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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Positionsmessung und von Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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In der Patentschrift
US 3 898 555 A ist eine Positionsmessvorrichtung beschrieben, die einen Wellenleiter mit magnetostriktiven Eigenschaften aufweist. Der Wellenleiter wird mit Stromimpulsen beaufschlagt, die zu einem Magnetfeld führen, dessen Feldlinien konzentrisch im Wellenleiter verlaufen und den Wellenleiter außen konzentrisch umgeben. Benachbart zum Wellenleiter ist ein verschiebbarer Permanentmagnet vorgesehen, dessen Pole derart angeordnet sind, dass der Magnet ein örtlich begrenztes, hauptsächlich in axialer Richtung innerhalb des Wellenleiters verlaufendes Magnetfeld verursacht. Der Permanentmagnet ist an demjenigen Objekt angeordnet, dessen Position oder Bewegung gemessen werden soll. Die im Bereich des Magnetfelds des Permanentmagneten örtlich begrenzte Überlagerung mit dem zirkularen, während des Stromimpulses auftretenden Magnetfeld führt zu einer örtlich begrenzten Änderung des resultierenden Magnetfeldes, die aufgrund des magnetostriktiven Effekts eine Längenänderung des Wellenleiters verursacht, die sich als Schallwelle in beiden Richtungen bewegt. An einem Ende des Wellenleiters ist ein Dämpfungselement angeordnet, welches die dort auftreffende Welle absorbiert und eine Reflexion verhindert. Am anderen Ende des Wellenleiters ist eine Wellenerfassungsvorrichtung angeordnet, welche die Schwingung des Wellenleiters erfasst und in Signale umsetzt. Die Signale werden einer Signalbewertungsanordnung zugeführt, die aus der Laufzeit der Welle die Position des Permanentmagneten und des damit verbundenen Objekts ermittelt.
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Aufgrund der erforderlichen zeitlichen Abstände zwischen den Stromimpulsen muss bei einem bewegten, mit dem Permanentmagneten verbundenen Objekt damit gerechnet werden, dass die tatsächliche Position des Objekts nicht mehr mit der gemessenen Position übereinstimmt. Bei der in der Patentschrift 10 2004 025 388 B4 beschriebenen magnetostriktiven Positions- und Bewegungsmessvorrichtung ist zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen zeitdiskreten Messverfahren eine kontinuierlich messende Positionsvorrichtung vorgesehen, die eine zeitlich höher aufgelöste und damit genauere Positionsmessung bei entsprechend erhöhtem Aufwand ermöglicht.
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In der Offenlegungsschrift
DE 101 64 121 A1 wird zur Erhöhung der Genauigkeit ein anderer Weg beschritten. Die Erhöhung der Messgenauigkeit wird dadurch erzielt, dass eine Vielzahl von Positionen und von Stromimpulskorrekturwerten einander zugeordnet werden und dass in Abhängigkeit von der ermittelten Position des Permanentmagneten und aus dem aus der Tabelle zugehörigen Stromimpulskorrekturwert die Dauer des nächsten Stromimpulses verändert wird. Diese Vorgehensweise beruht auf der Erkenntnis, dass die Eigenschaften der entstehenden Welle, welche die Messgenauigkeit beeinflussen, von der Dauer des Stromimpulses abhängen.
