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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetisch induzierten Wegmessung mit einem Differentialtransformator.
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Differentialtransformatoren sind spezielle Transformatoren, die für die magnetisch induzierte Wegmessung eingesetzt werden. Solche Differentialtransformatoren bestehen in der Regel aus einer Erregerspule, im Folgenden auch als Primärspule bezeichnet, sowie zwei Sekundärspulen. Die Spulen sind miteinander magnetisch gekoppelt. Durch Anregung der Primärspule wird in den Sekundärspulen eine elektrische Spannung induziert.
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Die bisherige Betriebsweise eines Differentialtransformators erfolgt durch eine Anregung der Primärspule und einer Auswertung der analogen Signale der beiden sekundären Spulen. Die primäre Spule wird dazu mit einem sinusförmigen Signal angeregt und die übergekoppelte Spannung der sekundären Spulen gemessen. Die Höhe der Spannung an den sekundären Spulen ist abhängig von der Stellung eines zwischen den Spulen mechanisch beweglichen Eisenkerns, der somit den verfahrenen Weg widerspiegelt. Befindet sich dieser in der Mittellage zwischen den sekundären Spulen, so ist die Anordnung symmetrisch und die Spannung der Sekundärspulen hebt sich gegenseitig auf, es liegt folglich kein Ausgangssignal an. Bei einer Verschiebung des Kerns entstehen unterschiedliche Ausgangsspannungen an den Sekundärspulen. Diese Spannungen sind erfassbar und zur Lagebestimmung des Eisenkerns auswertbar.
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Für die nachfolgende Auswertung der induzierten Spannung in den Sekundärspulen wurden diese bisher aufwendig gleichgerichtet, über einen Analog-Digitalwandler gemessen und anschließend verarbeitet.
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Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass die Verwendung und Integration von analogen Komponenten zur Auswertung der Ausgangssignale an den Sekundärspulen sehr kostenintensiv ist. Zudem wird durch den notwendigen Analog-Elektronikaufwand ein erheblicher Platzbedarf beansprucht.
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Die voranstehend beschriebenen Kriterien spielen insbesondere für luftfahrttechnische Randbedingungen eine übergeordnete Rolle, da hier Bauraum und Gewicht wertvoll ist.
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Zudem wirkt sich bei dem voranstehend beschriebenen Verfahren der Offset behaftete Ausgang in der Mittelstellung des Eisenkerns des Differentialtransformators nachteilig aus. Da in dieser Stellung die Ausgangsamplitude des abgegriffenen Signals an den Sekundärspulen sehr gering ist, ist eine nachfolgende Auswertung kompliziert und oftmals unzuverlässig, da die Auswerteelektronik sensibel auf niedrige Amplitudenwerte reagieren muss.
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Ziel der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Auswerteverfahren für die magnetisch induzierte Wegmessung sowie eine entsprechende Vorrichtung hierzu aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden abhängigen Ansprüche.
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Gemäß Anspruch 1 wird demnach ein Verfahren zur magnetisch induzierten Wegmessung, insbesondere Weglängenmessung, vorgeschlagen, das einen bekannten Differentialtransformator verwendet. Unter den Begriff Wegmessung fällt neben der Weglängenmessung auch eine Drehwinkelmessung.
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Erfindungsgemäß erfolgt der Betrieb des bekannten Differentialtransformators richtungsverkehrt. In diesem Fall werden wenigstens zwei Sekundärspulen des Differentialtransformators mit elektrischen Signalen angeregt und eine Signalauswertung zur Wegmessung erfolgt über einen Signalabgriff am Ausgang einer Primärspule. Notwendigerweise werden wenigstens zwei Sekundärspulen mit unterschiedlichen elektrischen Signalen angeregt. Zweckmäßig unterscheiden sich die verwendeten Anregungssignale lediglich in einem einzigen Signalparameter. Grundsätzlich können sich aber auch mehr Signalparameter unterscheiden.
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Damit wird je nach Stand des Eisenkerns des Differentialtransformators das Anregungssignal der ersten bzw. der zweiten Sekundärspule stärker auf die primäre Spule gekoppelt. Eine Auswertung des induzierten Signals an der Primärspule lässt einen Rückschluss auf die jeweilige Stellung des verwendeten Eisenkerns zu.
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Vorzugsweise erfolgt die Auswertung des am Ausgang der Primärspule abgegriffenen Signals digital. Der erfindungsgemäße Betrieb des Differentialtransformators über eine richtungsverkehrte Funktion bietet die Möglichkeit, auf die platz- und kostenintensive Analog-Elektronik zu verzichten und statt dessen eine digitalisierte Auswertung der abgegriffenen Signale vorzunehmen. Insbesondere kann auf Gleichrichter bzw. Analog-Digitalwandler verzichtet werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die wenigstens zwei Sekundärspulen mit zueinander phasenverschobenen Signalen angeregt. Die übrigen Signalparameter, wie beispielsweise Amplitude oder Frequenz stimmen vorzugsweise überein.
