DE102010032767A1

DE102010032767A1 - Elektrische Weggeberanordnung

Info

Publication number: DE102010032767A1
Application number: DE102010032767A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dilger; Adolf Heydel
Original assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Current assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Ein elektrisch leitender bzw. magnetischer oder magnetisierbarer Schieber wirkt mit einer Differenzialdrosselanordnung zusammen, deren Drosselspulen flächig ausgebildet und als Leiterbahnen auf einem Substrat angeordnet sind. Die Wicklungen besitzen Keilform, wobei die Keilspitzen der Wicklungen der einen Spule neben dem breiten Keilende der Wicklungen der anderen Spule angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Weggeberanordnung mit einem auf vorgegebener Bahn beweglichem Schieber und einem vom Schieberweg abhängigen Ausgangssignal, wobei der Schieber als elektrisch leitfähiger und/oder magnetischer bzw. magnetisierbarer Körper ausgebildet ist und zur Erzeugung des Ausgangssignals mit einer Differenzialdrosselanordnung zusammen wirkt.
Elektrische Weggeberanordnungen sind in vielfältiger Form bekannt. Bei einer Wegmessung mit Potentiometer wird die Änderung der elektrischen Spannungsteilung an einem Schiebe- oder Drehwiderstand durch mechanische Verstellung eines Schleifers ausgenutzt.
Darüber sind induktive Wegmesser bekannt, die nach dem Differenzialdrosselprinzip arbeiten. Hier wird mittels eines elektrisch leitenden Körpers die Induktivität zweier Spulen verändert, wobei die Spulen derart angeordnet sind, dass bei Bewegung des elektrisch leitenden Körpers die Induktivität der einen Spule erhöht und der anderen Spule vermindert wird. Beispielsweise können zwei gleichachsig zueinander angeordnete Spulen vorgesehen sein, die mit einem in Längsrichtung der Spulenachsen beweglichen gemeinsamen Anker zusammen wirken. Die beiden Spulen sind in einer Brückenschaltung angeordnet, die ihrerseits mit einer Wechselspannung ausreichend hoher Frequenz beaufschlagt wird. Bei Verschiebung des Ankers treten dann zwischen den Brückenzweigen vom Verschiebeweg des Ankers abhängige Spannungsdifferenzen auf.
Grundsätzlich ist es auch möglich, zwischen den einander zugewandten Stirnenden zweier gleichachsiger Spulen einen in Richtung der Spulenachsen beweglichen elektrisch leitenden oder magnetischen bzw. magnetisierbaren Körper anzuordnen, so dass bei Bewegungen des Körpers in Richtung der Spulenachse jeweils die Induktivität einer Spule erhöht und der anderen Spule vermindert wird.
Schließlich lässt sich das Differenzialdrosselprinzip auch mit parallel zueinander benachbart angeordneten Spulen verwirklichen, deren Stirnenden jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Wird ein elektrisch leitender und/oder magnetischer bzw. magnetisierbarer Körper vor den benachbarten (einen) Stirnenden der Spulen auf einer die Spulenachsen durchsetzenden Bahn quer zu den Spulenachsen bewegt, so wird die Induktivität der einen Spule erhöht und der anderen Spule vermindert.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Weggeberanordnung der eingangs angegebenen Art mit besonders geringem Herstellungsaufwand zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Differenzialdrosselanordnung zwei flächige Drosselspulen aufweist und der Schieber auf einer quer zu den Spulenachsen erstreckten Bahn über den Drosselspulen beweglich ist. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Drosselspulen als spiralige Leiterbahnen auf einem flächigen Leiterbahnträger auszubilden und mit einem bspw. plattenförmigen Schieber zusammenwirken zu lassen, der berührungsfrei über den Leiterbahnträger bewegbar ist, wobei der Schieber bei seiner Bewegung jeweils eine flächige Drosselspule zunehmend und die andere flächige Drosselspule mit abnehmendem Querschnitt überdeckt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drosselspulen keilförmig ausgebildete Wicklungen aufweisen und auf dem Leiterbahnträger nebeneinander mit jeweils zum breiten Keilende der Wicklungen der anderen Drosselspule hin verlagerter Keilspitze angeordnet sind. Bei Verstellung des Schiebers in Keilrichtung werden ein zunehmend schmalerer Bereich der einen Drosselspule und ein zunehmend breiterer Bereich der anderen Drosselspule überdeckt. Damit treten ausgeprägt gegenläufige Induktivitätsänderungen in den Drosselspulen auf, so dass ein sehr präzises wegabhängiges Ausgangssignal erzeugbar ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die in einer Reihenschaltung angeordneten Drosselspulen mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu beaufschlagen, so dass zwischen den Drosselspulen entsprechend hochfrequente Wechselspannungsimpulse abgreifbar sind, wobei dann mittels einer Auswerteschaltung Spannungsdifferenzen zwischen aufeinander folgenden positiven und negativen Wechselspannungsimpulsen erfasst und in eine Weganzeige umgesetzt werden.
