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Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
EP 1 164 358 B1 ist eine Positionsmessvorrichtung bekannt. Die Positionsmessvorrichtung umfasst eine Maßverkörperung, die beispielsweise in Form eines Metallbandes mit einer Vielzahl von untereinander gleichen Messmarkierungen in Form von rechteckigen Durchbrüchen ausgeführt sein kann. Die Messmarkierungen sind mit konstantem Teilungsabstand entlang der Maßverkörperung angeordnet. Weiter ist eine Abtastvorrichtung mit einer Sender- und einer Empfängerwindungsanordnung vorgesehen. Die Senderwindungsanordnung wird mit einem elektrischen Wechselstrom versorgt, so dass sie ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Die induktive Kopplung zwischen Sender- und Empfängerwindungsanordnung ist abhängig von deren Stellung gegenüber der Maßverkörperung. Die in die Empfängerwindungsanordnung induzierte Empfängerspannung ist also ein Maß für die Relativstellung zwischen Abtastvorrichtung und Maßverkörperung. Weiter ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, die aus der Empfängerspannung ein Positionssignal erzeugen kann, welches vorgegebenen standardisierten Anforderungen genügt, so dass es beispielsweise von einer Maschinensteuerung weiterverarbeitet werden kann. Als Positionssignale kommen beispielsweise analoge Sinus-/Cosinus-Signale, inkrementelle TTL-Signale oder digitale absolute Signale in Betracht.
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Die Sender- und die Empfängerwindungsanordnung sind in Form von planaren Spulen ausgeführt, die beispielsweise mittels eines photochemischen Ätzverfahrens hergestellt sein können, um die bevorzugten kleinen Teilungsabstände der Maßverkörperung zu realisieren. Die Leiterbahnen der entsprechenden Windungen besitzen eine sehr geringe Breite von beispielsweise 10 µm. Gleiches trifft auf deren Abstand zu. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten kann es daher leicht zur Unterbrechung einer Leiterbahn kommen oder zu einem Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen kommen. Darüber hinaus kann die Verbindung zur Auswertevorrichtung fehlerhaft sein. Eine derart fehlerhafte Windungsanordnung ist für eine genaue Positionsbestimmung nicht mehr geeignet und muss ausgesondert werden. Es ist bekannt, derart fehlerhafte Windungsanordnungen durch eine Widerstandsmessung zu erkennen. Dabei wird ausgenutzt, dass die obigen Fehler zu einer erheblichen Änderung des ohmschen Widerstands der Windungsanordnung führen.
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Die genannte Widerstandsmessung ist während der Herstellung der Positionsmesseinrichtung ohne Weiteres möglich, aber mit einem gewissen Aufwand verbunden. Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass die genannten Fehler an den Windungsanordnungen auch erst im Laufe des Betriebes der Positionsmesseinrichtung auftreten können. Es besteht daher der Wunsch, dass die Positionsmessvorrichtung die genannte Widerstandsmessung selbsttätig durchführen kann. Dies ist bei der Senderwindungsanordnung ohne Weiteres möglich. Diese wird wahlweise mit einer vorbestimmten Spannung oder mit einem vorbestimmten Strom beaufschlagt, so dass es ausreicht, den daraus resultierenden Strom bzw. die daraus resultierende Spannung zu messen, um den Widerstand der Senderwindungsanordnung zu bestimmen.
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Bei der Empfängerwindungsanordnung ist diese Vorgehensweise nicht ohne Weiteres möglich. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die in die Empfängerwindungsanordnung induzierte Empfängerspannung sehr klein ist, so dass jede Veränderung an der Beschaltung der Empfängerwindungsanordnung das Messergebnis negativ beeinflussen kann. Insbesondere ist es nur schwer möglich, die Empfängerwindungsanordnung für die Widerstandsmessung mit Strom zu versorgen.
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Aus der
DE 10 2006 048 604 A1 ist ein Verfahren zum Überprüfen eines Sensorsignals bekannt, bei welchem das Rauschen des Sensorsignals ausgewertet wird.
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Aus der
DE 10 2006 012 074 A1 ist eine Positionsmesseinrichtung bekannt, bei welcher ein Betrag der synthetisch generierten, sinusförmigen Ausgangssignale einen Zustand der Positionsmesseinrichtung codiert.
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Aus der
US 3 890 841 A ist ein System zur Temperaturmessung bekannt, bei welchem das thermische Rauschen gemessen wird, um die Temperatur zu bestimmen.