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Die Phasenverschiebung bzw. wenigstens ein Anregungssignal ist der Auswerteelektronik bekannt. Je nach Lage des verwendeten Eisenkerns wird das erste oder zweite Signal der Sekundärspulen stärker auf die primäre Spule gekoppelt. Anhand der Phasenlage des abgegriffenen Signals am Ausgang der primären Spule kann die aktuelle Position des Eisenkerns bestimmt werden.
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Besonders vorteilhaft werden die Sekundärspulen mit unterschiedlichen Signalen angeregt, die eine gegenseitige Phasenverschiebung φ mit φ ≠ 0, idealerweise mit φ = 90° aufweisen. Wird der Eisenkern bewegt, so ergibt sich am Ausgang eine Phasenverschiebung zwischen 0° bzw. φ gegenüber wenigstens einem der Anregungssignale.
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Es ist zweckmäßig, dass am Ausgang der Primärspule eine Phasenauswertung des induzierten Signals bezüglich eines Referenzsignals erfolgt. Besonders bevorzugt dient als Referenzsignal wenigstens eines der Anregungssignale.
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Besonders bevorzugt umfasst die Auswertung in einem ersten Schritt einen Vergleich des Signals am Ausgang der Primärspule mit wenigstens einem Referenzsignal, insbesondere mit wenigstens einem Anregungssignal der Sekundärspulen. Mittels der Vergleichsoperation kann auf eine entsprechende Phasenverschiebung des Ausgangssignals gegenüber einem Referenzsignal geschlossen werden.
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Idealerweise werden zur Signalauswertung ein oder mehrere Komparatoren verwendet. Insbesondere kommt für die Auswertung der Phaseninformation am Ausgang der Primärspule ein Komparator zum Einsatz, welcher die ursprünglichen Signale mit dem phasenverschobenen Signal der primären Spule vergleicht. Die Auswertung der digitalen Ausgangssignale des wenigstens einen Komparators erfolgt dann vorteilhafterweise mittels eines FPGA oder eines Mikrocontrollers.
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Als Auswertealgorithmen kommen alle bekannten Phasendetektionsverfahren in Betracht, insbesondere phasenempfindliche Gleichrichter. Damit ergibt sich eine Reduzierung der benötigten analogen Bauelemente. Die Erfindung stellt eine besonders kostengünstige Alternative gegenüber herkömmlichen Auswertungen von magnetisch induzierten Wegmessverfahren dar.
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Es kann notwendig sein, dass der FPGA und bzw. oder der Mikrocontroller die Anregung der Sekundärspulen übernehmen, d. h. eine entsprechende Signalgenerierung steuern.
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Die Anregung wenigstens einer Sekundärspule erfolgt in vorteilhafter Weise durch ein sinusförmiges Signal. Verwendet man eine Phasendifferenz zwischen den beiden Anregungssignalen der Sekundärspulen, so erfolgt die Anregung einer ersten Sekundärspule mittels eines sinusförmigen Signals und die Anregung einer zweiten Sekundärspule mittels eines cosinusförmigen Signals.
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Die Erzeugung wenigstens eines Anregungssignals, insbesondere eines sinusförmigen Signals, kann durch Verwendung eines Digital-Analogwandlers erfolgen. Alternativ oder zusätzlich besteht die Möglichkeit, wenigstens ein Anregungssignal auf Basis eines pulsweiten modulierten Signals (PWM) zu erzeugen.
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Alternativ kann die Anregung wenigstens einer Sekundärspule mit einem weißen Rauschsignal erfolgen. Andere Rauschsignale sind denkbar, wie beispielsweise digitales Rauschen.
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Zur Anregung der wenigstens einen zweiten Sekundärspule kann ein identisches, zu dem Anregungssignal der wenigstens einen ersten Sekundärspule zeitverschobenes Signal verwendet werden. Die Auswertung der Stellung des Eisenkerns erfolgt hier durch eine Korrelation der Anregungssignale zu dem Ausgangssignal der Primärspule oder durch eine gewichtete Bewertung der Anregungssignale zu dem Ausgangssignal der primären Spule.
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Das neue Auswerteverfahren verspricht eine kostengünstige Auswertung der bereitgestellten Informationen des Differentialtransformators und kann ohne mechanische Modifikationen an bekannten Differentialtransformatoren implementiert werden. Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens wird durch die resultierende Amplitude der induzierten Ausgangsspannung der Primärspule geboten, welche über den gesamten Messbereich nahezu konstant bleibt. Dies bietet gerade im Bereich der Mittelstellung des Eisenkerns einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Messverfahren, da eine entsprechende sensible Auswerteelektronik zur Auswertung der oftmals sehr geringen und schwer auswertbaren Signale überflüssig ist.