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In der nicht vorveröffentlichten Anmeldung
DE 10 2010 008 495.6 ist eine Vorgehensweise zur Positionsmessung eines Objekts mittels einer auf dem magnetostriktiven Effekt beruhenden Vorrichtung beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass das Stromsignal mit einer gezielt vorgegebenen Stromimpulsanstiegsflanke beginnt, deren zeitlicher Verlauf derart festgelegt ist, dass in der Wellenerfassungsvorrichtung keine oder nur eine sehr kleine Welle detektiert wird und dass erst im Anschluss an die Stromimpulsanstiegsflanke derjenige Anteil des Stromimpulses bereitgestellt wird, der zum Entstehen einer detektierbaren Welle führen soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf dem magnetostriktiven Effekt beruhendes Verfahren zur Positionsmessung und Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die ein hohes Signal-/Rausch-Verhältnis ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Verfahrensanspruch und in nebengeordneten Vorrichtungsansprüchen angegebenen Merkmale jeweils gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsmessung eines Objekts mit einem ferromagnetischen magnetostriktiven Wellenleiter geht davon aus, dass entlang dem Wellenleiter ein dem Objekt zugeordneter Positionsgebermagnet bewegt wird, dass eine Torsionswelle aus der Überlagerung des Positionsgebermagnetfelds mit einem von einem Stromimpuls verursachten Elektromagnetfeld entsteht, wobei das Elektromagnetfeld eine orthogonal zum Positionsgebermagnetfeld stehende Magnetfeldkomponente aufweist, dass Torsionselemente maximaler Amplitude auftreten, wenn der Betrag des Positionsgebermagnetfeldes und der Betrag der orthogonalen Elektromagnetfeldkomponente gleich groß sind, und dass die Position des Objekts aus der Laufzeit der Torsionswelle in Richtung einer Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung ermittelt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der zeitliche Verlauf des Stromimpulses in Abhängigkeit von der Laufzeit der Torsionselemente maximaler Amplitude gezielt derart festgelegt wird, dass sich die in Richtung der Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung laufenden Torsionselemente maximaler Amplitude zu einer höheren Summenamplitude überlagern.
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Bei bekannter Laufzeit der Torsionswelle beziehungsweise der die Torsionswelle bildenden Torsionselemente maximaler Amplitude kann der zeitliche Stromverlauf derart optimiert werden, dass sich die Torsionselemente maximaler Amplitude möglichst am gleichen Ort überlagern und im Idealfall eine Amplitude formen, welche der Summe der Amplituden der Torsionselemente entspricht. Der optimale Stromverlauf kann hierbei beispielsweise experimentell ermittelt werden.
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Durch die optimierte hohe Summenamplitude der Torsionswelle und das entsprechend hohe Signal-/Rausch-Verhältnis können das Maximum der Torsionswelle und damit die zu bestimmende Position mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Konstruktive Änderungen der an sich bekannten Positionsmessvorrichtung sind nicht notwendig.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise liegt damit darin, dass nur eine Änderung des zeitlichen Stromverlaufs erforderlich ist, die mit vergleichsweise geringem Aufwand durchgeführt werden kann.
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Das verbesserte Signal-/Rausch-Verhältnis kann weiterhin zur einfacheren Realisierung der Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung genutzt werden, sodass bei vergleichbarer Genauigkeit wie bisher die Positionsmessvorrichtung kostengünstiger realisiert werden kann.
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In der vorliegenden Anmeldung werden ein Verfahren zur Positionsmessung beziehungsweise eine Positionsmessvorrichtung beschrieben. Selbstverständlich sind ein Bewegungsmessverfahren beziehungsweise eine Bewegungsmessvorrichtung eingeschlossen, denn die Bewegung, beispielsweise eine gleichförmige oder beschleunigte Bewegung des Objektes, kann aus mehreren zeitlich nacheinander erfassten Positionen ermittelt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsmessung sind Gegenstände der abhängigen Verfahrensansprüche.
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Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen führen jeweils sämtliche erforderlichen Verfahrensschritte aus.
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Die Schaltungsanordnungen betreffen unterschiedliche diskrete Realisierungen zur Bereitstellung des Stromimpulses, die besonders einfach und damit kostengünstig sind.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsmessung und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen zur Positionsmessung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es zeigen:
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1 eine Positionsmessvorrichtung,
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2 eine Darstellung der Überlagerung von Torsionselementen maximaler Amplitude, die in eine erste Richtung laufen,
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3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Bereitstellung eines Stromimpulses,
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4 eine detaillierte Darstellung einer Stromimpulsabfallflanke, die mit diskreten Stromwerten realisiert ist,
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5 eine Darstellung der Überlagerung von Torsionselementen maximaler Amplitude, die in die zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung laufen,
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6 eine Darstellung von Torsionselementen maximaler Amplitude, die in die zweite Richtung laufen und sich nicht überlagern und
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7 bis 10 verschiedene Ausgestaltungen von Schaltungsanordnungen zur Bereitstellung eines Stromimpulses.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Positionsmessvorrichtung 10, welche die Position eines Objekts 12 in Bezug auf einen Wellenleiter 14 ermittelt. Dem Objekt 12 ist ein Positionsgebermagnet 16 zugeordnet, der von einem Positionsgebermagnetfeld 18 umgeben ist, in welchem der Wellenleiter 14 angeordnet ist. Der Positionsgebermagnet 16 kann als Permanentmagnet oder als Elektromagnet realisiert sein.
