DE102015213784B4 - Positionsmesssystem mit Empfängerspulen, die über Schaltmittel differentiell zusammenschaltbar sind - Google Patents

Positionsmesssystem mit Empfängerspulen, die über Schaltmittel differentiell zusammenschaltbar sind Download PDF

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Abstract

Positionsmesssystem (10) mit einer Maßverkörperung (20) und einer Abtastvorrichtung (30), welche bezüglich einer Messrichtung (11) beweglich zueinander sind, wobei die Maßverkörperung (20) eine Vielzahl von Markierungen (21) aufweist, die bezüglich der Messrichtung (11) in einer Reihe angeordnet sind, wobei die Abtastvorrichtung (30) eine Senderwindungsanordnung (41) aufweist, wobei mehrere Empfängerspulen (51 - 54) vorgesehen sind, die bezüglich der Messrichtung (11) in einer Reihe angeordnet sind, wobei die induktive Kopplung zwischen der Senderwindungsanordnung (41) und den Empfängerspulen (51 - 54) abhängig von der Stellung der Abtastvorrichtung (30) gegenüber der Maßverkörperung (20) ist, wobei die Senderwindungsanordnung (41) mehrere gesonderte Senderflächen (42) umgrenzt, die bezüglich der Messrichtung (11) in einer Reihe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Senderflächen (42) jeweils höchstens eine einzige Empfängerspule (51 - 54) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Schaltmittel (61 - 64) vorgesehen ist, mit dem zwei benachbarte Empfängerspulen (51 - 54) differentiell zusammenschaltbar sind, wobei das wenigstens eine Schaltmittel (61 - 64) einen ersten Zustand aufweist, in dem es einen ersten elektrischen Widerstand hat, wobei es einen zweiten Zustand aufweist, in dem es einen zweiten elektrischen Widerstand hat, wobei der zweite elektrische Widerstand wenigstens 1000-mal größer als der erste elektrische Widerstand ist, wobei das wenigstens eine Schaltmittel (61 - 64) zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand umschaltbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Positionsmesssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
  • Aus der DE 10 2008 018 355 A1 ist ein Positionsmesssystem bekannt. Das Positionsmesssystem besteht aus einer Maßverkörperung und einer Abtastvorrichtung, welche bezüglich einer Messrichtung beweglich zueinander sind. Die Maßverkörperung ist mit einer Vielzahl von Markierungen versehen, die bezüglich der Messrichtung in einer Reihe angeordnet sind und welche eine pseudo random binary sequence (PRBS) codieren. Die Abtastvorrichtung umfasst eine Senderwindungsanordnung, die ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Weiter sind mehrere Empfängerspulen vorgesehen, die bezüglich der Messrichtung in einer Reihe angeordnet sind. Die induktive Kopplung zwischen der Senderwindungsanordnung und den Empfängerspulen ist abhängig von der Stellung der Abtastvorrichtung gegenüber der Maßverkörperung.
  • Die Empfängerspulen sind in Form von einzelnen Spulen mit einer einzigen Windungsrichtung ausgebildet. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform beschrieben, bei der differentiell zusammengeschaltete Spulenpaare zum Einsatz kommen. Dabei sind zwei einzelne Empfängerspulen mit entgegengesetzter Windungsrichtung in Reihe geschaltet, die im Wesentlichen dem gleichen durch die Senderwindungsanordnung erzeugten Wechselfeld ausgesetzt sind.
  • Aus der DE 10 2009 042 940 A1 ist darüber hinaus ein Positionsmesssystem mit statisch differentiell zusammengeschalteten Empfängerspulenpaaren bekannt.
  • Die DE 10 2012 200 195 A1 zeigt ein Positionsmesssystem bei dem einzelne Empfängerspulen statisch an einen Differentialverstärker angeschlossen sind.
  • Der Nachteil der einzelnen Empfängerspulen besteht darin, dass deren Signal einen hohen Offset aufweist. D.h. die Signaländerungen, welche durch die Bewegung des Positionsmesssystems verursacht werden, sind klein gegenüber dem Mittelwert des Signals, welches als Offset bezeichnet wird. Dies erschwert die Signalauswertung erheblich. Die Spulenpaare haben einen kleinen Offset, jedoch benötigen sie viel Platz. Die angestrebte Teilungsperiode der Maßverkörperung von 1 mm und eine entsprechend kleine Teilungsperiode der Abtastvorrichtung lassen sich nicht wirtschaftlich realisieren.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Überwindung der vorstehend genannten Nachteile.
  • Gemäß dem unabhängigen Sachanspruch wird vorgeschlagen, dass die Senderwindungsanordnung mehrere gesonderte Senderflächen umgrenzt, die bezüglich der Messrichtung in einer Reihe angeordnet sind, wobei in den Senderflächen jeweils höchstens eine einzige Empfängerspule angeordnet ist, wobei wenigstens ein Schaltmittel vorgesehen ist, mit dem zwei benachbarte Empfängerspulen differentiell zusammenschaltbar sind. Das vorgeschlagene Positionsmesssystem hat den gleichen Platzbedarf wie die bekannten einzelnen Empfängerspulen. Durch die differentielle Zusammenschaltung der Empfängerspulen mit den Schaltmitteln wird ein vergleichbar geringer Offset erreicht wie bei den bekannten differentiellen Spulenpaaren.
