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Die Erfindung betrifft einen Positionssensor oder Wegaufnehmer, welcher ein bewegliches Sensorteil, das relativ zu und entlang eines Positionsaufnehmers beweglich ist, aufweist.
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Der Positionsaufnehmer ist so ausgebildet, dass er eine jeweilige momentane Position des beweglichen Sensorteils in Bezug auf die Längsrichtung des Positionsaufnehmers erfassen und ein entsprechendes Ausgangssignal liefern kann.
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Derartige Positionssensoren oder Wegaufnehmer sind grundsätzlich bekannt und beispielsweise in
US 5,815,091 oder
US 6,999,007 beschrieben.
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Es besteht grundsätzlich ein Bedarf an robusten, möglichst einfach herzustellenden und schnell ein jeweiliges Messergebnis liefernden Positionssensoren oder Wegaufnehmern.
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Vor diesem Hintergrund wird hiermit ein Positionssensor vorgeschlagen, bei dem der Positionsaufnehmer eine längshomogene elektrische Leitung aufweist, die einen über eine Länge des Positionsaufnehmers weitestgehend konstanten Kapazitätsbelag und einen weitestgehend konstanten Induktivitätsbelag aufweist. Hierbei ist das bewegliche Sensorteil ausgebildet, eine örtliche Veränderung einer Impedanz der elektrischen Leitung am jeweiligen Ort des beweglichen Sensorteils hervorzurufen. Eine solche vom beweglichen Sensorteil hervorgerufene Impedanzänderung in der elektrischen Leitung führt bei im Übrigen weitestgehend homogener Leitung dazu, dass der Ort dieser Impedanzänderung beispielsweise durch Impulslaufzeitmessung bestimmt werden kann, weil ein entlang der elektrischen Leitung sich fortbewegender Puls am Ort der lokalen Impedanzänderung wenigstens teilweise reflektiert wird. Der Ort der Impedanzänderung entspricht dabei der jeweiligen Position des in Längsrichtung des Positionsaufnehmers beweglichen Sensorteils in Bezug auf die Länge des Positionsaufnehmers. In diesem Sinne ist eine längshomogene Leitung mit weitestgehend konstantem Kapazitätsbelag und weitestgehend konstantem Induktivitätsbelag so zu verstehen, dass eventuel a priori vorhandene (d.h. nicht durch das bewegliche Sensorteil hervorgerufene) Schwankungen im Kapazitätsbelag und/oder Induktivitätsbelag so klein sind, dass von dem beweglichen Sensorteil hervorgerufene Änderungen der Impedanz zu detektierbaren Signalreflexionen führen. Von a priori vorhandenen Inhomogenitäten der Leitung hervorgerufene Signalreflexionen können evtl. in einem Abgleichschritt erfasst und bei der späteren Signalauswertung berücksichtigt werden.
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Die Längsrichtung des Positionsaufnehmers muss dabei nicht notwendigerweise entlang einer Geraden verlaufen, sondern kann grundsätzlich auch in beliebiger Form gebogen sein und zum Beispiel nach Art eines Ringes geschlossen sein.
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Vorzugsweise ist die elektrische Leitung eine Zwei-Draht-Leitung, die von einem Hinleiter und einem Rückleiter gebildet ist, von denen der Hinleiter von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende des Positionsaufnehmers führt, während der Rückleiter von dem distalen Ende zum proximalen Ende des Positionsaufnehmers führt.
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Die elektrische Leitung weist vorzugsweise Merkmale auf, die den Induktivitätsbelag, den Kapazitätsbelag oder beide erhöhen, denn je höher Induktivitätsbelag und/oder Kapazitätsbelag sind, desto größer ist die Signallaufzeit elektrischer Impulse entlang der elektrischen Leitung und umso höher kann – bei gegebener Zeitauflösung – die Ortsauflösung des Positionssensors sein, wenn eine jeweilige Position des beweglichen Sensorteils per Impulslaufzeitmessung bestimmt wird.