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Aus der
US 2006 / 0 052 957 A1 ist ein Verfahren zum Prüfen von Leiterplatten bekannt, bei dem u.a. ausgenutzt wird, das Beschädigungen der betreffenden Leiterbahnen, die zugeordnete Impedanz beeinflussen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die genannte Widerstandsmessung an der Empfängerwindungsanordnung von der Positionsmessvorrichtung selbsttätig so durchführen zu lassen, dass die Positionsbestimmung nicht verschlechtert wird.
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Gemäß dem selbständigen Anspruch wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Auswertevorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Rauschmaß aus der Empfängerspannung zu ermitteln, wobei weiter Vergleichsmittel vorgesehen sind, welche das Rauschmaß mit einem vorgebbaren Toleranzbereich vergleichen können, wobei die Auswertevorrichtung weiter Anzeigemittel aufweist, welche anzeigen können, dass das Rauschmaß außerhalb des Toleranzbereichs liegt. Hierbei wird ausgenutzt, dass jeder ohmsche Widerstand ein Wärmerauschen, auch Johnson-Nyquist-Rauschen genannt, erzeugt. Dabei handelt es sich um ein im Wesentlichen weißes Rauschen, wobei die Rauschspannung proportional zur Wurzel des Widerstandswertes der Empfängerwindungsanordnung ist. Die Rauschspannung ist zwar sehr klein, die ohnehin vorhandene Auswertevorrichtung ist aber in der Lage, dieses Wärmerauschen auszuwerten. Es ist insbesondere nicht notwendig, die Empfängerwindungsanordnung zur Widerstandsmessung an eine Spannungs- bzw. Stromquelle anzuschließen. Die Auswertung besteht darin, aus der Rauschspannung ein Rauschmaß zu bestimmen, wobei dieses mit einem vorgebbaren Toleranzbereich verglichen wird. Liegt das Rauschmaß außerhalb des Toleranzbereichs, so wird dies mit einem Anzeigemittel beispielsweise einer Anzeige-LED oder einem Fehlersignal an einem gesonderten Fehlersignalanschluss angezeigt.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Das Rauschmaß kann das über einen vorgebbaren Zeitraum gemittelte Quadrat der Empfängerspannung sein. Dieses Rauschmaß ist unmittelbar proportional zu dem zu messenden ohmschen Widerstand der Empfängerwindungsanordnung. Die Bestimmung der zulässigen Toleranzgrenzen ist daher besonders einfach. Dieses Rauschmaß wird vorzugsweise auf digitalem Wege ermittelt.
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Das Rauschmaß kann der über einen vorgebbaren Zeitraum gemittelte Betrag der Empfängerspannung sein. Dieses Rauschmaß kann auf einfache Weise mit einem analog arbeitenden Gleichrichter und anschließender analoger Tiefpassfilterung ermittelt werden.
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Die Auswertevorrichtung kann einen Analog-Digital-Wandler zur Messung der Empfängerspannung umfassen, wobei das Rauschmaß digital bestimmt und mit dem Toleranzbereich verglichen wird. Bei dieser Positionsmessvorrichtung besteht der Zusatztaufwand für die erfindungsgemäße Überwachung der Empfängerwindungsanordnung in einer reinen Softwareänderung in der bekannten Auswertevorrichtung. Die Mehrkosten gegenüber der bekannten Positionsmessvorrichtung sind vernachlässigbar.
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Die Auswertevorrichtung kann einen Bandpassfilter umfassen, so dass die Empfängerspannung vor der Bestimmung des Rauschmaßes gefiltert werden kann. Es kann nicht von vorne herein ausgeschlossen werden, dass die Positionsmessvorrichtung während der erfindungsgemäßen Auswertung des Wärmerauschens bewegt wird oder dass auf andere Weise Spannungen in die Empfängerwindungsanordnung induziert werden. Diese Störspannungen würden die Auswertung des Wärmerauschens verfälschen. Es ist jedoch vorhersehbar, dass die genannten Störspannungen nur in bestimmten Frequenzbereichen auftreten, während das nahezu weiße Wärmerauschen über alle Frequenzbereiche gleichmäßig verteilt auftritt. Mit der Bandpassfilterung werden daher die Frequenzbereiche ausgewählt, die mit hoher Wahrscheinlichkeit frei von anderen Spannungen als der Rausspannung sind. Die Bandpassfilterung wird vorzugsweise digital durchgeführt, obgleich eine analoge Filterung ebenfalls denkbar ist.