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An einem Ende des Wellenleiters 14 ist eine Dämpfungsvorrichtung 20 und am anderen Ende des Wellenleiters 14 eine Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 angeordnet. Die Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22, die eine Spule 24 enthält, ist Teil einer signalverarbeitenden Anordnung 26, die weiterhin eine Startsignal-Bereitstellung 28, eine Schaltungsanordnung 30 zum Bereitstellen eines Stromimpulses Im sowie eine Torsionswellenlaufzeit-Ermittlung 32 aufweist.
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Die Startsignal-Bereitstellung 28 stellt sowohl der Schaltungsanordnung 30 als auch der Torsionswellenlaufzeit-Ermittlung 32 ein Startsignal 34 zur Verfügung. Die Schaltungsanordnung 30 erzeugt im Wellenleiter 14 den Stromimpuls Im, der ein Elektromagnetfeld 36 erzeugt. Die Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 stellt der Torsionswellenlaufzeit-Ermittlung 32 ein Stoppsignal 38 zur Verfügung, welche ihrerseits ein Positionssignal 40 bereitstellt.
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Die Positionsmessung beruht auf einer Laufzeitmessung einer im Wellenleiter 14 gezielt hervorgerufenen mechanischen Torsionswelle. Die Torsionswelle entsteht aufgrund des magnetostriktiven Effekts, den ein elektrisch leitfähiger ferromagnetischer Wellenleiter 14 aufweist. Die Torsionswelle entsteht im Wellenleiter 14 im Bereich des Positionsgebermagnetfelds 18, welches sich mit dem Elektromagnetfeld 36 überlagert. An Positionen, bei denen das Elektromagnetfeld 36 eine orthogonal zum Positionsgebermagnetfeld 18 stehende Magnetfeldkomponente aufweist, treten Torsionselemente auf. Betragsmäßig maximale Torsionselemente treten dann auf, wenn der Betrag des Positionsgebermagnetfeldes 18 und der Betrag der orthogonalen Elektromagnetfeldkomponente gleich groß sind.
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Eine Mehrzahl von Torsionselementen bilden die Torsionswelle, wobei sich eine Torsionswelle in eine erste Richtung 42 bewegt, die zur Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 zeigt und gleichzeitig eine Torsionswelle in eine zweite Richtung 44 bewegt, die in Richtung der Dämpfungsvorrichtung 20 zeigt. Torsionswellen entstehen nur bei einer Änderung des vom Stromimpuls Im verursachten magnetischen Flusses. Die zeitliche Änderung muss eine bestimmte Änderungsgeschwindigkeit aufweisen, wenn eine eindeutig detektierbare Welle entstehen soll. Die Laufzeit der Torsionswelle liegt in Abhängigkeit vom Material des Wellenleiters 14 beispielsweise bei 2800 bis 3000 m/s, sodass je nach Messbereich Laufzeiten der Torsionswelle erwartet werden können, die im μs-Bereich bis ms-Bereich liegen.
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Die Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 kann mit einer einfachen um den Wellenleiter 14 gewickelten Spule 24 realisiert werden. Die in die Spule 26 einlaufende Torsionswelle verursacht aufgrund des umgekehrten magnetostriktiven Effekts eine Änderung des Magnetfelds im Bereich der Spule 24, die eine Spannung in der Spule 24 induziert, die zur Messung der Laufzeit der Torsionswelle erfasst wird.