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Zwischen Hin- und Rückleiter, das heißt im distalen Ende des Positionsaufnehmers, ist ein Abschlusswiderstand geschaltet, dessen Widerstandswert dem Leitungswellenwiderstand der elektrischen Leitung entspricht, um Reflektionen am Leitungsende zu vermeiden. In alternativen Ausgestaltungsvarianten kann jedoch auch ein unendlich hoher Abschlusswiderstand vorgesehen sein, d.h. Hin- und Rückleiter sind am distalen Ende des Positionsaufnehmers nicht direkt elektrisch miteinander verbunden. Es könnte aber auch ein Abschlusswiderstand mit einem gegen Null gehenden Widerstandswert vorgesehen sein, d.h. Hin- und Rückleiter sind am distalen Ende der elektrischen Leitung des Positionsaufnehmers miteinander kurzgeschlossen. In den letztgenannten beiden Fällen kommt es zu Reflektionen am Leitungsende, die gegebenenfalls mit einer Reflektion am Ort einer von dem beweglichen Sensorteil verursachten Impedanzänderung zusammen ausgewertet werden kann.
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Vorzugsweise sind der Hin- und der Rückleiter als entlang eines Zylindermantels gegenläufig gewickelte Helices ausgebildet, die beispielsweise jeweils von einem Flachbandleiter gebildet sind und vorzugweise eng aneinander liegende Windungen aufweisen, um so den Induktivitätsbelag zu erhöhen. Wie zuvor schon erwähnt, muss der Positionsaufnehmer nicht notwendigerweise entlang einer Geraden verlaufen. In diesem Sinne ist der Begriff "Zylindermantel" auch nicht streng geometrisch zu verstehen, sondern soll andere Körper mit rundem Querschnitt, wie beispielsweise einen Torus oder auch nur einen Torusabschnitt, mit einschließen.
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Zwischen Hin- und Rückleiter ist vorzugsweise ein Dielektrikum mit einer möglichst hohen Dielektrizitätskonstante εr angeordnet, um so den Kapazitätsbelag zu erhöhen. Die Dielektrizitätskonstante εr des Dielektrikums beträgt dabei vorzugsweise mehr als 2.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind der Hin- und der Rückleiter des Positionsaufnehmers um ein nicht-ferritisches Rohr gewickelt.
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Das bewegliche Sensorteil weist vorzugsweise gut leitendes Metall, einen Ferritkern und/oder einen Permanentmagneten auf. Beispielsweise kann das bewegliche Sensorteil von einem Ringmagneten gebildet sein. In jedem Fall ist es bevorzugt, wenn das bewegliche Sensorteil ringförmig ausgebildet ist und den Positionsaufnehmer umschließt oder alternativ innerhalb eines von der elektrischen Leitung des Positionsaufnehmers umschlossenen Hohlraums längsbeweglich angeordnet ist.
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Zur Bestimmung der jeweiligen Position des beweglichen Sensorteils entlang der Längsrichtung des Positionsaufnehmers ist vorzugsweise ein Impulsgeber vorgesehen, welcher an das proximale Ende der elektrischen Leitung angeschlossen ist, so dass er in die Leitung einen elektrischen Impuls einspeisen kann, der dann am Ort der durch das bewegliche Sensorteil hervorgerufenen Impedanzänderung wenigstens teilweise reflektiert wird. Vorzugsweise ist der Impulsgeber hierbei ausgebildet, einen sauberen –90° bis 270° Sinus-Impuls zu erzeugen, der im Wesentlichen keine Oberwellen aufweist. Dies erlaubt beispielsweise eine Laufzeitmessung unter Berücksichtigung auch der Phasenlage eines reflektierten Impulses.