Hierbei kann vorgesehen sein, die Spannung jedes Wechselspannungsimpulses jeweils mit vorgegebener Zeitverzögerung gegenüber der positiven oder negativen Startflanke des jeweiligen Impulses zu erfassen. Die Differenz der jeweils nach der genannten Verzögerungszeit gemessenen Spannungen aufeinander folgender Impulse ist dann ein sehr präzises Maß für die Stellung des Schiebers.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegeben oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt
1 eine schematisierte Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Weggeberanordnung,
2 einen schematisierten Schaltplan der erfindungsgemäßen Weggeberanordnung,
3 Diagramme der an Schaltungspunkten A, S und C anliegenden, bzw. abgreifbaren elektrischen Spannungen und
4 eine Draufsicht auf eine gegenüber 1 abgewandelten Ausführungsform.
Gemäß 1 sind auf einem nicht näher dargstellten, elektrisch isolierenden Substrat 10 Leiterbahnen in Form zweier Drosselspulen 1 und 2 angeordnet. Jede der Drosselspulen 1 und 2 hat einen ausgeprägt keilförmigen Querschnitt, wobei die Keilspitze der jeweils einen Drosselspule 1 oder 2 neben dem breiten Ende der jeweils anderen keilförmigen Drosselspule 2 oder 1 angeordnet ist. Die Windungen der Drosselspulen 1 und 2 sind an einem Anschlusspunkt C miteinander elektrisch verbunden, so dass die Drosselspulen 1 und 2 eine elektrische Reihenschaltung bilden, die an Anschlusspunkten A und B in weiter unten dargestellter Weise mit einer Hochfrequenzspannung beaufschlagt werden kann.
Dicht oberhalb des die Drosselspulen 1 und 2 tragenden Substrates ist ein im Wesentlichen plattenförmiger Schieber 3 angeordnet, der in 1 punktiert dargestellt ist und sich in den Pfeilrichtungen P aus der dargestellten Mittellage nach rechts oder links verschieben lässt. Der Schieber 3 besteht aus einem elektrisch leitfähigem Material und kann in Form einer rechteckigen Platte ausgebildet sein.
Alternativ kann der Schieber 3 auch als Doppelplatte mit einer Platte oberhalb und einer Platte unterhalb des die Drosselspulen 1 und 2 tragenden Substrats ausgebildet sein, wobei die beiden Platten an den Rändern des die Drosselspulen 1 und 2 tragenden Substrats elektrisch leitend miteinander verbunden sein können.
In der dargestellten Mittellage des Schiebers 3 überdeckt dieser gleichartige Querschnittsbereiche der Drosselspulen 1 und 2. Bei Verschiebung aus der Mittellage in einer Richtung wird dagegen ein zunehmend kleinerer Querschnittsbereich der einen Drosselspule 1 oder 2 und ein zunehmend größerer Querschnittsbereich der anderen Drosselspule 2 oder 1 überdeckt. Dementsprechend verändert der Schieber 3 die Induktivitäten der Drosselspulen 1 und 2 bei Verschiebung aus seiner Mittellage in deutlich unterschiedlicher, d. h. in einander entgegengesetzter Weise.