  • Vorzugsweise sind in den bezüglich der Messrichtung am Ende gelegenen Senderflächen keine Empfängerspulen angeordnet, da das dortige Magnetfeld zu stark von den entsprechenden Feldern in den inneren Senderflächen abweicht. Bei den Empfängerspulen handelt es sich vorzugsweise um Spulen mit einer einheitlichen Windungsrichtung der entsprechenden Leiterbahnen. Die Senderwindungsanordnung ist vorzugsweise an eine Wechselstromquelle angeschlossen, welche eine Frequenz von beispielsweise 100 kHz aufweist. Die Senderwindungsanordnung weist vorzugsweise zwei Gruppen von parallelen, schlangenlinienartigen Leiterbahnen auf, wobei sich die Leiterbahnen der beiden Gruppen mehrfach kreuzen. Unmittelbar benachbarte Senderflächen werden vorzugsweise mit entgegengesetzter magnetischer Flussrichtung von einem elektromagnetischen Feld durchsetzt. Die Empfängerspulen haben vorzugsweise alle die gleiche Windungsrichtung, wobei sie höchst vorzugsweise identisch ausgebildet sind. Vorzugsweise werden unmittelbar benachbarte Empfängerspulen mit den Schaltmitteln zusammengeschaltet, zwischen denen ausschließlich Leiterbahnen der Senderwindungsanordnung angeordnet sind. Die Senderwindungsanordnung und/oder die Empfängerspulen sind vorzugsweise planar ausgebildet, d.h. die entsprechenden verlaufen in einer oder mehreren, elektrisch voneinander isolierten Ebenen.
  • Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb dieses Positionsmesssystems vorgeschlagen, wobei nacheinander verschiedene Paare von Empfängerspulen über die zugeordneten Schaltmittel differentiell zusammengeschaltet werden, wobei wenigstens eine Empfängerspule in einer Stellung des Positionsmesssystems zum Ablesen zweier unterschiedlicher Markierungen verwendet wird. Im Ergebniss werden zum Ablesen einer Anzahl n von Markierungen nur n+1 Empfängerspulen bzw. Einzelspulen benötigt, während bei den bekannten differentiellen Spulenpaaren 2 × n Einzelspulen benötigt werden. Dadurch wird der Platzbedarf wesentlich reduziert.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
  • Es ist bevorzugt, dass ein Differenzverstärker vorgesehen ist, über den die Empfängerspulen mit dem wenigstens einen Schaltmittel differentiell zusammenschaltbar sind. Vorzugsweise ist der Ausgang des Differenzverstärkers an einen Analog-Digital-Wandler angeschlossen. Die Abtastvorrichtung weist vorzugsweise einen programmierbaren Digitalrechner auf, der mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden ist. Mit dem Differenzverstärker werden die vergleichsweise schwachen Signale der Empfängerspulen verstärkt, ehe sie dem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden. Hierdurch wirken sich Störungen, welche auf der Leitungsstrecke zwischen dem Differenzverstärker und dem Analog-Digitalwandler einwirken, wenig auf das Signal aus, da dieses dort vergleichsweise stark ist. Darüber hinaus bewirkt der Differenzverstärker die für die differentielle Zusammenschaltung erforderliche Differenzbildung. Ohne den Differenzverstärker müssten weit mehr Schaltmittel eingesetzt werden, um die Differenzbildung zu bewirken. Ein Differenzverstärker ist ein elektronischer Verstärker mit zwei Eingängen, bei dem nicht ein einzelnes Signal, sondern die Differenz der beiden Eingangssignale verstärkt wird (https://de.wikipedia.org/wiki/Differenzverstärker).
  • Es ist bevorzugt, dass jeder Empfängerspule ein gesondertes Schaltmittel zugeordnet ist, wobei eine erste und eine zweite Signalleitung vorgesehen sind, an welche die Empfängerspulen über die zugeordneten Schaltmittel angeschlossen sind. Mit diesem Schaltungsaufbau werden besonders wenig Schaltmittel benötigt, um die erforderlichen differentiellen Zusammenschaltungen der Empfängerspulen zu bewirken.
  • Es ist bevorzugt, dass der Differenzverstärker einen positiven und einen negativen Eingang hat, wobei die erste Signalleitung an den positiven Eingang angeschlossen ist, wobei die zweite Signalleitung an den negativen Eingang angeschlossen ist. Damit wird die erwünschte differentielle Zusammenschaltung der Empfängerspulen auf besonders einfache Weise bewirkt.
  • Es ist bevorzugt, dass die Empfängerspulen so abwechselnd an die erste und die zweite Signalleitung angeschlossen sind, dass zwei unmittelbar benachbarte Empfängerspulen an verschiedene Signalleitungen angeschlossen sind. Hierdurch wird die erwünschte differentielle Zusammenschaltung von benachbarten Empfängerspulen ermöglicht.
  • Es ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Schaltmittel einen ersten Zustand aufweist, in dem es einen ersten elektrischen Widerstand hat, wobei es einen zweiten Zustand aufweist, in dem es einen zweiten elektrischen Widerstand hat, wobei der zweite elektrische Widerstand wenigstens 1000-mal größer als der erste elektrische Widerstand ist, wobei das wenigstens eine Schaltmittel zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand umschaltbar ist. Bei dem Schaltmittel kann es sich um einen mechanischen Schalter, beispielsweise um ein Relais handeln. Im ersten Zustand ist der Schalter geschlossen, so dass der erste Widerstand nahezu Null beträgt. Im zweiten Zustand ist der Schalter offen, so dass der zweite Widerstand nahezu unendlich hoch ist. Derartige Schaltmittel arbeiten aber langsam, weshalb Schaltmittel auf der Basis von Halbleitern bevorzugt sind. Damit kann beispielsweise ein erster elektrischer Widerstand von 0,9 Ω erreicht werden, wobei ein zweiter elektrischer Widerstand erreicht werden kann, der eine Signaldämpfung von wenigstens 60 dB ergibt. Ein entsprechendes Schaltmittel ist Gegenstand des Datenblatts, welches am 17.07.2014 unter der Internetadresse http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ts5a23166.pdf abrufbar war.