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In diesem Sinne ist vorzugsweise auch eine Laufzeitmesseinrichtung vorgesehen, die zum Messen einer Impulslaufzeit eines von dem Impulsgeber erzeugten, am Ort einer lokalen Impedanzänderung der elektrischen Leitung reflektierten Impulses, ausgebildet ist. Eine solche Laufzeitmesseinrichtung kann beispielsweise einen Zeit-Digitalwandler aufweisen.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsvariante ist der Positionssensor ausgebildet, dass ein jeweiliger, am Ort einer lokalen Impedanzänderung der elektrischen Leitung reflektierter Impuls nach Rückkehr zum proximalen Ende des elektrischen Leiters unmittelbar wieder in den elektrischen Leiter eingespeist wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Art Oszillator, dessen Frequenz von der Position des beweglichen Sensorteils abhängt. Die Laufzeitmesseinrichtung kann in diesem Fall so ausgebildet sein, dass sie die sich ergebende Frequenz auswertet und auf diese Weise die Position des beweglichen Sensorteils bestimmt. Hierzu kann die Laufzeitmesseinrichtung beispielsweise eine Phasenregelschleife (phase-locked loop, PLL) aufweisen.
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Alternativ kann die Laufzeitmesseinrichtung ausgebildet sein, die Zeitdauer von einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen, beispielsweise 1000 Zyklen, zu bestimmen. Ein Zyklus beginnt dabei mit dem Einspeisen eines Impulses an das proximalen Ende an der elektrischen Leitung des Positionsaufnehmers und endet mit Rückkehr des reflektierten Impulses zum proximalen Ende. Indem die Zeit über mehrere Zyklen, beispielsweise 100 oder 1000 Zyklen, gemessen wird, wird beispielsweise eine Verhundertfachung oder Vertausendfachung der Zeitauflösung der Laufzeit möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Positionssensor ausgebildet, den reflektierten Impuls verstärkt wieder in das proximale Ende in der elektrischen Leitung einzuspeisen, um so die abnehmende Impulsamplitude in Folge nur teilweiser Reflektion auszugleichen.
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Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Diese zeigen in:
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1: ein Ersatzschaltbild einer elektrischen Leitung;
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2: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Positionssensors mit einem Positionsaufnehmer, der eine elektrische Leitung mit hohem Induktivitätsbelag aufweist;
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3: einen alternativen Positionssensor, bei dem eine durch einen permanenten Ringmagneten gehaltene Eisenkugel den Induktivitätsbelag des elektrischen Leitung verringert;
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4: eine weitere alternative Ausgestaltung, bei der ein Ringmagnet mit seinem magnetischen Fluss das Dielektrikum des Kapazitätsbelages verändert;
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5: ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Positionsaufnehmer ein mit Ferritpulver gefülltes Trägerrohr aufweist, dessen Induktivität am Messort durch einen Ringmagneten gesättigt wird und somit den Induktivitätsbelag verringert; und
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6: ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine direkte transformatorische Einkopplung eines elektromagnetischen Impulses über eine Ringwicklung erfolgt.
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Die nachfolgend näher erläuterten Ausführungsbeispiele für verschiedene Varianten erfindungsgemäßer Positionssensoren verwirklichen jeweils einen Grundgedanken der Erfindung, der darin besteht, eine Signallaufzeit entlang einer elektrischen Leitung es Positionssensors zu vergrößern, um eine hohe Ortsauflösung zu erzielen. Zum besseren Verständnis seien hierzu zunächst die physikalischen Grundlagen erläutert.
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Elektrische Signale bewegen sich auf Kabeln mit einer endlichen Signalgeschwindigkeit vs‘. Diese Signalgeschwindigkeit vs' auf einem Kabel hängt von der Kabelgeometrie und von den elektromagnetischen Stoffeigenschaften des im Kabel verwendeten Isoliermaterials ab. Diese bestimmen den Induktivitätsbelag L', den Kapazitätsbelag C', den Widerstandsbelag R', und den Ableitungsbelag G' des Kabels.