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Die Startsignal-Bereitstellung 28 löst einen Positionsmessvorgang mit der Bereitstellung des Startsignals 34 aus. Das Startsignal 34 veranlasst die Schaltungsanordnung 30 zur Bereitstellung eines in 2 näher gezeigten Stromimpulses Im, wobei in 2 anstelle der Stromstärke, welche im Bereich von 2 bis 3 A liegen kann, die aus dem Strom resultierende magnetische Induktion B (I [t]) des Elektromagnetfeldes 36 eingetragen ist.
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Im Folgenden wird die Vorgehensweise exemplarisch im Zusammenhang mit der Stromimpulsabfallflanke 50 beschrieben. Optimiert werden können ebenfalls zusätzlich oder alternativ die Stromimpulsdauer und insbesondere die Stromanstiegsflanke.
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Die Werte der Induktion B (I [t]) des Elektromagnetfeldes 36 während der Stromimpulsabfallflanke 50 sind zu bestimmten exemplarisch ausgewählten Zeitpunkten t1–t7 hervorgehoben und mit unterschiedlichen Symbolen gekennzeichnet.
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In 2 ist neben der magnetischen Induktion B (I [t]) des Elektromagnetfeldes die magnetische Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfeldes 18 eingetragen, die sich über eine bestimmte Strecke s des Wellenleiters 14 erstreckt, wobei der Feldverlauf im Wellenleiter 14 insbesondere von der Form des Positionsgebermagneten 16, der Ausrichtung und dem Abstand zum Wellenleiter 14 abhängt. Das Positionsgebermagnetfeld 18 erstreckt sich beispielsweise über eine Strecke s von 2 cm, wobei die Amplitude des Positionsgebermagnetfelds 18 beispielsweise 6 mT betragen kann.
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Die Werte der Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfeldes 18 sind bei bestimmten Positionen p1–p7 während der Feldanstiegsflanke 51 hervorgehoben. Die an den Positionen p1–p7 zu den Zeitpunkten t1–t7 entstehenden Torsionselemente 52 – 57 sind mittels den einzelnen Zeitachsen t1–t7 zeitaufgelöst dargestellt. Die Torsionselemente 52–57 sind mit denselben Symbolen eingetragen wie die Werte der Induktion B (I [t]) des Elektromagnetfeldes 36 zu den korrespondierenden Zeitpunkten t1–t7, um den Bezug zueinander zu verdeutlichen.
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Eingetragen sind diejenigen Torsionselemente 52–58, die im Wellenleiter 14 in die erste Richtung 42 laufen, die zur Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 zeigt. Selbstverständlich laufen die Torsionselemente 52–58 ebenso in die zweite Richtung 44, die in Richtung der Dämpfungsvorrichtung 20 zeigt.
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Auch bei der nicht näher hervorgehobenen Feldabfallflanke 59 der magnetische Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfeldes 18 treten Torsionselemente auf, die ebenfalls in beide Richtungen 42, 44 laufen. Die Ausrichtung der Torsionselemente ist jedoch entgegengesetzt zu der Ausrichtung der an der Feldanstiegsflanke 51 entstehenden Torsionselemente 52–58, weil die magnetische Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfeldes 18 nunmehr abnimmt.
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Die bei Positionen der Feldabfallflanke 59 der magnetischen Induktion B (pos) des Permanentmagnetfeldes 18 entstehenden Torsionselemente, die in die zweite Richtung 44 laufen, werden in der Dämpfungsvorrichtung 20 weitgehend absorbiert. Auf diese Torsionselemente wird weiter unten im Rahmen der Beschreibung zu 5 noch näher eingegangen. Die Amplituden der Torsionselemente 52–58 werden maximal bei Positionen p1–p7, bei denen die Feldstärke des Elektromagnetfeldes 36 betragsmäßig gleich groß wird wie die Feldstärke des Positionsgebermagnetfeldes 18, wobei beide Feldkomponenten senkrecht aufeinander stehen, sodass die Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 jeweils einen Winkel von 45° mit den beiden Feldkomponenten bilden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den zeitlichen Verlauf des Stromimpulses Im in Abhängigkeit von der Laufzeit der maximalen Torsionselemente 52–58 derart festzulegen, dass sich die in die erste zur Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 zeigenden Richtung 42 laufenden Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 zu einer höheren Summenamplitude überlagern. In 2 ist die Überlagerung ideal angenommen und durch eine Addition der einzelnen Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 dargestellt.
