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Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Messtechnik, insbesondere den Bereich der aktiven Magnetlagertechnik. Es handelt sich um einen kapazitiven Abtandssensor zur Messung in einer oder mehreren Messachsen mit sehr hoher Störfestigkeit gegenüber von aktiven Magnetlagern oder elektrischen Antrieben erzeugten elektromagnetischen Störungen.
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Kapazitive Abstandsmesssysteme bieten gegenüber anderen Messprinzipien, beispielsweise induktiven und optischen, eine sehr hohe Auflösung, Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Eigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts, hohe Flexibilität bei Bauform und Montage der Sensoren und verursachen verhältnismäßig geringe Kosten. Stand der Technik sind kapazitive Messsysteme mit Trägerverfahren, bei denen die Amplitude eines trägerfrequenten Signals, welche durch die zu messende Kapazität zwischen Sensor und Messobjekt bestimmt wird, ausgewertet wird. Weiterhin gibt es Messsysteme, welche durch eine aktive Schirmung die Wirkung der parasitären Kapazität zwischen Sensorelektrode und Erde vermindern und den Feldverlauf der Sensorelektrode homogenisieren (u. a. in
DE 00 0003 734 715 A1 ). Die Zuleitung zu den Sensoren erfolgt daher durch Triaxial-Leitungen, bei denen zwischen dem Signalinneleiter und dem Masseaußenleiter noch ein Aktivschirmleiter existiert. Der Einfluss der Kapazität zwischen Messobjekt und Erde auf das Messsignal wird bei manchen Systemen vermindert, indem mehrere Sensoren verwendet und die Verschiebungsströme derer Messelektroden gegenphasig synchronisiert geregelt werden (Fa. micro-epsilon, Katalog capaNCDT „Kapazitive Sensoren für Weg, Abstand & Position”).
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Ein Problem bei der Anwendung der bisherigen kapazitiven Messsysteme in aktiven Magnetlagern ist die geringe Störfestigkeit gegenüber der dort auftretenden elektromagnetischen Störungen. Die Störspektren der elektronischen Pulssteller des Magnetlagers besitzen typischerweise hohe Intensitäten im Bereich der Trägerfrequenzen bisheriger Messsysteme, wo im Gegensatz zu anderen Frequenzen eine stark erhöhte Störempfindlichkeit besteht. Weiterhin kommt es häufig zur Anlagerung von feinen magnetischen Spänen oder Metallstaub am schwebenden Teil des Magnetlagers, sodass bei Bewegung zeitlich unregelmäßig Kurzschlüsse zwischen schwebendem und feststehendem Teil des Lagers entstehen. Diese verursachen Änderungen des elektrischen Wellenpotentials mit steilen Flanken, wodurch die Messsysteme ebenfalls gestört werden. Zur stabilen Lagerung des Messobjekts in einem aktiven Magnetlager muss das Abstandssignal zudem zeitlich abgeleitet werden, um ein Geschwindigkeitssignal für die Regelung zu erhalten. Dies erfordert jedoch vor allem bei hochdynamischen Magnetlagern eine hohe Grenzfrequenz des Messsystems, welche bei bisherigen Messsystemen aufgrund der niedrigen Trägerfrequenz eher gering ausfällt. Die Messung der Lage des Messobjektes muss oft in mehreren Achsen geschehen, wobei alle genannten Anforderungen für jede der Messachsen gelten.