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Der Leitungswellenwiderstand beträgt:
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Der Leitungswellenwiderstand Z
0 nähert sich für hohe Frequenzen einem frequenzabhängigen, reellen Wert, d. h. der imaginäre Anteil wird 0. Als hohe Frequenzen gelten diejenigen, ab denen der ohmsche Widerstandsbelag R‘ und der Ableitungsbelag G‘ gegenüber den frequenzabhängigen Termen des kapazitiven und induktiven Belags jωC‘ bzw. jωL‘ der Leitung vernachlässigt werden können. Dann kann man in der allgemeinen Gleichung für den Leitungswellenwiderstand R‘ und G‘ durch Null ersetzen, und der Bruch innerhalb der Wurzel lässt sich an-schließend um jω kürzen. Somit ergibt sich der Leitungswellenwiderstand aus kapazitivem und induktivem Leitungsbelag:
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Die Signallaufzeit t‘ lässt sich bei Vernachlässigung der Signaldämpfung ebenfalls aus L‘ und C‘ berechnen:
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Hieraus ergibt sich dann die Signalgeschwindigkeit vs':
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Die Leitungsimpedanz (Leitungswellenwiderstand) ist eine leitungsspezifische Größe und kann mit der Brechzahl für optische Medien verglichen werden. Ändert sich auf einer Leitung der Induktivitätsbelag ΔL' oder der Kapazitätsbelag ΔC', so ändert sich somit auch die Leitungsimpedanz ΔZ0 sowie die Signalgeschwindigkeit Δvs' und es kommt zu einer Signalreflektion. Die reflektierte Signalenergie läuft zum Sender zurück und geht dem weiterlaufenden Signal verloren. Amplitude und Phase des reflektierten Signals hängen vom absoluten Wert ΔZ0 und dessen Vorzeichen ab. Koppelt man in eine Leitung ein Signal mit dem Quellenwiderstand der Leitungsimpedanz ein, so kann man am Ausgang der Leitung entsprechend dem Leitungsabschluss folgende Spannungs-/Stromverläufe messen:
Falls das Leitungsende nicht beschaltet ist (offene Leitung) werden ankommende Spannungspulse gleichphasig reflektiert, Strompulse in Gegenphase. Am Leitungsende stellt sich der Gesamtstrom aus hin- und rücklaufender Welle I = 0 ein.
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Falls das Leitungsende kurzgeschlossen ist, werden ankommende Spannungspulse gegenphasig reflektiert, Strompulse mit gleicher Phase. Am Leitungsende stellt sich der Gesamtstrom aus hin- und rücklaufender Stromwelle I = 2·I (hinlaufende Welle) ein.
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Falls das Leitungsende mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, werden Strom und Spannungspulse nicht reflektiert. Die gesamte Pulsenergie wird absorbiert, d.h. in Wärme gewandelt.
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Den nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt der Gedanke zugrunde, den induktiven und den kapazitiven Belag durch eine geeignete Anordnung des Leiterpaares so groß wie möglich zu machen, um damit die Signallaufzeit zu maximieren.
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Für alle Ausführungsbeispiele (und deren praktische Umsetzung) gilt außerdem: um möglichst große Sensormesslängen zu erhalten sind die, die Signalenergie dämpfenden Faktoren so klein wie möglich zu halten (R', G' → 0).
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Außerdem sind bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Merkmale vorgesehen, die die Impedanz der elektrischen Leitung an einer jeweiligen Stelle entlang des Messweges so verändern, dass es zu einem ausreichend großen reflektierten Puls kommt. Entsprechend werden verschiedene Varianten eines beweglichen Teils des Positionssensors vorgeschlagen.
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Der in 2 dargestellte Positionssensor 10 weist einen Positionsaufnehmer 12 und ein entlang diesem bewegliches Sensorteil 14 auf. Der Positionsaufnehmer 12 weist eine elektrische Leitung 16, die als eine zweilagige Zylinderwicklung ausgeführt ist, deren Länge der gewünschten Messlänge entspricht. Die beiden Zylinderwicklungen sind von gegenläufig gewickelten Leiterhelices gebildet. Jede dieser beiden Leiterhelices ist von einem Flachbandleiter gebildet, der im Ausführungsbeispiel aus Flachkupfer mit dem Querschnittsmaß 1,0 × 0,1 mm2 besteht. Die Leiterhelices sind gegenläufig mit geringem Windungsabstand um ein innen hohles Trägerrohr 18 gewickelt. Zwischen den die Leiterhelices bildenden Wicklungen ist eine Isolation (ein Dielektrikum 20) vorgesehen, die die Leiterhelices voneinander elektrisch isoliert und die ein großes εr (Permittivitätszahl, Dielektrizitätszahl) besitzt, um den Kapazitätsbelag C' der von den Leiterhelices gebildeten elektrischen (Zweidraht-)Leitung zu maximieren. Deren Induktivitätsbelag L' kann durch die Erhöhung des Wicklungsdurchmessers bzw. der Windungszahl bei gleicher Spulenlänge vergrößert werden.