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Bei bekannter Laufzeit der Torsionswelle kann der zeitliche Verlauf des Stromimpulses Im, in 2 gezeigt an der Stromimpulsabfallflanke 50 derart optimiert werden, dass sich die Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 möglichst an der Position p1–p7 des jeweils neu entstehenden Torsionselements maximaler Amplitude 52–58 überlagern und im Idealfall eine Amplitude bilden, welche der Summe der Amplituden der einzelnen überlagerten Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 entspricht.
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Der optimale zeitliche Verlauf der Stromimpulsabfallflanke 50 kann experimentell ermittelt werden. Hierzu werden die Zeitdauer und die Form der Stromimpulsabfallflanke 50 variiert, bis die größtmögliche Summenamplitude der überlagerten Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 erzielt ist.
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Eine Realisierungsmöglichkeit zur Ermittlung des optimalen Stromimpulses Im ist in 3 gezeigt. Eine Stromquelle 60 ist in der Lage, die benötigten Ströme I1–In zu liefern. Die Ströme I1–In werden zu den von einem Zeitgeber 61 vorgegebenen Zeitpunkten t1–tn eingestellt. Die Anzahl der Zeitpunkte t1–tn ist identisch mit der Anzahl der Ströme I1–In. In 4 ist ein zeitlicher Verlauf des Stroms I(t) eingetragen, welcher zu den bestimmten Zeitpunkten t1–tn die entsprechenden Ströme I1–In aufweist. Der Zeitgeber 61 zur Auswahl der Ströme I1–In kann prinzipiell im Rahmen eines Lernbetriebs manuell zur Festlegung der Zeitpunkte t1–tn gesteuert werden. Vorzugsweise ist ein Lernalgorithmus vorgesehen, der die Feldabfallflanke 50 im Rahmen einer Iteration selbstständig optimiert.
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Prinzipiell kann die Optimierung auf zwei Arten erfolgen. Eine erste Möglichkeit sieht vor, dass die Ströme I1–In in Abhängigkeit von der in der Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 gemessenen Torsionswellenamplitude festgelegt werden, derart, dass ein solcher Strom I1–In vorgegeben wird, der zu einer maximalen Summenamplitude der überlagerten Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 führt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Zeitpunkte t1–tn in Abhängigkeit von der in der Torsionswellen-Erfassungsvorrichtung 22 gemessenen Torsionswellenamplitude festgelegt werden, derart, dass ein solcher Zeitpunkt t1–tn vorgegeben wird, der zu einer maximalen Summenamplitude der überlagerten Torsionselemente 52–58 führt. Bei einer Dauer des Stromimpulses Im von beispielsweise 5 μs können Zeitpunkte t1–tn vorgegeben werden, deren Abstände bei beispielsweise 50 ns–100 ns liegen.
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Die beschriebene Optimierung der Stromimpulsabfallflanke 50 kann ohne Kenntnis des örtlichen Verlaufs der magnetischen Induktion B (I [t]) des Positionsgebermagnetfelds 18 erfolgen. Vorteilhaft ist jedoch die Kenntnis des örtlichen Verlaufs. Dann kann der zeitliche Verlauf der Stromimpulsabfallflanke 50 in Abhängigkeit vom örtlichen Verlauf der Feldanstiegsflanke 51 der magnetischen Induktion B (I [t]) des Positionsgebermagnetfelds 18 erfolgen. Die Vorgehensweise ist unmittelbar aus 2 ersichtlich. Ausgehend von der Krümmung der Feldanstiegsflanke 50 des Positionsgebermagnetfelds 18 ist die Krümmung der Stromimpulsabfallflanke 50 festzulegen. Aus 2 ist weiterhin ersichtlich, dass die Amplitude der magnetischen Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfelds 18 mit der Amplitude der magnetischen Induktion B (I [t]) des Elektromagnetfeldes 18 nach entsprechender Umrechnung in Kenntnis der Geschwindigkeit der Torsionswelle korrespondiert, weil dann Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 über den gesamten Verlauf des Stromimpulsabfalls 50 entstehen können.