Dies lässt sich in der nachfolgend dargestellten Weise zur Erzeugung eines den Verschiebeweg des Schiebers 3 wiedergebenden Signals nutzen.
Gemäß 2 sind die Anschlüsse A und B der von den Drosselspulen 1 und 2 gebildeten Reihenschaltung mit einem Hochfrequenzgenerator 4 verbunden, der die Anschlüsse A und B jeweils mit einer hochfrequenten Rechteck-Wechselspannung beaufschlagt. Dabei ist die am Anschluss B anliegende hochfrequente Rechteckwechselspannung gegenüber der am Anschlusspunkt A anliegenden Rechteckwechselspannung bei gleicher Frequenz, z. Bsp. 50 kHz, um eine halbe Wellenlänge verschoben.
Am Anschlusspunkt C zwischen den Drosselspulen 1 und 2 ist eine ausgeprägt impulsförmige hochfrequente Wechselspannung abgreifbar, deren Frequenz der Frequenz der an den Anschlusspunkten A und B anliegenden hochfrequenten Rechteckwechselspannung entspricht. Wenn der Schieber 3 seine Mittellage einnimmt, haben die positiven und negativen Amplituden der bei C abgreifbaren Wechselspannung gleiche Absolutwerte. Bei Verstellung des Schiebers 3 aus der Mittellage ergeben sich dann stark unterschiedliche Größenverhältnisse.
Messtechnisch ist nun bei der Erfindung vorgesehen, anstelle der messtechnisch wegen ihrer Größe schwer erfassbaren Amplituden der Impulse die Spannungswerte S_v zu erfassen, die nach einer Verzögerungszeit v nach der jeweiligen Startflanke eines Impulses vorliegen. In dem nun die Differenz zwischen den Spannungswerten S_v von seitlich aufeinander folgenden Impulsen entgegen gesetzter Polarität gebildet wird, wird ein Signal für den Verschiebeweg des Schiebers 3 erzeugt.
Messtechnisch kann dies durch einen bei C eingangsseitig angeschlossenen Analog-Digital-Wandler erfolgen, der zur Erfassung der Startflanken der positiven bzw. negativen Impulse vom HF-Generator 4 Signale erhält, die die Zeitpunkte der Rechteckflanken der hochfrequenten Rechteck-Wechselspannung wiedergeben. Diese Zeitpunkte entsprechen den Zeitpunkten der Startflanken der Wechselspannungsimpulse am Anschlusspunkt C. Wenn nun der Analog-Digital-Wandler die Spannungswerte S_v jeweils mit vorgegebener Zeitverzögerung nach den Zeitsignalen des HF-Generators 4 für die Rechteckflanken ermittelt und die entsprechenden Differenzen bildet, wird gleichzeitig die Möglichkeit geboten, eine vorgegebene Anzahl nacheinander ermittelter Differenzen einer Mittelwertbildung zu unterziehen. Beispielsweise können bei einer Frequenz des HF-Generators von 50 kHz jeweils 1000 zeitlich aufeinander folgende Differenzwerte für eine Mittelwertbildung herangezogen werden, gleichwohl folgen dann die Mittelwerte noch mit einer Frequenz von 50 Hz aufeinander, so dass Wegänderungen des Schiebers 3 mit entsprechend hoher Signalfrequenz (50 Hz) erfasst werden.
Gemäß 4 können die Drosselspulen 1 und 2 jeweils auch eine sichelförmige Bogenform aufweisen und auf einem entsprechend bogenförmigen Substrat angeordnet sein. Wenn nun der Schieber 3 auf einer bezüglich des Krümmungszentrums des bogenförmigen Substrats zentrischen Kreisbahn geführt ist, lassen sich Schwenk- bzw. Drehhübe des Schiebers 3 erfassen. Hinsichtlich der messtechnischen Auswertung ändert sich dabei nichts gegenüber den obigen Ausführungen.