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Durch die Erfindung werden die elektromagnetischen Beeinträchtigungen stark vermindert sowie die Grenzfrequenz des Messsystems erhöht, wobei eine große Anzahl von Sensoren synchron betrieben werden kann. Das Gesamtsystem einer Anordnung von n Messsystemen zur Abstandsmessung in bis zu n Messachsen besteht aus den Teilsystemen Signalgenerator, Einzelmesssystem und Sensor. Der Signalgenerator erzeugt einen gemeinsamen HF-Träger für alle n Einzelmesssysteme und gewährleistet dadurch deren Synchronität. Die n differenziellen Einzelmesssysteme werden jeweils mit dem Träger versorgt, erzeugen daraus das Messsignal, demodulieren dieses und digitalisieren es über einen differenziellen AD-Wandler. Der Sensor eines der n Einzelmesssysteme enthält zwei identische Teilsensoren. Ein Teilsensor besteht nach 2 aus einer Messelektrode deren Kapazität zum Messobjekt gemessen wird. Diese wird über einen Widerstand von einem sinusförmigen HF-Träger gespeist. Die Messelektrode ist umgeben von einem Aktivschirm. Ein schneller Operationsverstärker (OPV) zwischen Messelektrode und Aktivschirm sorgt dafür, dass auf dem Aktivschirm stets nahezu das gleiche Potential anliegt wie auf der Messelektrode und kompensiert somit den Einfluss der Kapazität zwischen Messelektrode und Erde. Der Aktivschirm ist umgeben von einem Masseschirm zur zusätzlichen Schirmung des Aktivschirms vor äußeren elektrischen Feldern. Der Trägerfrequenzgenerator erzeugt eine Sinusspannung, welche an alle n Sensorverstärkermodule verteilt wird. Dort werden jeweils durch einen nichtinvertierenden sowie einen invertierenden OPV zwei vom Sinusgenerator entkoppelte und zueinander spiegelsymmetrische Träger erzeugt. Jeder Träger wird nach 1 je einer HF-Messbrücke zugeführt, wodurch jeweils die Spannung am Teiler bestehend aus R1/2 und C1/2 mit dem Referenzteiler bestehend aus R1/2ref und C1/2ref verglichen wird. Das Messsignal des einen Teilers ist bereits durch den OPV zur Kompensation der parasitären Kapazitäten gepuffert, sodass statt dem Original-Messsignal das Signal auf dem Aktivschirm genutzt wird. Das Signal des anderen Teilers wird ebenfalls einem OPV gleichen Typs zugeführt, um Pufferung und Phasengleichheit zu ermöglichen. Die Ausgänge der Puffer-OPVs jeder der Teiler führen auf Hochpässe zur Bandbegrenzung. Hinter den vier Hochpässen befinden sich zwei differenzielle Demodulatoren, jeweils bestehend aus zwei Schottkydioden und einem RC-Netzwerk. Die beiden demodulierten differenziellen Signale werden jeweils einem Brückenverstärker zugeführt. Deren Ausgangssignale bilden zusammen das differenzielle Messsignal, welches schließlich über einen passiven differenziellen Tiefpass einem AD-Wandler mit differenziellem Eingang zugeführt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die anfangs erwähnten Probleme bekannter Messsysteme werden durch die Erfindung wie folgt umgegangen.
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Zunächst ist die Trägerfrequenz erheblich höher (einige MHz), als es bei bisherigen Messsystemen gebräuchlich ist (einige 10 kHz). Dadurch und durch die Nutzung von entsprechenden Hochpässen wird der Frequenzbereich, in dem das Messsystem empfindlich für Störungen ist, in Bereiche verschoben, wo erheblich weniger Störungen auftreten. Darüber hinaus steigt dadurch die Grenzfrequenz des Messsystems, da diese prinzipbedingt durch die Trägerfrequenz nach oben begrenzt ist. Die hohe Trägerfrequenz ist möglich durch die Verwendung einer Messbrückenschaltung anstelle einer Regelung, welche die Amplitude des Verschiebungsstromes regelt. Durch die Verwendung der Messbrücken im Gegensatz zu einer Regelung des Verschiebungsstromes gibt es bei hohen Frequenzen keine Schwierigkeiten mit der Stabilität oder Genauigkeit und die Anforderungen an die aktiven Bauteile sinken. Eventuell vorhandene Oberschwingungen auf dem Träger werden zudem durch das Tiefpassverhalten der Brücke im Signal an der Messelektrode reduziert.