  • Es ist bevorzugt, dass die Markierungen von Durchbrüchen in einem Metallband gebildet werden, wobei die Breite und der Abstand der Durchbrüche jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten, ersten Teilungsabstands λ sind. Bei einer derartigen Maßverkörperung entfallen die aus der DE 10 2008 018 355 A1 bekannten Stege zwischen den Markierungen. Die Markierungsdichte ist daher besonders hoch. Weiter kann eine derartige Maßverkörperung quer zur Messrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet werden. Es ist daher nicht zu befürchten, dass sich die Maßverkörperung verzieht, wenn das Metallband unter Zugspannung gesetzt wird, um den ersten Teilungsabstand λ genau einzustellen. Die Durchbrüche sind vorzugsweise in Form eines Rechtecks ausgebildet, dessen Seiten parallel bzw. senkrecht zur Messrichtung verlaufen.
  • Es ist bevorzugt, dass die Empfängerspulen einen konstanten zweiten Teilungsabstand δ aufweisen, wobei die Bedingung r × λ = s × δ gilt, wobei r und s ganze Zahlen sind, für die s > r gilt. Damit wird sichergestellt, dass in jeder Stellung des Positionsmesssystems zumindest ein Teil der Empfängerspulen so über den Markierungen angeordnet ist, dass alle erforderlichen Markierungen sicher abgelesen werden können. Höchst vorzugsweise gilt die Bedingung 2 × λ = 3 × δ. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Signalauswertung, was weiter unten mit Bezug auf 3 genauer beschrieben wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die Markierungen eine Zufallszahlenfolge bilden, wobei jede beliebige Auswahl einer Anzahl m unmittelbar benachbarter Markierungen verschieden von jeder beliebigen anderen Auswahl einer Anzahl m unmittelbar benachbarter Markierungen ist, wobei zumindest eine Auswahl von m-1 unmittelbar benachbarten Markierungen an wenigstens zwei Stellen des Codes vorkommt, wobei für die Anzahl e der Empfängerspulen e ≥ 1,2 × m × s ÷ r gilt. Dementsprechend werden mehr Markierungen abgelesen als zur Bestimmung der absoluten Position unbedingt erforderlich sind. Hierdurch können Fehler beim Ablesen der Markierungen erkannt und ggf. korrigiert werden. Vorzugsweise wird eine Zufallszahlenfolge entsprechend der DE 10 2013 220 747 A1 verwendet. Der gesamte Inhalt der DE 10 2013 220 747 A1 wird in Bezug genommen und zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
  • Vorzugsweise wird eine Maßverkörperung verwendet, welche eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Markierungen aufweist, die jeweils einen von zwei Werten codieren, wobei jede beliebige erste Auswahl einer Anzahl m benachbarter Markierungen verschieden von jeder beliebigen anderen zweiten Auswahl von m benachbarten Markierungen ist, wobei die Anzahl k der Markierungen auf der Maßverkörperung wenigstens 10-mal größer als m ist, wobei die zweite Auswahl auch dann verschieden von der ersten Auswahl ist, wenn man sowohl in der ersten als auch in der zweiten Auswahl bei zumindest je einer einzigen, beliebigen Markierung deren Wert durch den anderen Wert ersetzt.
  • Es ist bevorzugt, dass alle Empfängerspulen an der von dem zugeordneten Schaltmittel abgewandten Seite elektrisch an das gleiche Spannungsniveau angeschlossen sind. Hierdurch vereinfacht sich der Schaltungsaufbau erheblich, wobei besonders wenig Schaltmittel benötigt werden. Die entsprechende elektrische Verbindung wird vorzugsweise in räumlicher Nähe zu den Schaltmitteln hergestellt, um Brummschleifen zu vermeiden.
  • Es ist bevorzugt, dass eine Betätigungsvorrichtung für die Schaltmittel vorgesehen ist, welche mehrere D-Flip-Flops aufweist, die in Form eines Schieberegisters zusammengeschaltet sind, welches einen Takteingang und mehrere Abgriffe aufweist, wobei die Schaltmittel von einem zugeordneten Abgriff betätigt werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
    • 1 eine grobschematische Darstellung der Senderwindungsanordnung, der Empfängerspulen und der Maßverkörperung eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems;
    • 2 einen Schaltplan der Abtastvorrichtung des Positionsmesssystems nach 1;
    • 3 eine grobschematische Darstellung, mit unterschiedlichen Stellungen der Empfängerspulen gegenüber der Maßverkörperung; und.
    • 4 Codebeispiele, welche im Betrieb eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems auftreten können.
  • 1 zeigt eine grobschematische Darstellung der Senderwindungsanordnung 41, der Empfängerspulen 51 - 54 und der Maßverkörperung 20 eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems 10. Der Übersichtlichkeit halber sind die Senderwindungsanordnung 41, die Empfängerspulen 51 - 54 und die Maßverkörperung 20 quer zur Messrichtung 11 nebeneinander dargestellt, wobei sie tatsächlich so übereinander angeordnet sind, dass die jeweils eingezeichneten Mittellinien 38 zur Deckung kommen. In Messrichtung 11, die parallel zur genannten Mittellinie 38 verläuft, sind die Verhältnisse korrekt dargestellt.