Für eine Drehhuberfassung ist es auch möglich, die Differenzialdrosselanordnung der 1 auf einer gekrümmten Fläche, insbesondere einer Kreiszylinderfläche anzuordnen, wobei die Keilspitzen in zueinander entgegengesetzte Umfangsrichtungen weisen. Ein zur Umfangsfläche etwa tangentialer Schieber kann dann in den Umfangsrichtungen beweglich angeordnet sein.
Bei einer Anordnung nach 1 kann gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen sein, die Drosselspulen 1 und 2 auf einem flexiblen Substrat, z. B. einer flexiblen Leiterplatte anzuordnen, die dann (mit den Spulen 1 und 2) längs eingerollt und in ein elektrisch nicht leitendes Rohr eingeschoben wird. Auf diesem Rohr wird dann ein kurzes Rohrstück aus elektrisch leitendem Material verschiebbar angeordnet. Dieses Rohrstück entspricht funktional dem Schieber 3 der 1. Wenn nun das elektrisch leitfähige Rohrstück mit einem Schwimmer kombiniert und das elektrisch nicht leitfähige Rohr in einem Tank angeordnet wird, kann die so ausgebildete Anordnung als Füllstandsmessanordnung genutzt werden. Abweichend von dieser Anordnung ist es auch möglich, die Leiterplatte mit den Drosselspulen 1, 2 auf der Außenseite eines elektrisch nicht leitfähigen Stabes anzuordnen, auf dem das elektrisch leitfähige Rohrstück mit seinem Schwimmer verschiebbar geführt ist. Bei allen diesen Anordnungen sind die Drosselspulen 1, 2 mit ihrem keilförmigen Querschnitt in Längsrichtung des Rohres oder Stabes ausgerichtet, d. h. die Keilspitze ist bei vertikaler Anordnung des Rohres oder Stabes vertikal nach oben oder unten ausgerichtet.

Claims

Elektrische Weggeberanordnung mit einem auf vorgegebener Bahn beweglichen Schieber (3) und einem vom Schieberweg abhängigen Ausgangssignal, wobei der Schieber (3) als elektrisch leitfähiger und/oder magnetischer bzw. magnetisierbarer Körper ausgebildet ist und mit einer Differenzialdrosselanordnung (1, 2) zusammen wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzialdrosselanordnung (1, 2) zwei flächige Drosselspulen (1, 2) aufweist und der Schieber (3) auf einer quer zu den Spulenachsen erstreckten Bahn über den Spulen beweglich ist.
Weggeberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspulen (1, 2) keilförmig geformte Wicklungen aufweisen und nebeneinander mit jeweils zum breiten Keilende der Wicklungen der anderen Drosselspule hin verschobener Keilspitze angeordnet sind.
Weggeberanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspulen (1, 2) elektrisch in einer Reihenschaltung angeordnet sind, die beim Betrieb mit einer hochfrequenten Rechteckspannung beaufschlagt wird, so dass zwischen den Drosselspulen hochfrequente Wechselspannungsimpulse abgreifbar sind, und dass eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, die eine Differenz zwischen Spannungshüben aufeinander folgender Impulse auswertet und in eine Weganzeige umsetzt.
Weggeberanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungshübe jeweils mit vorgegebener Verzögerung gegenüber der positiven bzw. negativen Startflanke der aufeinander folgenden Spannungsimpulse erfasst werden.
Weggeberanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Wegsignals jeweils ein Mittelwert über eine vorgegebene Anzahl der ermittelten Differenzen gebildet wird.
Weggeberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Füllstandsmessanordnung für einen Tank, wobei die flächigen Drosselspulen (1, 2) an bzw. auf der Innen- oder Außenseite eines elektrisch nicht leitfähigen Rohres oder der Außenseite eines elektrisch nicht leitfähigen Stabes angeordnet sind und auf dem Rohr bzw. Stab ein mit einem Schwimmer kombiniertes Rohrstück aus elektrisch leitfähigem und/oder magnetischem und/oder magnetisierbarem Material verschiebbar geführt ist, und wobei das Rohr bzw. der Stab mit etwa vertikaler Längsachse im Tank montierbar ist.