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5 zeigt die Entstehung der Torsionswelle, die sich aus der Überlagerung von Torsionselementen maximaler Amplitude 52'–58' ergibt, welche in die zweite Richtung 44 laufen, die in Richtung der Dämpfungsvorrichtung 20 zeigt. Die Orientierung der Torsionselemente maximaler Amplitude 52'–58' ist aufgrund der betragsmäßigen Abnahme der magnetischen Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfelds 18 entgegengesetzt zu der Orientierung der in 2 gezeigten Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58.
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Der örtliche Verlauf der magnetischen Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfelds 18 und der zeitliche Verlauf der magnetischen Induktion B (I [t]) des Elektromagnetfelds 36 sollen identisch sein mit den in 2 gezeigten Verläufen. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass die Feldabfallflanke 59 der magnetischen Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfelds 18 spiegelsymmetrisch zur Feldanstiegsflanke 51 ist. In diesem Fall stimmen die Zeitpunkte t1–t7 von 2 mit den Zeitpunkten t1–t7 von 5 überein. Die zum siebten Zeitpunkt t7 auftretende Summenamplitude spiegelt die Auslenkung der in die zweite Richtung 44 laufende Torsionswelle wider, die in der Dämpfungsvorrichtung 20 bestmöglich absorbiert und vernichtet werden soll.
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Eine Erhöhung des Signalrauschens beziehungsweise eine Verschlechterung des Signal-/Rausch-Verhältnisses kann durch diese in die zweite Richtung 44 laufende Torsionswelle sowie die nicht vollständig unterdrückte reflektierte Torsionswelle auftreten. Gemäß einer Ausgestaltung ist deshalb vorgesehen, dass der örtliche Verlauf der Feldabfallflanke 59 der magnetischen Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfelds 18 gegenüber dem örtlichen Verlauf der Feldanstiegsflanke 51 derart geändert wird, dass sich die Torsionselemente maximaler Amplitude 52'–58' möglichst gleichmäßig verteilen und dadurch eine möglichst geringe Amplitude entsteht.
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Das Ziel wird durch eine Verkürzung oder Verlängerung des örtlichen Verlaufs der Feldabfallflanke 59 der magnetischen Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfelds 18 erreicht. Die Unsymmetrie kann beispielsweise durch ein Verdrehen des Positionsgebermagneten 16 erreicht werden. Die sich ergebenden Verhältnisse bei einer Verlängerung der Feldabfallflanke 59 sind in 6 näher gezeigt, wobei exemplarisch von einer Verdoppelung der Strecke s des Abfalls der magnetischen Induktion B (pos) des Positionsgebermagnetfelds 18 ausgegangen wird. Zu den Zeitpunkten t1–t7 treten zwar die Torsionselemente maximaler Amplitude 52'–58' auf. Eine Überlagerung findet aufgrund des „Weglaufens” in die zweite Richtung 44 der bereits entstandenen Torsionselemente maximaler Amplitude 52'–58' nicht statt. Die in die zweite Richtung 44 laufende Torsionswelle weist daher nur eine maximale Auslenkung auf, die der Amplitude der einzelnen Torsionselemente maximaler Amplitude 52'–58' entspricht. Durch die geringe Auslenkung der in die zweite Richtung 44 laufenden Torsionswelle ist das durch diese Torsionswelle nach der Reflexion an der Dämpfung 20 zusätzlich verursachte Signalrauschen gering.
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In den 7 bis 10 sind Schaltungsvarianten gezeigt, die besonders geeignet sind, den optimalen Stromimpuls Im jeweils mit einfachen Mitteln bereitzustellen.
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Die Schaltungsanordnungen verkörpern die Endstufe der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 30 und der in 3 gezeigten Stromquelle 60.
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Ausgangspunkt ist der Wellenleiter 14, der als eine Last mit einem Widerstands- und Induktivitätsbelag beschrieben werden kann. Der Widerstandsbelag kann beispielhaft bei 10 Ohm/m und der Induktivitätsbelag bei 10 μH/m liegen.