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Das bewegliche Sensorteil 14 ist ausgebildet, an einem jeweiligen Ort des Positionsaufnehmers 12 eine Impedanzänderung in der elektrischen Leitung des Positionsaufnehmers 12 hervorzurufen. Diese örtliche Impedanzänderung führt – wie ober erläutert – zur Reflektion eines in die elektrische Leitung eingespeisten elektrischen Impulses. Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das bewegliche Sensorteil 14 einen kurzen Ferritkern 22 bzw. 22‘ mit großem μr (Permeabilitätszahl). Der Ferritkern 22 verursacht eine lokale Erhöhung des Induktivitätsbelages L' der elektrischen Leitung.
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In 2 sind zwei Ferritkerne 22 und 22‘ dargestellt, die alternative Ausführungsvarianten repräsentieren. Der Ferritkern kann ein innerhalb eines von der elektrischen Leitung umschlossenen Hohlraums angeordneter Ferritkern sein, wie der abgebildete Ferritkern 22. Alternativ kann ein außerhalb der Spule laufender Ferritringkern 22‘ vorgesehen sein.
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Der jeweilige Ferritkern 22 oder 22‘ erhöht den Induktivitätsbelag L' am Ort des beweglichen Sensorteils 14 und verursacht damit eine Reflektion eines elektrischen Impulses ähnlich wie am Ende einer offenen Leitung.
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Anstelle eines Ferritkerns aus Ferritmaterials kann das bewegliche Sensorteil 14 auch ein Kernelement oder ein Ringelement aus elektrisch gut leitendem Material wie z.B. Kupfer, aufweisen. Auf diese Weise erreicht man durch Wirbelstromverluste eine Verringerung des Induktivitätsbelages L' und verursacht damit eine Reflektion eines elektrischen Impulses ähnlich wie am Ende einer kurzgeschlossenen Leitung.
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In beiden Fällen ist das Ende der Leitung mit dem korrekten Wellenwiderstand der Leitung abgeschlossen um Impulsreflektionen am Leitungsende zu verhindern.
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An das proximale Ende der elektrischen Leitung 16 ist zum Einen ein Impulsgeber 24 angeschlossen und zum Anderen eine Laufzeitmesseinrichtung 26. Der Impulsgeber 24 erzeugt einen kurzen, vorzugsweise reinen Sinus-Impuls (um Dispersionen zu vermeiden), der am Ort des beweglichen Sensorteils 14 auf Grund der von dieser hervorgerufenen, lokalen Impedanzänderung in der ansonsten homogenen elektrischen Leitung 16 reflektiert wird. Die Laufzeitmesseinrichtung 26 besitzt einen Zeitgeber, der mit Einspeisen des vom Impulsgebers 24 erzeugten Impulses ins proximale Ende der elektrischen Leitung 16 gestartet und mit Erfassen des am Ort des beweglichen Sensorteils 14 reflektierten Impulses wieder gestoppt wird. Die so erfasste Zeit entspricht der Impulslaufzeit vom proximalen Ende der elektrischen Leitung 16 bis zum Ort des beweglichen Sensorteils 14 und wieder zurück. Mit Hilfe der oben angegebenen Formel kann aus der gemessenen Zeit der Abstand des beweglichen Sensorteils 14 vom proximalen Ende der elektrischen Leitung 16 bestimmt werden. Der Zeitgeber ist vorzugsweise ein Zeit-Digitalwandler, der in der Lage ist, Zeiten im Pikosekundenbereich zu messen.