  • Die Senderwindungsanordnung 41 und die Empfängerspulen 51 - 54 sind in einem Abtastkopf unverschiebbar zueinander angeordnet. Der Abtastkopf ist bezüglich der Messrichtung 11 gegenüber der Maßverkörperung 20 beweglich.
  • Die Senderwindungsanordnung 41 umfasst eine erste und eine zweite Gruppe 43a; 43b von schlangenlinienartigen Leiterbahnen 43. Entgegen den tatsächlichen Verhältnissen ist nur jeweils eine einzige Leiterbahn 43 jeder Gruppe 43a; 43b dargestellt, wobei tatsächlich eine Vielzahl von Leiterbahnen 43 vorhanden sind, wobei die Leiterbahnen 43 einer Gruppe 43a; 43b untereinander im Wesentlichen parallel verlaufen. Die Leiterbahnen 43 sind in unterschiedlichen, elektrisch voneinander isolierten Ebenen einer planaren Leiterbahnanordnung angeordnet, wobei im Bereich der Grenze 44 und der Anschlüsse 45 (nicht dargestellte) Durchkontaktierungen zwischen den genannten Ebenen vorgesehen sind. Die schlangenlinienartigen Leiterbahnen 43 der beiden Gruppen 43a; 43b kreuzen sich, wobei sie ausschließlich über die genannten Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Insgesamt umgrenzt die Senderwindungsanordnung mehrere, untereinander identischen, bezüglich der Messrichtung 11 in einer Reihe angeordnete Senderflächen 42. In allen Senderflächen 42 wirkt betragsmäßig das gleiche elektromagnetische Feld, wenn die Senderwindungsanordnung 41 an den Anschlüssen 45 über eine Wechselstromquelle (Nr. 46 in 2) mit Wechselstrom gespeist wird. Dabei ist die Richtung des magnetischen Flusses in unmittelbar benachbarten Senderflächen genau entgegengesetzt, wobei sie jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene der 1 ausgerichtet ist.
  • Innerhalb der Senderflächen 42 ist höchstens eine einzige Empfängerspule 51 -54 angeordnet. Dabei ist in den beiden bezüglich der Messrichtung 11 am Ende gelegenen Senderflächen 42 keine Empfängerspule angeordnet, da dort aufgrund von Randeffekten etwas andere Felder wirken als in den inneren Senderflächen.
  • Die Empfängerspulen 51 - 54 haben jeweils eine Vielzahl von Windungsumläufen mit einer einheitlichen Windungsrichtung, wobei in 1 nur jeweils ein einziger Windungsumlauf dargestellt ist. Die Empfängerspulen 51 - 54 sind Bestandteil der gleichen planaren Leiterbahnanordnung wie die Senderwindungsanordnung 41.
  • Bei der Maßverkörperung 20 handelt es sich um ein Metallband, welches vorzugsweise eine konstante Dicke aufweist. Vorzugsweise wird es mit einem photochemischen Ätzverfahren aus einem ferromagnetischem Material, beispielsweise nichtrostendem Stahl, hergestellt. Das Metallband 20 ist mit einer Vielzahl von rechteckigen Durchbrüchen 22 versehen, deren Breite und deren Abstand ein ganzzahliges Vielfaches eines ersten Teilungsabstands λ ist. Die Rechteckseiten der Durchbrüche 22 verlaufen parallel bzw. senkrecht zur Messrichtung 11. Zu beiden Seiten neben den Durchbrüchen 22 verbleibt jeweils ein in Messrichtung 11 durchgehender Seitensteg 23. Die Maßverkörperung 20 ist insgesamt spiegelsymmetrisch bezüglich der Mittellinie 38 ausgebildet, so dass sie sich nicht verzieht, wenn sie zwecks Einstellung eines genauen ersten Teilungsabstands λ unter Zugspannung gesetzt wird.
  • Die quer zur Messrichtung 11 verlaufenden Rechteckseiten der Durchbrüche 22 sind jeweils auf einer zugeordneten Rasterlinie 25-1 - 25-5 des Markierungsrasters angeordnet, wobei unmittelbar benachbarte Rasterlinien 25-1 - 25-5 jeweils den ersten Teilungsabstand λ aufweisen. Die Maßverkörperung 20 codiert den Wert „1“, wenn an einer Rasterlinie 25-1 - 25-5 ein Wechsel von Material auf Freiraum oder umgekehrt stattfindet. Die Maßverkörperung 20 codiert den Wert „0“, wenn kein derartiger Wechsel stattfindet, also wenn zu beiden Seiten der Rasterlinie 25-1 - 25-5 entweder Material oder Freiraum vorhanden ist. Der entsprechende Code ist dabei so ausgelegt, dass sichergestellt ist, dass wenigstens ein Paar von benachbarten Empfängerspulen 51 - 54 unabhängig von der Stellung des Positionsmesssystems einen „1“-Wert optimal erkennen kann.
  • Der zweite Teilungsabstand δ der Empfängerspulen 51 - 54 ist konstant, wobei vorliegend die Bedingung 2 × λ = 3 × δ erfüllt ist, da dann die Signalauswertung besonders einfach ist. Es ist aber ebenso denkbar, die Bedingung 4 × λ = 5 × δ anzuwenden. Dann werden weniger Empfängerspulen 51-54 benötigt, wobei die Signalauswertung aufwändiger ist.