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Die Auswertevorrichtung kann so eingerichtet sein, dass sie die Empfängerspannung daraufhin prüfen kann, ob sie die gleiche spektrale Zusammensetzung wie weißes Rauschen aufweist. Hiermit kann vollständig ausgeschlossen werden, dass die Überwachung der Empfängerwindungsanordnung durch Störspannungen verfälscht wird. Soweit die obige Bandpassfilterung durchgeführt wird, wird die Überprüfung der spektralen Zusammensetzung vorzugsweise auf das gefilterte Frequenzband beschränkt.
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Die Abtastvorrichtung umfasst einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Empfängerwindungsanordnung, wobei der Toleranzbereich abhängig von der gemessenen Temperatur korrigierbar ist. Es ist bekannt, dass sich die Rauschspannung des Wärmerauschens proportional zur Wurzel der absoluten Temperatur des ohmschen Widerstands ändert. Gleichzeitig muss damit gerechnet werden, dass die Positionsmessvorrichtung bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen eingesetzt wird. Durch die Temperaturmessung kann der vorgebbare Toleranzbereich so korrigiert werden, dass unabhängig von der Umgebungstemperatur immer das gleiche Auswerteergebnis erzielt wird. Hierbei ist anzumerken, dass die Widerstandsänderung, welche durch eine fehlerhafte Empfängerwindungsanordnung verursacht wird, meist so groß ist, dass die vorgeschlagene Temperaturkompensation bei üblichen Umgebungstemperaturschwankungen nicht erforderlich ist.
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Die Abtastvorrichtung kann eine Senderwindungsanordnung umfassen, welche mit einer Senderstromquelle verbunden ist, wobei die Verbindung zur Senderstromquelle während der Bestimmung des Rauschmaßes sperrbar ist. Veränderliche Ströme in der Senderwindungsanordnung induzieren Spannungen in die Empfängerwindungsanordnung, welche das Wärmerauschen überlagern und mithin die erfindungsgemäße Überwachung des Wärmerauschens stören. Durch das Abschalten der Stromquelle können diese Störspannungen unterbunden werden. Der Begriff Stromquelle umfasst an dieser Stelle sowohl die strom- als auch die spannungsgesteuerte Einspeisung von elektrischem Wechselstrom in die Senderwindungsanordnung.
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Die Abtastvorrichtung kann so eingerichtet sein, dass die Anzeigemittel das Positionssignal auf einen Zustand setzen können, der eine Fehlfunktion der Positionsmessvorrichtung anzeigt. Soweit das Positionssignal ein analoges Sinus-/Cosinus-Signal ist, ist insbesondere daran gedacht, beide Signale auf Null zu setzen. Dieser Signalzustand ist im Normalbetrieb per Definition ausgeschlossen. Er zeigt mithin eine Fehlfunktion der Positionsmesseinrichtung an. Aus der
DE 10 2006 012 074 A1 ist eine entsprechende Fehleranzeige bekannt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
- 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung; und
- 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung 10. Die Positionsmessvorrichtung 10 umfasst eine Maßverkörperung 11 in Form eines Metallbandes, welches mit einer Vielzahl von untereinander gleichen Messmarkierungen 12 in Form von rechteckigen Durchbrüchen versehen ist. Die Messmarkierungen 12 weisen einen konstanten Teilungsabstand λ auf und sind jeweils einen halben Teilungsabstand λ/2 breit.
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Die Sender- und die Empfängerwindungsanordnung 21; 30 sind (entgegen der Darstellung) mit geringem Abstand parallel gegenüberliegend zu den Messmarkierungen 12 angeordnet. Die Leiterbahnen der Windungsanordnungen 21; 30 verlaufen in mehreren parallelen Ebenen, weshalb man auch von planaren Windungen spricht. Die Senderwindungsanordnung 21 umfasst eine Vielzahl von sich selbst kreuzenden Leiterbahnen, die mehrere Senderflächen 22 definieren. Innerhalb einer Senderfläche 22 ist jeweils ein Empfängerspulenpaar 31 der Empfängerwindungsanordnung 30 angeordnet. Die im Wesentlichen identischen Einzelspulen eines Empfängerspulenpaares 31 sind in entgegen gesetzter Windungsrichtung in Reihe geschaltet, wobei deren Abstand dem halben Teilungsabstand λ/2 der Maßverkörperung 11 entspricht.