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Gemäß der in 2 angedeuteten Ausführungsvariante kann die Laufzeitmesseinrichtung 26 außerdem die Laufzeit bestimmen, die ein ins proximale Ende der Leitung 16 eingespeister Impuls bis zum distalen Ende der elektrischen Leitung 16 benötigt. Hierzu kann ein zweiter Zeitgeber beispielsweise ein zweiter Zeit-Digitalwandler vorgesehen sein. Da am Ort der lokalen Impedanzänderung nur ein Teil des eingespeisten Impulses reflektiert wird, läuft ein nicht reflektierter Anteil des eingespeisten Impulses weiter bis zum distalen Ende der elektrischen Leitung 16. Auf diese Weise können die beiden so gemessenen Zeiten ins Verhältnis zueinander gesetzt werden und der sich ergebene Quotient gibt das Verhältnis der Strecken proximales Leitungsende bis Ort des beweglichen Sensorteils zu proximales Leitungsende bis distales Leitungsende an. Da die Gesamtlänge der elektrischen Leitung bekannt ist, kann so auch der Ort des beweglichen Sensorteils 14 genau bestimmt werden. Durch eine derartige Relativmessung spielen einige Störeffekte wie beispielsweise thermische Drift oder dergleichen keine Rolle, da sich diese Effekte aufheben.
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Um eine noch bessere Auflösung des Positionssenors 10 zu erreichen, kann die Impulslaufzeit des reflektierten Impulses zu einem frequenzbestimmenden Parameter eines Rechteckgenerators gemacht werden, indem mit jedem zum proximalen Leitungsende zurückgekehrten, reflektierten Impuls ein neuer Impuls ausgelöst und in die elektrische Leitung eingespeist wird. Durch Frequenzteilung oder Messung der Zeitdauer, die eine vorgegebene Anzahl von Perioden dauert, kann ebenfalls eine (genauere) Impulslaufzeitmessung durch die Laufzeitmesseinrichtung erfolgen.
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3 bis 6 zeigen verschiedene mögliche Ausgestaltungen des beweglichen Sensorteils 14.
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In 3 sitzt das bewegliche Sensorteil 14, eine von einem permanenten Ringmagneten 28 gehaltene Eisenkugel 30. Die die elektrische Leitung bildenden Flachbandleiter sind um ein innen hohles Trägerrohr gewickelt. Die Eisenkugel ist in diesem Trägerrohr beweglich und wird von dem Ringmagneten mitgenommen. Die Eisenkugel hat den Effekt, dass sie an ihrem jeweiligen Ort den Induktivitätsbelag der elektrischen Leitung 16 lokal verringert.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das bewegliche Sensorteil 14 einen Ringmagneten 28‘, der mit seinem magnetischen Fluss das Dielektrikum des Kapazitätsbelages verändert und so ebenfalls eine lokale Impedanzänderung hervorruft.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist ein mit Ferritpulver 32 gefülltes Trägerrohr vorgesehen, dessen Pulverfüllung 32 am Messort durch einen die elektrische Leitung umschließenden Ringmagneten 28‘‘ gesättigt wird und so den Induktivitätsbelag der elektrischen Leitung verringert.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der elektrische Impuls nicht ins proximale Ende der elektrischen Leitung 16 eingekoppelt und am Ort des beweglichen Sensorteils 14 reflektiert wird. Vielmehr verweist das bewegliche Sensorteil 14 eine Spule 34 auf, die die elektrische Leitung 16 umschließt und nach Art eines Transformators einen elektrischen Impuls in die elektrische Leitung 16 einspeisen kann. Die Laufzeit des so eingespeisten Impulses zum proximalen und/oder distalen Leitungsende der elektrischen Leitung kann dann durch eine entsprechende Laufzeitmesseinrichtung bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Positionssensor
- 12
- Positionsaufnehmer
- 14
- bewegliches Sensorteil
- 16
- elektrische Leitung
- 18
- innen hohles Trägerrohr
- 20
- Dielektrikum
- 22
- Ferritkern
- 22‘
- Ferritkern
- 24
- Impulsgeber
- 26
- Laufzeitmesseinrichtung
- 28
- Ringmagnet
- 28‘
- Ringmagnet
- 28‘‘
- Ringmagnet
- 30
- Eisenkern
- 32
- Ferritpulver
- 34
- Spule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5815091 [0003]
- US 6999007 [0003]