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Der verwendete Differentialtransformator kann beispielsweise ein „linear variable differential transformer” (LVDT) sein, der eine Längenmessung einer Wegstrecke ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann der Differentialtransformator ein „rotary variable differential transformer” (RVDT) sein, der die Messung eines Drehwinkels ermöglicht. Die Funktionsweise beider vorgestellter Transformatoren ist identisch bzw. ähnlich, weshalb das erfindungsgemäße Verfahren ohne vorherige Modifikationen auf beiden Bauteilen bzw. mit Hilfe beider Bauteile ausführbar ist. In jedem Fall erfolgt eine richtungsverkehrte Ansteuerung des verwendeten Differentialtransformators.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur magnetisch induzierten Wegmessung. Je nach Art des verwendeten Differentialtransformators eignet sich die Messvorrichtung zur Weglängenmessung bzw. Wegdrehwinkelmessung. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst dabei Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. zur Durchführung einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile und Eigenschaften der Messvorrichtung entsprechen daher offensichtlich denen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem die Verwendung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Luftfahrzeug. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung der Messvorrichtung zur Ermittlung des Stellweges wenigstens eines Stellzylinders bzw. alternativ oder ergänzend zur Ermittlung des Verfahrweges wenigstens einer beliebigen Luftfahrzeugkomponente. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung, die vorwiegend auf digitale Bauteile setzt, ist besonders kostengünstig und platzsparend.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines möglichen Aufbaus der Messvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Betrieb des verwendeten LVDTs 10 erfolgt in richtungsverkehrter Funktion, d. h. durch eine Anregung der beiden sekundären Spulen mit den beiden Signalen 20, 30, die zueinander eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen. Die primäre Spule des LVDTs 10 dient als Ausgang des Sensors.
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Die Anregung der ersten Sekundärspule erfolgt beispielsweise über ein sinusförmiges Signal 20 mit der Amplitude A und der Kreisfrequenz ω. Das zweite Anregungssignal 30 ist um φ ≠ 0, idealerweise um 90° gegenüber dem ersten Signal 20 phasenverschoben – andere Phasenverschiebungen sind zugelassen – und entspricht somit idealerweise einem cosinusförmigen Signal mit der Amplitude A und der Kreisfrequenz ω.
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Je nach Stand des Eisenkerns des LVDTs 10 wird entweder das erste Signal 20 oder das zweite Signal 30 stärker auf die primäre Spule des LVDTs 10 gekoppelt. Wird der Eisenkern bewegt, ergibt sich am Ausgang ein Sinussignal mit der Amplitude B und einer Phasenverschiebung θ, die in Abhängigkeit der Eisenkernstellung im Bereich zwischen 0° ≤ θ ≤ φ liegt. In der Mittelstellung des LVDTs 10 ist eine Phasedifferenz von θ = φ/2 auswertbar.
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Die Auswertung der Phaseninformation erfolgt über den Komparator 50, welcher die ursprünglichen Signale 20, 30 mit dem phasenverschobenen Signal 40 der primären Spule vergleicht. Die Auswertung der digitalen Signale 70 am Ausgang des Komparators 50 erfolgt dann mit Hilfe eines FPGAs 60. Als Auswertealgorithmen kommen alle bekannten Phasendetektionsverfahren in Betracht, insbesondere die phasenempfindlichen Gleichrichter.
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Der FPGA 60 ermittelt die konkrete Position X des verwendeten Eisenkerns. Zudem steuert der FPGA 60 die Anregungssignale bzw. die Generierung der Anregungssignale 20, 30.
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Die ermittelte Position X kann beispielsweise den Verfahrweg eines beliebigen Stellzylinders beschreiben. In diesem Fall ist der Eisenkern des LVDTs 60 mit der Kolbenstange eines Stellzylinders verbunden, so dass durch eine Kolbenzylinderbewegung der Eisenkern in axialer Richtung bewegt wird.
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Das neue Auswerteverfahren verspricht eine kostengünstige Auswertung der LVDT-Informationen und kann ohne mechanische Änderung des LVDT-Sensors 10 implementiert werden. Durch den richtungsverkehrten Betrieb des LVDT-Sensors 10 kann anstelle einer Amplituden-Auswertung eine Phasenauswertung erfolgen. Diese kann mit Hilfe von Komparatoren digital erfolgen. Dadurch ergibt sich ein erheblicher Platz- und Kostenvorteil, die vergleichsweise teure Analog-Elektronik ist größtenteils überflüssig. Diese Vorgehensweise bietet vor allem Vorteile in der Luftfahrttechnik, da hier hohe Anforderungen an den Platz- und Kostenbedarf derartiger Messvorrichtungen gestellt werden.