  • 2 zeigt einen Schaltplan der Abtastvorrichtung 30 des Positionsmesssystems nach 1. Die Abtastvorrichtung 30 umfasst eine Sensoreinheit 40 und eine Auswerteeinheit 31. Bei der Auswerteeinheit 31 handelt es sich vorzugsweise um eine gesonderte Platine, auf der die unter der Bezugsziffer 31 eingerahmten Baugruppen angeordnet sind. Die verbleibenden, in der 2 dargestellten Komponenten sind in unmittelbarere räumlicher Nähe zueinander angeordnet, wobei die Empfängerspulen 51 - 54 wiederum mit geringem Abstand zu den Markierungen auf der Maßverkörperung angeordnet sind. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform werden besonders wenige Verbindungsleitungen 74; 75; 65c zwischen der Sensoreinheit 40 und der Auswerteeinheit 31 benötigt.
  • Ein erster Anschluss 55 aller Empfängerspulen 51 - 54 ist an ein gemeinsames Spannungsniveau 47 angeschlossen. Bei dem gemeinsamen Spannungsniveau 47 kann es sich um das Erdpotential handeln. Sofern der Differenzverstärker 65 eine asymmetrische Spannungsversorgung hat, kann das gemeinsame Spannungsniveau 47 die mittlere Spannung dieser Spannungsversorgung sein. Das gemeinsame Spannungsniveau 47 kann auch an der Auswerteeinheit 31, insbesondere an dem dortigen Analog-Digital-Wandler 32, anliegen. Der andere, zweite Anschluss 56 der Empfängerspulen 51 - 54 ist jeweils mit einem Schaltmittel 61 - 64 in Form eines Schalters auf Basis von Halbleitern verbunden. Die Schaltmittel 61 - 64 sind jeweils entweder an eine erste oder eine zweite Signalleitung 66; 67 angeschlossen. Die Empfängerspulen 51 - 54 sind dabei so abwechselnd an die erste und die zweite Signalleitung 66; 67 angeschlossen, dass zwei unmittelbar benachbarte Empfängerspulen 51 - 54 an verschiedene Signalleitungen 66; 67 angeschlossen sind.
  • Weiter ist ein Differenzverstärker 65 vorgesehen, der einen positiven und einen negativen Eingang 65a; 65b und einen Ausgang 65c aufweist. Die erste Signalleitung 66 ist an den positiven Eingang 65a angeschlossen, wobei die zweite Signalleitung 67 an den negativen Eingang 65b angeschlossen ist. Im Folgenden wird beispielhaft ein Zustand betrachtet, in dem die Schaltmittel 61 und 62, die den unmittelbar benachbarten Empfängerspulen 51; 52 zugeordnet sind, geschlossen sind, wobei die übrigen Schaltmittel 63; 64 offen sind. Dies hat zur Folge, dass am positiven Eingang 65a die Spannung anliegt, welche von der Senderwindungsanordnung (Nr. 41 in 1) in die erste Empfängerspule 51 induziert wird, wobei am negativen Eingang 65b die Spannung anliegt, welche von der Senderwindungsanordnung in die zweite Empfängerspule 52 induziert wird. Der Differenzverstärker 65 verstärkt die Differenz dieser Spannungen und gibt die verstärkte Spannungsdifferenz über seinen Ausgang 65c an den Analog-Digital-Wandler 32 weiter. Dementsprechend sind im vorstehend erläuterten Beispiel die erste und die benachbarte zweite Empfängerspule 51; 52 über das erste und das zweite Schaltmittel 61; 62 differentiell zusammengeschaltet.
  • Die Schaltmittel 61 - 64 werden mittels einer Betätigungsvorrichtung 70 betätigt, welche ein Schieberegister 71 aufweist. Das Schieberegister 71 ist aus mehreren D-Flipflops 72 zusammengesetzt, wobei jedem Schaltmittel 61 - 64 ein D-Flipflop 72 zugeordnet ist. Die D-Flipflops 72 haben jeweils einen Takt- und einen Dateneingang 72a; 72b und einen Ausgang 72c. Der Ausgang 72c eines D-Flipflops 72 ist jeweils mit dem Dateneingang 72a desjenigen D-Flipflops 72 verbunden, welches der bezüglich der Messrichtung 11 nächsten Empfängerspule 51 - 54 zugeordnet ist. Die Takteingänge 72b aller D-Flipflops sind parallel über eine Taktleitung 75 an einen programmierbaren Digitalrechner 33 in der Auswerteeinheit 31 angeschlossen, so dass sie gleichzeitig weitergetaktet werden. Weiter ist der Dateneingang 72a des in der Reihe ersten D-Flipflops 72 über die Datenleitung 74 an den genannten Digitalrechner 33 angeschlossen. Die Ausgänge 72c der D-Flipflops bilden jeweils einen Abgriff 73, mit dem das zugeordnete Schaltmittel 61 - 64 gesteuert wird. Dabei wird das Schaltmittel 61 - 64 beispielsweise in einen ersten Zustand mit einem niedrigen elektrischen Widerstand geschaltet, wenn an dem zugeordneten Abgriff 73 eine logische „1“ anliegt, wobei es in einen zweiten Zustand mit einem deutlich höheren elektrischen Widerstand geschaltet wird, wenn am Abgriff 73 eine logische „0“ anliegt.