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Die Positionsmessvorrichtung 10 umfasst zwei Messkanäle, nämlich einen Sinus- und einen Cosinus-Kanal, die jeweils ein um 90° phasenversetztes Signal U erzeugen. Hierfür sind die im Aufbau identischen Empfängerspulenpaare 31 jeweils um ein Viertel des Teilungsabstandes λ/4 versetzt bezüglich der Messteilung angeordnet. Entgegen der Darstellung weist jeder Messkanal mehrere in Reihe geschaltete Empfängerspulenpaare 31 auf, damit die Empfängerspannung U groß ist. Die erste und die letzte Senderfläche 22 der Senderwindungsanordnung 21 ist nicht mit einem Empfängerspulenpaar 31 belegt, weil das dortige Senderfeld aufgrund von Randeffekten andere Eigenschaften aufweist als das Feld im Bereich der übrigen Senderflächen 22.
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Die Senderwindungsanordnung 21 wird im Messbetrieb von einer Senderstromquelle 23 mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz von beispielsweise 100 kHz versorgt, wobei in diesem Betriebszustand der Schalter 24 geschlossen ist. Dieser Wechselstrom induziert in der Empfängerwindungsanordnung 30 eine Empfängerspannung U, deren Amplitude von der Relativstellung zwischen der Abtastvorrichtung 20 und der Maßverkörperung 11 abhängt.
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Jedem Messkanal ist ein gesonderter AD-Wandler 32 zugeordnet, der eine Abtastrate aufweist, die erheblich größer als die Frequenz des in die Senderwindungsanordnung 21 eingespeisten Wechselstroms ist. Die Empfängerspannung U wird von dem AD-Wandler 32 in eine Folge von Digitalwerten yi umgewandelt. Durch verschiedene digitale Rechenoperationen, welche von den Positionsbestimmungsmitteln 33 durchgeführt werden, wird die Amplitude der beiden Empfängerspannungen U ermittelt. Durch eine ArcTan-Berechnung kann aus diesen beiden Amplituden die Phasenlage der Abtastvorrichtung 20 gegenüber der Maßverkörperung 11 ermittelt werden.
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Aus der genannten Phasenlage wird ein Positionssignal 34 synthetisiert, welches wahlweise eines von verschiedenen standardisierten Formaten aufweisen kann. Hierbei ist insbesondere an analoge Sinus-/Cosinus-Signale, inkrementelle TTL-Signale oder digitale Absolutsignale gedacht. Soweit Analogsignale ausgegeben werden, weisen diese typischerweise einen kleineren zugrunde liegenden Teilungsabstand auf, als die Maßverkörperung 11. Anzumerken ist noch, dass sämtliche digitale Operationen der Auswertevorrichtung 35 von einem FPGA (field programmable gate array) ausgeführt werden, um die erforderliche Rechenleistung bereitzustellen.
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Im erfindungsgemäßen Testbetrieb ist der Schalter 24 geöffnet, so dass die Senderwindungsanordnung 21 nicht von Strom durchflossen wird und dementsprechend kein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Empfängerspannung U wird in diesem Betriebszustand hauptsächlich durch das Wärmerauschen, auch Johnson-Nyquist-Rauschen genannt, aufgrund des ohmschen Widerstands der Empfängerwindungsanordnung 30 verursacht. Die Empfängerwindungsanordnung 30 besitzt sehr viele Windungsumläufe, damit ihre Empfindlichkeit hoch ist. Dementsprechend hoch ist der ohmsche Widerstand und mithin das genannte Wärmerauschen. Es ist insbesondere so hoch, dass die Empfindlichkeit der AD-Wandler 32 ausreicht, um dieses zu digitalisieren. Gleichzeitig ist die Abtastrate der AD-Wandler 32 hoch genug, damit die digitalen Abtastwerte yi Informationen über die spektrale Zusammensetzung des Wärmerauschens enthalten.
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Jedem Messkanal ist eine erfindungsgemäße Rauschauswerteeinheit
40 zugeordnet, die jeweils identisch ausgeführt sind. Zunächst werden die Abtastwerte
yi mittels eines digitalen Bandpassfilters
41 gefiltert, so dass die weitere Auswertung auf Frequenzbereiche beschränkt ist, in denen keine Störsignale zu erwarten sind. Anschließend wird mit einem Rauschmaßbestimmungsmittel
42 ein Rauschmaß
R bestimmt, welches beispielsweise nach den Formeln
oder
berechnet werden kann. Hierbei ist N die Anzahl der in die laufende Berechnung einbezogenen Abtastwerte
yi . Anschließend wird mit einem Vergleichsmittel geprüft, ob die Bedingung
erfüllt ist oder nicht. Die Grenzwerte des Toleranzbereichs min und max können dabei wahlweise fest in die Auswertevorrichtung einprogrammiert oder nachträglich veränderbar sein, um eine Anpassung der Auswertevorrichtung an verschiedene Sensortypen zu ermöglichen. Die Grenzwerte min und max werden vorzugsweise durch Versuche ermittelt.
