosen Längen- oder
Entfernungsmessung eines Messobjekts mit alternierendem Oberflächenverlauf
besonders von Vorteil. So lässt
sich weiterhin die Länge
einer linear alternierenden Oberfläche eines Messobjekts auf der
Grundlage von Ultraschall erfassen, wodurch auf einen Translationsweg
des Messobjekts geschlossen werden kann. Ebenso lässt sich
Ferner ist die erfindungsgemäße Verwendung
von zwei oder mehreren Ultraschallsensoren, die phasenversetzte Signale
zur Ermittlung einer Drehrichtung eines Messobjekts erzeugen, in
vorteilhafter Weise vorgesehen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur beispielhaft erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen
Erfassung einer Drehung oder Drehzahl eines Messobjekts, die zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist.
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1 zeigt
eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur
berührungslosen Erfassung
einer Drehung oder Drehzahl eines Messobjekts 12, die zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Sensor 14,
der durch einen Ultraschallsensor 14 ausgebildet wird.
Der Ultraschallsensor 14 ist ein herkömmlicher, dem Stand der Technik
angehörender
Ultraschallsensor 14, der unter anderem beispielsweise
einen Ultraschallsender 16 und einen Ultraschallempfänger 18 umfasst.
Weiterhin weist die Vorrichtung 10 eine Auswerteeinrichtung 20 auf,
die eine herkömmliche,
dem Stand der Technik angehörende
Auswerteeinrichtung 20, beispielsweise eine ECU mit Speicher,
etc., ist und zur Auswertung der durch den Ultraschallsensor 14 gelieferten
Signale geeignet ist. Der Ultraschallsensor 14 ist im dargestellten
Fall in einem bestimmten Abstand von dem Messobjekt 12 beabstandet,
vorzugsweise an einem oder mehreren nicht dargestellten Gehäusebauteilen oder
sonstigen Bauteilen befestigt, und derart ausgerichtet, dass er
Ultraschall in Richtung der zu sensierenden Oberfläche des
Messobjekts 12 über
den Ultraschallsender 16 aussenden und reflektierten Ultraschall über den
Ultraschallempfänger 18 empfangen kann.
Das Messobjekt 12 ist in diesem Fall ein Zahnrad 12,
also ein rotationssymmetrisches Messobjekt 12, das um seine
nicht dargestellte Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Zahnrad 12 weist
wie üblich um
dessen Außenumfang
Erhöhungen
und Vertiefungen auf, wodurch dessen Verzahnung ausgebildet wird.
Daher liegt im dargestellten Fall eine alternierende, regelmäßig strukturierte
Oberfläche
des Messobjekts 12 vor.
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Im
Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur
berührungslosen
Drehungs- oder Drehzahlerfassung
des Messobjekts 12 arbeitet der Ultraschallsensor 14 wie
ein herkömmlicher,
dem Stand der Technik angehörender
Ultraschallsensor 14. So sendet der Ultraschallsensor 14 über den
Ultraschallsender 16 in Richtung der Oberfläche des
drehenden Zahnrads 12, insbesondere in Richtung der Verzahnung,
Sendeimpulse 22 in der Form Ultraschall aus, welche an
dem Zahnrad 12 reflektiert werden und als Echosignale 24 wieder
von dem Ultraschallsensor 14 über den Ultraschallempfänger 18 empfangen
werden. Über
die Laufzeit von dem Senden der ausgesandten Sendeimpule 22 an
bis zum Empfangen der Echosignale kann über die Auswerteeinrichtung 20 der
momentane Abstand zwischen dem Ultraschallsensor 14 und
der sensierten Oberfläche
des Zahnrads 12 ermittelt werden. Aufgrund der Drehung
des Zahnrads 12 empfängt
der Ultraschallsensor 14 fortlaufend unterschiedliche Abstände zur
sensierten Oberfläche
des Zahnrads 12 und liefert entsprechende Signale. Dadurch
kann die Auswerteeinrichtung 20 basierend auf den gelieferten
alternierenden Abstandssignalen zwischen dem Ultraschallsensor 14 und
dem Zahnrad 12 die Drehung des Zahnrads 12 ermitteln.
Insbesondere kann in Kenntnis der Oberflächenkontur des Zahnrads 12 über den
Umfang beispielsweise durch Zählen
der alternierenden Abstandssignale auf die Drehung, und unter Berücksichtigung
der Zeit, auf die Drehzahl des Zahnrads 12 geschlossen
werden.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass das Messobjekt 12 eine
Oberfläche
aufweist, die für jede
entsprechende Stellung einen eindeutig zuordenbaren Abstand zwischen
dem Ultraschallsensor 12 und dem Messobjekt definiert.
Somit sind über
jedes von dem Ultraschallsensor 14 gelieferte Messsignal
die Stellung sowie eine Stellungsänderung des Messobjekts 12 durch
die Auswerteeinrichtung 20 ermittelbar.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Messobjekt
- 14
- Ultraschallsensor
- 16
- Ultraschallsender
- 18
- Ultraschallempfänger
- 20
- Auswerteeinrichtung
- 22
- Sendeimpuls
- 24
- Echosignal