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7 zeigt einen Pufferkondensator CP, der über einen Ladewiderstand RV auf die Betriebsspannung U aufgeladen wird. Die Reihenschaltung aus einer Ersatzinduktivität LW und einem Ersatzwiderstand RW, die dem elektrischen Ersatzschaltbild des Wellenleiters 14 entspricht, kann mittels eines Transistors TR an die Betriebsspannung U geschaltet werden. Gegenüber der bisherigen Vorgehensweise, bei welcher eine konstante Betriebsspannung U unabhängig von der Ausgestaltung des Wellenleiters 14 eingesetzt wurde, erfolgt erfindungsgemäß eine Abstimmung der Betriebsspannung U an die elektrischen Kenndaten RW, LW des Wellenleiters 14. Nach dem Einschalten des Transistors TR steigt der Strom an, wobei der Spitzenwert des Stromimpulses Im durch die Betriebsspannung U geteilt durch den Ersatzwiderstand RW und die Einschaltzeit durch die Ersatzinduktivität LW geteilt durch den Ersatzwiderstand RW gegeben ist. Bei den angegebenen Werten ergibt sich eine Einschaltzeit von ungefähr 5 μs.
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Der Transistor TR wird bei dieser Schaltungsanordnung im Schaltbetrieb betrieben, sodass eine geringstmögliche Verlustleistung auftritt. Anstelle des in 7 und den folgenden Figuren gezeigten Transistors TR können selbstverständlich andere schaltbare oder analog steuerbare Bauelemente eingesetzt werden, die in der Lage sind, den benötigten Strom zu führen.
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Die Betriebsspannung wird vorzugsweise derart vorgegeben, dass der Spitzenwert des Stromimpulses Im, der bei 2,5 A liegen kann, gerade noch erreicht wird. Damit wird insbesondere ein unerwünschtes Überschwingen vermieden. Die Betriebsspannung U liegt in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Wellenleiters 14, insbesondere in Abhängigkeit von der Länge des Wellenleiters 14, bei einigen Volt bis 200 Volt. Bereits durch diese einfache Maßnahme kann die Stromimpulsabfallflanke hinsichtlich der Steilheit derart beeinflusst werden, dass die Überlagerung der Torsionselemente maximaler Amplitude 52–58 herausgebildet werden kann.
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8 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der mit dem Gegenkopplungswiderstand RG eine Stromgegenkopplung erreicht wird. Die Betriebsspannung U kann in diesem Fall unabhängig von den elektrischen Kennwerten des Wellenleiters 14 fest vorgegeben werden, wobei die Einstellung des Stromes des Stromimpulses Im über die Vorgabe einer Steuerspannung US (t) erfolgt. Die Steuerspannung US (t) könnte mit einem digitalen Signal, mittels eines R-C-D-Netzwerks oder mittels eines Signalprozessors bereitgestellt werden.
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9 zeigt eine Weiterbildung der in 8 gezeigten Schaltungsanordnung, wobei ein bedämpfter R-D-Freilaufkreis vorgesehen ist, der eine Reihenschaltung aus einer Freilaufkreisdiode DF mit einem Bedämpfungswiderstand RF vorsieht. Damit kann die Stromimpulsabfallflanke 50 des Stromimpulses Im gezielt derart beeinflusst werden, dass ein exponentiell abklingender Stromabfall auftritt. Der R-D-Freilaufkreis ist parallel zum Wellenleiter 14 geschaltet.
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10 zeigt eine andere Weiterbildung der in 8 gezeigten Schaltungsanordnung, wobei ein R-C-D-Entlastungskreis vorgesehen ist, mit welchem ebenfalls die Stromimpulsabfallflanke 50 gezielt beeinflusst werden kann. Der R-C-D-Entlastungskreis ist parallel zum Transistor TR geschaltet, wobei der R-C-D-Entlastungskreis eine Reihenschaltung aus einer Entlastungskreisdiode DE und einem Entlastungskreiskondensator CE aufweist. Parallel zur Entlastungskreisdiode DE ist ein Entlastungskreiswiderstand RE geschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3898555 A [0002]
- DE 10164121 A1 [0004]
- DE 102010008495 [0005]