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Die Grenzwerte min und max können darüber hinaus temperaturabhängig korrigiert sein. Hierfür ist im Bereich der Empfängerwindungsanordnung
30 ein Temperatursensor
44 angeordnet, welcher die Temperatur der Empfängerwindungsanordnung
30 misst. Die Korrektur der Grenzwerte min und max erfolgt, indem diese mit folgendem Korrekturfaktor multipliziert werden:
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Dabei ist T die von dem Temperatursensor 44 gemessene Temperatur in Kelvin, wobei T0 die Temperatur ist, bei der die gespeicherten Grenzwerte min bzw. max nicht korrigiert werden müssen.
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Als Anzeigemittel 45 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eine Kontrollleuchte vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswertevorrichtung 35 einen Fehlersignalanschluss aufweisen, an dem ein entsprechendes Fehlersignal ausgegeben wird, welches von einer übergeordneten Steuerung verarbeitet werden kann. Weiter kann das Positionssignal 34 auf einen Zustand gesetzt werden, der eine Fehlfunktion der Positionsmessvorrichtung 10 anzeigt.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung, wobei nur eine der Rauschauswerteeinheit 40 dargestellt ist. Die zweite Ausführungsform ist im Übrigen identisch zur ersten Ausführungsform nach 1 ausgeführt, so dass auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann. Die Rauschauswerteeinheiten 40 für beide Messkanäle sind wiederum identisch ausgeführt.
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Die zweite Ausführungsform kommt bevorzugt dann zur Anwendung, wenn der Haupt-AD-Wandler 32 nicht über eine genügend große Abtastfrequenz verfügt, um das Rauschmaß R vollständig digital zu bestimmen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Empfängerspannung phasensynchron abgetastet wird. Hierbei wird die Empfängerspannung U synchron zu dem in die Senderwindungsanordnung eingespeisten Wechselstrom abgetastet. Die Abtastwerte yi sind damit immer auf eine vorgegebene Phasenlage, vorzugsweise dem Betragsmaximum, der Empfängerspannung U bezogen. Damit wird die für die Positionsbestimmung erforderliche Amplitude der Empfängerspannung U bereits direkt bei der AD-Wandlung ermittelt.
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Die ggf. verstärkte Empfängerspannung U wird daher einem analog arbeitenden Gleichrichter 46 zugeführt, der rein beispielhaft als Brückgleichrichter dargestellt ist. Anschließend wird die gleichgerichtete Spannung tiefpassgefiltert 47. Der Tiefpassfilter 47 ist wiederum rein beispielhaft als RC-Tiefpass dargestellt. Das so gewonnene analoge Rauschmaß R wird nun mit den Grenzwerten min und max des zulässigen Toleranzbereichs verglichen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies digital unter Verwendung eines gesonderten Rausch-AD-Wandlers 48. Der Vergleich kann aber genau so gut rein analog durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- λ
- Teilungsabstand
- R
- Rauschmaß
- yi
- Abtastwert
- U
- Empfängerspannung
- 10
- Positionsmessvorrichtung
- 11
- Maßverkörperung
- 12
- Messmarkierung
- 20
- Abtastvorrichtung
- 21
- Senderwindungsanordnung
- 22
- Senderfläche
- 23
- Senderstromquelle
- 24
- Schalter
- 30
- Empfängerwindungsanordnung
- 31
- Empfängerspulenpaar
- 32
- (Haupt-)AD-Wandler
- 33
- Positionsbestimmungsmittel
- 34
- Positionssignal
- 35
- Auswertevorrichtung
- 40
- Rauschauswerteeinheit
- 41
- Filter
- 42
- Rauschmaßbestimmungsmittel
- 43
- Vergleichsmittel
- 44
- Temperatursensor
- 45
- Anzeigemittel
- 46
- Gleichrichter
- 47
- Tiefpassfilter
- 48
- Rausch-AD-Wandler