  • Anfangs legt der Digitalrechner 33 an der Datenleitung eine logische „0“ an, die über vorliegend vier Taktsignale an der Taktleitung in alle D-Flipflops 72 eingetaktet wird. An allen Abgriffen 73 liegt dann eine logisch „0“ an, so dass alle Schaltmittel 61-64 geöffnet sind. Anschließend wird über zwei weitere Takte eine logische „1“ an die Datenleitung 74 angelegt, so dass an den Abgriffen der ersten beiden D-Flipflops eine logische „1“ anliegt, wobei an allen übrigen Abgriffen eine logische „0“ anliegt. Folglich sind die erste und die zweite Empfängerspule 51; 52 an den Differenzverstärker 65 angeschlossen. Bei jedem weiteren Takt liegt nun wieder eine logische „0“ an der Datenleitung 74 an, so dass die beiden genannten logischen „1“-Werte mit jedem Takt um eine Stelle des Schieberegisters 71 weitergetaktet werden. In der Folge wird mit jedem Takt das in Messrichtung 11 jeweils nächste benachbarte Paar von Empfängerspulen 51 - 54 mit dem Differenzverstärker 65 verbunden.
  • Der Digitalrechner 33 ermittelt aus den vom Analog-Digital-Wandler 32 ausgegebenen Digitalwerten die absolute Position, welche die Abtastvorrichtung gegenüber der Maßverkörperung einnimmt.
  • Es versteht sich von selbst, dass vorzugsweise wesentlich mehr als die dargestellten vier Empfängerspulen 51 - 54 verwendet werden. Beispielsweise kann daran gedacht sein, 40 Empfängerspulen zu verwenden, die einen zweiten Teilungsabstand δ von 0,667 mm aufweisen, wobei die Maßverkörperung einen ersten Teilungsabstand λ von 1,000 mm aufweist. Ebenso ist es denkbar, 33 Empfängerspulen zu verwenden, die in einen zweiten Teilungsabstand δ von 0,800 mm aufweisen, wobei die Maßverkörperung einen ersten Teilungsabstand λ von 1,000 mm aufweist.
  • Die in 2 dargestellte Schaltung kann prinzipiell um beliebig viele Empfängerspulen 51 - 54 erweitert werden.
  • 3 zeigt eine grobschematische Darstellung mit unterschiedlichen Stellungen der Empfängerspulen gegenüber der Maßverkörperung. Von der Maßverkörperung sind allein die bereits angesprochenen Rasterlinien 25-1 - 25-6 als vertikale, strichpunktierte Linien dargestellt. Wie bereits erläutert, findet allein an diesen Stellen der für die Codierung verwendete Wechsel von Material auf Freiraum statt. Zwei unmittelbar benachbarte Rasterlinien 25-1 - 25-6 weisen jeweils den ersten Teilungsabstand λ auf.
  • Weiter sind die Empfängerspulen 51 - 54 als Rechtecke dargestellt, deren Breite gleich dem zweiten Teilungsabstand δ ist, wobei vorliegend die Bedingung 2 × λ = 3 × δ erfüllt ist. Die genannten Rechtecke deuten den Bereich der Maßverkörperung an, der einen Einfluss auf die in die betreffende Empfängerspule 51 - 54 induzierte Spannung hat.
  • Weiter sind in 2 übereinander vier Grenzstellungen 81 - 84 der Empfängerspulen 51 - 54 gegenüber der Maßverkörperung bzw. den entsprechenden Rasterlinien 25-1 - 25-6 dargestellt.
  • In der ersten Grenzstellung 81 wird das Paar aus der ersten und der zweiten Empfängerspule 51; 52 allein von den Verhältnissen an der Rasterlinie 25-3 beeinflusst. Das Paar aus der zweiten und der dritten Empfängerspule 52; 53 wird ebenfalls alleine von den Verhältnissen an der Rasterlinie 25-3 beeinflusst. Das Paar aus der dritten und der vierten Empfängerspule 53; 54 wird allein von den Verhältnissen an der Rasterlinie 25-4 beeinflusst.
  • Damit kann der Code an der Rasterlinie 25-4 allein durch Auswertung des differentiell zusammengeschalteten Paares aus der dritten und der vierten Empfängerspule 53; 54 ermittelt werden.
  • Verschiebt man nun die Empfängerspulen 51 - 54 in Richtung der zweiten Grenzstellung 82, so erkennt man, dass das Paar aus der zweiten und der dritten Empfängerspule 52; 53 in den Einflussbereich der beiden Rasterlinien 25-3 und 25-4 gelangt, während das Paar aus der ersten und der zweiten Empfängerspule 51; 52 allein im Einflussbereich der Rasterlinie 25-3 verbleibt. Damit kann der Code an der Rasterlinie 25-3 in dieser Bewegungsphase allein durch Auswertung des differentiell zusammengeschalteten Paares aus der ersten und der zweiten Empfängerspule 51; 52 ermittelt werden.
  • Die vorstehenden Überlegungen lassen sich problemlos auf die Bewegungsphase beim Übergang von der zweiten in die dritte Grenzstellung 82; 83 übertragen. Hier wird das Paar aus der ersten und der zweiten Empfängerspule 51; 52 allein von den Verhältnissen an der Rasterlinie 25-3 beeinflusst, wobei das Paar aus der zweiten und der dritten Empfängerspule 52; 53 allein von den Verhältnissen an der Rasterlinie 25-4 beeinflusst wird.
  • Beim Übergang von der dritten in die vierte Grenzstellung 83; 84 wird das Paar aus der zweiten und der dritten Empfängerspule 52; 53 allein von der Rasterlinie 25-4 beeinflusst, wobei das Paar aus der dritten und der vierten Empfängerspule 53; 54 allein von den Verhältnissen an der Rasterlinie 25-5 beeinflusst wird.