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Der differenzielle Sensor in Verbindung mit dem differenziellen AD-Wandler sorgt dafür, dass Wellenpotentiale nur den Gleichtaktanteil des Messsignals beeinflussen und somit im differenziellen AD-Wandler kompensiert werden. Dadurch, dass die Kapazitäten beider Teilsensoren des differenziellen Sensors für jeden Abstand der Welle gleich groß sind, funktioniert die Kompensation unabhängig vom Abstand. Das anfangs erwähnte Kompensationsverfahren nach dem bisherigen Stand der Technik durch die Regelung des Verschiebungsstromes funktioniert dagegen über 2 Sensoren in unterschiedlichen Achsen, wobei die beiden Verschiebungsströme beider Sensorelektroden gegenphasig zueinander geregelt werden. Bei diesem Verfahren gibt es jedoch eine Abhängigkeit des in den schwebenden Teil des Magnetlagers eingeprägten Gesamtverschiebungsstroms, da auch die Schutzringe, die mit den Aktivschirmen verbunden sind, einen deutlichen Beitrag zum Verschiebungsstrom leisten. Deren Kapazitäten sind jedoch wegen der Krümmung der Welle und der Feldinhomogenitäten am Rand des Schutzringes in anderer Weise abhängig vom Abstand, als die Kapazitäten zwischen Messelektrode und Welle. Daher sind die Verschiebungsströme beider Sensoren nur für gleichen Abstand betragsmäßig gleich groß und eine deutliche Kompensation ist nur dann möglich, wenn das Messobjekt in beiden Achsen den gleichen Abstand zum jeweiligen Sensor besitzt. Durch die Verwendung des differenziellen Sensors in der Erfindung wird bereits bei Messung in nur einer Messachse und für jeden Abstand sichergestellt, dass eine deutliche Kompensation möglich ist. Darüber hinaus wird der Einfluss der Kapazität zwischen Messobjekt und Erde und somit die Störabstrahlung der Welle ebenfalls für jeden Abstand deutlich verringert.
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Der differenzielle Demodulator in der Erfindung besitzt eine einfache Bauweise, die dennoch eine hohe Gleichtaktunterdrückung auch für hochfrequente Störungen erlaubt. Tritt beispielsweise ein positiver Gleichtakt-Störimpuls aufgrund von Änderungen des Wellenpotentials auf, so ist in einem der beiden differenziellen Demodulatoren nach 3 die Diode D1 in Flussrichtung gepolt, während die Diode D2 sperrt. Bei Verwendung gewöhnlicher Tiefpässe hinter jedem Diodenzweig wäre eine mangelhafte Gleichtaktunterdrückung die Folge, da einer der Tiefpässe über den Widerstand R1 und die Diode D1 geladen werden würde, während der andere über die Widerstände R3 und R4 entladen werden würde. In der Erfindung wird dies verhindert, da es einen gemeinsamen Kondensator C für einen nichtinvertierenden Zweig zusammen mit dem zugehörigen invertierenden Zweig gibt. Tritt eine Gleichtakt-Störspannung auf, so fließt kein Strom durch den Kondensator und dessen Differenzspannung bleibt konstant – lediglich der Bezugspunkt für die Differenzspannung wird verschoben. Darüber hinaus ist die Gleichtaktunterdrückung dieser Schaltung unempfindlicher gegenüber Bauteiltoleranzen. Durch den differenziellen Demodulator werden die Differenzsignale der beiden Messbrücken jeweils vorgeglättet, sodass die benötigte Bandbreite und Stromaufnahme der sich nach 1 anschließenden Brückenverstärker geringer ausfällt. Somit wird auch deren Erwärmung und als Folge deren Rauschen und die Temperaturdrift reduziert. Die Temperaturdrift der Demodulatoren selbst wird durch gute thermische Kopplung aller vier Schottkydioden kompensiert.
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Zur Erhöhung der Linearität können bei Bedarf mehrere Sensoren für eine Messachse eingesetzt werden, z. B. 2 gegenüberliegende Sensoren, deren Messsignale dann wie üblich subtrahiert werden. Da die Kombination der einzelnen Messsignale auf digitaler Ebene erfolgt, können auch ungerade Anzahlen von Sensoren zur Messung in mehreren Achsen kombiniert werden. Die einzelnen differenziellen Sensoren beeinflussen sich dabei nicht gegenseitig, da zum einen alle Messsysteme durch das gemeinsame Trägersignal synchron arbeiten, sodass es keine Schwebungen gibt. Zum anderen ist für jeden Abstand gewährleistet, dass der Gesamtverschiebungsstrom eines differenziellen Sensors nahezu null ist.