  • Die vierte Grenzstellung 84 entspricht der ersten Grenzstellung 81, wobei sie genau um einen ersten Teilungsabstand λ versetzt ist. Da vorliegend die Bedingung 2 × λ = 3 × δ erfüllt ist, lassen sich die vorstehenden Überlegungen auf eine Abtastvorrichtung übertragen, die beliebig viele Empfängerspulen aufweist, die in Messrichtung 11 in einer Reihe angeordnet sind. Es ist sichergestellt, dass es genügend viele Paare von Empfängerspulen 51 - 54 gibt, die jeweils nur von den Verhältnissen an einer einzigen Rasterlinie 25-1 - 25-6 beeinflusst werden.
  • 4 zeigt Codebeispiele, welche im Betrieb eines erfindungsgemäßen Positionsmesssystems auftreten können. Mit der Bezugsziffer 34 sind die Codes gekennzeichnet, die mit den Empfängerspulen von der Maßverkörperung abgelesen wurden. Im vorliegenden Beispiel wurden 12 Codes abgelesen, wobei die entsprechende Abtastvorrichtung 13 Empfängerspulen aufweist. Da vorliegend die Bedingung 2 × λ = 3 × δ erfüllst ist, ergeben sich insgesamt drei Gruppen G1; G2; G3 von Codes, die jeweils 12 ÷ 3 = 4 Codebits umfassen. Die Codebits einer Gruppe Gi; G2; G3 sind jeweils um drei Codestellen voneinander beabstandet.
  • Mit dem Buchstaben „X“ sind diejenigen Codes gekennzeichnet, bei denen dem vom Analog-Digital-Wandler ermittelten Messwert kein Code-Wert eindeutig zugeordnet werden konnte. Dies liegt darin begründet, dass die einsprechenden Codes von einem Paar von benachbarten Empfängerspulen ermittelt wurden, das von den Verhältnissen an zwei benachbarten Rasterlinien beeinflusst ist. Die nicht eindeutigen Codes 36 liegen alle in derselben Gruppe, vorliegend in der Gruppe G2. Die Codewerte der Gruppe G2 werden vorliegend also verworfen, so dass sich die benutzten Codewerte 35 allein den Gruppen Gi und G2 entnommen werden.
  • Die benutzten Codewerte 35 werden nun mit der Zufallszahlenfolge verglichen, welche auf der Maßverkörperung 20 aufgebraucht ist. Diese Zufallszahlenfolge ist in dem Digitalrechner (Nr. 33 in 2) in geeigneter Form gespeichert, so dass der entsprechende Vergleich vom Digitalrechner problemlos durchgeführt werden kann. Die Position 26 des abgelesenen Codes 35 innerhalb der gespeicherten Zufallszahlenfolge entspricht der absoluten Position, welche die Abtastvorrichtung gegenüber der Maßverkörperung einnimmt. Dabei werden vorliegend Codes, die sich nur an einer Stelle voneinander unterscheiden, als gleich betrachtet.
  • Die genannte Zufallszahlenfolge wird vorzugsweise mit dem in der DE 10 2013 220 747 A1 beschriebenen Verfahren ermittelt, so dass zumindest eine 1-Bit-Fehlerkorrektur möglich ist. Im vorliegenden Beispiel kann also der Lesefehler, welcher an der mit der Bezugsziffer 37 gekennzeichneten Stelle aufgetreten ist, kompensiert werden.
  • Bezugszeichenliste
  • Gi
    Gruppe von Codebits
    λ
    erster Teilungsabstand
    δ
    zweiter Teilungsabstand
    m
    Breite des Zufallscodes
    10
    Positionsmesssystem
    11
    Messrichtung
    20
    Maßverkörperung
    21
    Markierung
    22
    Durchbruch
    23
    Metallband
    24
    Seitensteg
    25-1 - 25-6
    Rasterlinie des Markierungsrasters
    26
    Position innerhalb des Zufallscode
    30
    Abtastvorrichtung
    31
    Auswerteeinheit
    32
    Analog-Digital-Wandler
    33
    programmierbarer Digitalrechner
    34
    abgelesene Codewerte
    35
    benutzte Codewerte
    36
    nicht eindeutiges Bit
    37
    fehlerhaftes Bit
    38
    Mittellinie
    40
    Sensoreinheit
    41
    Senderwindungsanordnung
    42
    Senderfläche
    43
    schlangenlinienartige Leiterbahn
    43a
    erste Gruppe
    43b
    zweite Gruppe
    44
    Grenze zwischen den zwei Gruppen von schlangenlinienartigen Leiterbahnen
    45
    Anschluss der Senderwindungsanordnung
    46
    Wechselstromquelle
    47
    gemeinsames Spannungsniveau
    51
    erste Empfängerspule
    52
    zweite Empfängerspule
    53
    dritte Empfängerspule
    54
    vierte Empfängerspule
    55
    erster Anschluss einer Empfängerspule
    56
    zweiter Anschluss einer Empfängerspule
    61
    erstes Schaltmittel
    62
    zweites Schaltmittel
    63
    drittes Schaltmittel
    64
    viertes Schaltmittel
    65
    Differenzverstärker
    65a
    positiver Eingang des Differenzverstärkers
    65b
    negativer Eingang des Differenzverstärkers
    65c
    Ausgang des Differenzverstärkers
    66
    erste Signalleitung
    67
    zweite Signalleitung
    70
    Betätigungsvorrichtung
    71
    Schieberegister
    72
    D-Flipflop
    72a
    Dateneingang
    72b
    Takteingang
    72c
    Ausgang
    73
    Abgriff
    74
    Datenleitung
    75
    Taktleitung
    81
    erste Grenzstellung
    82
    zweite Grenzstellung
    83
    dritte Grenzstellung
    84
    vierte Grenzstellung

Claims (11)

  1. Positionsmesssystem (10) mit einer Maßverkörperung (20) und einer Abtastvorrichtung (30), welche bezüglich einer Messrichtung (11) beweglich zueinander sind, wobei die Maßverkörperung (20) eine Vielzahl von Markierungen (21) aufweist, die bezüglich der Messrichtung (11) in einer Reihe angeordnet sind, wobei die Abtastvorrichtung (30) eine Senderwindungsanordnung (41) aufweist, wobei mehrere Empfängerspulen (51 - 54) vorgesehen sind, die bezüglich der Messrichtung (11) in einer Reihe angeordnet sind, wobei die induktive Kopplung zwischen der Senderwindungsanordnung (41) und den Empfängerspulen (51 - 54) abhängig von der Stellung der Abtastvorrichtung (30) gegenüber der Maßverkörperung (20) ist, wobei die Senderwindungsanordnung (41) mehrere gesonderte Senderflächen (42) umgrenzt, die bezüglich der Messrichtung (11) in einer Reihe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in den Senderflächen (42) jeweils höchstens eine einzige Empfängerspule (51 - 54) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Schaltmittel (61 - 64) vorgesehen ist, mit dem zwei benachbarte Empfängerspulen (51 - 54) differentiell zusammenschaltbar sind, wobei das wenigstens eine Schaltmittel (61 - 64) einen ersten Zustand aufweist, in dem es einen ersten elektrischen Widerstand hat, wobei es einen zweiten Zustand aufweist, in dem es einen zweiten elektrischen Widerstand hat, wobei der zweite elektrische Widerstand wenigstens 1000-mal größer als der erste elektrische Widerstand ist, wobei das wenigstens eine Schaltmittel (61 - 64) zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand umschaltbar ist.
  2. Positionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei ein Differenzverstärker (65) vorgesehen ist, über den die Empfängerspulen (51 - 54) mit dem wenigstens einen Schaltmittel (61 - 64) differentiell zusammenschaltbar sind.
  3. Positionsmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Empfängerspule (51 - 54) ein gesondertes Schaltmittel (61 - 64) zugeordnet ist, wobei eine erste und eine zweite Signalleitung (66; 67) vorgesehen sind, an welche die Empfängerspulen (51 - 54) über die zugeordneten Schaltmittel (61 - 64) angeschlossen sind.
  4. Positionsmesssystem nach Anspruch 3, rückbezogen auf Anspruch 2, wobei der Differenzverstärker (65) einen positiven und einen negativen Eingang (65a; 65b) hat, wobei die erste Signalleitung (66) an den positiven Eingang (65a) angeschlossen ist, wobei die zweite Signalleitung (67) an den negativen Eingang (65b) angeschlossen ist.
  5. Positionsmesssystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Empfängerspulen (51 - 54) so abwechselnd an die erste und die zweite Signalleitung (66; 67) angeschlossen sind, dass zwei unmittelbar benachbarte Empfängerspulen (51 - 54) an verschiedene Signalleitungen (66; 67) angeschlossen sind.
  6. Positionsmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Markierungen (21) von Durchbrüchen (22) in einem Metallband (23) gebildet werden, wobei die Breite und der Abstand der Durchbrüche (22) jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten, ersten Teilungsabstands λ sind.
  7. Positionsmesssystem nach Anspruch 6, wobei die Empfängerspulen (51 - 54) einen konstanten zweiten Teilungsabstand δ aufweisen, wobei die Bedingung r × λ = s × δ gilt, wobei r und s ganze Zahlen sind, für die s > r gilt.
  8. Positionsmesssystem nach Anspruch 7, wobei die Markierungen (21) eine Zufallszahlenfolge bilden, wobei jede beliebige Auswahl einer Anzahl m unmittelbar benachbarter Markierungen (21) verschieden von jeder beliebigen anderen Auswahl einer Anzahl m unmittelbar benachbarter Markierungen (21) ist, wobei zumindest eine Auswahl von m-1 unmittelbar benachbarten Markierungen (21) an wenigstens zwei Stellen des Codes vorkommt, wobei für die Anzahl e der Empfängerspulen (51 - 54) e ≥ 1,2 × m × s ÷ r gilt.
  9. Positionsmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei alle Empfängerspulen (51 - 54) an der von dem zugeordneten Schaltmittel (61 - 64) abgewandten Seite elektrisch an das gleiche Spannungsniveau (47) angeschlossen sind.
  10. Positionsmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Betätigungsvorrichtung (70) für die Schaltmittel (61 - 64) vorgesehen ist, welche mehrere D-Flip-Flops (72) aufweist, die in Form eines Schieberegisters (71) zusammengeschaltet sind, welches einen Takteingang (75) und mehreren Abgriffe (73) aufweist, wobei die Schaltmittel (61 - 64) von einem zugeordneten Abgriff (73) betätigt werden.
  11. Verfahren zum Betrieb eines Positionsmesssystems nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei nacheinander verschiedene Paare von Empfängerspulen (51 - 54) über die zugeordneten Schaltmittel (61 - 64) differentiell zusammengeschaltet werden, wobei wenigstens eine Empfängerspule (51 - 54) in einer Stellung des Positionsmesssystems (10) zum Ablesen zweier unterschiedlicher Markierungen (21) verwendet wird.
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