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Die zulässigen Leitungslängen zwischen Trägersignalgenerator und den Einzelmesssystemen sind daher im Vergleich zu üblichen Messsystemen mit Triaxialleitung zwischen Sensor und Auswertungselektronik nahezu unbegrenzt. Über die Leitungen werden nur das störfeste digitale Ausgangssignal des AD-Wandlers sowie das Trägersignal übertragen. Das Trägersignal wird erst im Einzelmesssystem mit samt seinen Störungen in zwei Einzelsignale zerlegt. Die Störungen dieser beiden symmetrischen Träger werden jeweils über die beiden Messsbrücken kompensiert. Bei mehreren Einzelmesssystemen bestimmen deren Leitungslängen nur die Phasenverschiebungen zwischen den Signalen an den Messelektroden der Einzelmesssysteme. Der Gesamtverschiebungsstrom eines Einzelmesssystems verschwindet jedoch weiterhin, sodass auch für große Leitungslängen keine gegenseitige Beeinflussung mehrerer Einzelmesssysteme auftritt.
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Ausführungsbeispiel 1
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Zur Vermessung der axialen Lage einer Welle in einem Magnetlager oder zur Messung des Abstands eines beliebigen anderen elektrisch leitfähigen oder dielektrischen Objektes genügt ein differenzieller Sensor (vgl. „Sensor 1” aus 2) und ein dazugehöriges Einzelmesssystem mit einem Trägergenerator. Letzterer kann auch in das Einzelmesssystem integriert werden. Eine Realisierungsmöglichkeit für den Trägergenerator wäre ein quarzgestützter Rechteckgenerator mit anschließenden Filterschaltungen zum Erzeugen einer Sinusspannung. Der Sensor kann für einfache Anwendungen beispielsweise aus mit Metall beschichteten Kunststofffolien geätzt und auf die Messposition aufgeklebt werden. Zweckmäßigerweise wird über diese mehrschichtige Folie das Einzelmesssystem, welches nahe zum Sensor angeordnet sein sollte, mit dem Sensor verbunden. Das Einzelmesssystem wird wie üblich auf einer geätzten Platine aufgebaut, idealerweise in SMD-Technik und in einem kompakten Abschirmgehäuse untergebracht. Für die Realisierung der beiden justierbaren Referenzspannungsteiler kann im einfachsten Fall je eine Festkapazität und ein Präzisionspotentiometer eingesetzt werden, elektronisch einstellbare Alternativen waren u. a. ein Festwiderstand und eine Kapazitätsdiode oder ein digitales Potentiometer und eine Festkapazität.
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Ausführungsbeispiel 2
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Zur Vermessung der Position einer Welle in einem radialen Magnetlager können beispielsweise vier Sensoren nach 2 angeordnet werden. Die Sensoren können aus mit Metall beschichteten Kunststofffolien geätzt werden. Wird die Position der Welle in horizontaler und vertikaler Richtung vermessen, so gibt es pro Messachse zwei gegenüber liegende Sensoren. Aus den digitalen Ausgangssignalen der beiden zugehörigen Einzelmesssysteme kann über einen Mikrorechner jeweils die Differenz gebildet werden. Dadurch wird die Linearität in beiden Messachsen erhöht sowie Dickenveränderungen von Welle oder Sensoren kompensiert. Ebenso ist beispielsweise eine Anordnung von drei Sensoren im 120°-Abstand zueinander möglich, bei der die drei Messsignale über die entsprechenden Skalarprodukte in zwei orthogonale Signale für horizontale und vertikale Position transformiert werden. Auch in diesem Fall werden die o. g. Dickenänderungen kompensiert, wenn auch weniger effektiv, als bei Verwendung von vier Sensoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000003734715 A1 [0002]
