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Die Erfindung betrifft eine magnetostriktive Sensorvorrichtung, umfassend mindestens einen magnetischen Positionsgeber, mindestens einen Messfühler mit einem Wellenleiter, an welchen der mindestens eine magnetische Positionsgeber berührungslos koppelt, eine Detektorspuleneinrichtung, welche dem mindestens einen Messfühler zugeordnet ist, eine Datenverarbeitungseinrichtung, welche einen zeitlichen Verlauf mit einer zeitlichen Form von Signalen der Detektorspuleneinrichtung ermittelt, wobei eine Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs vorgesehen ist, und eine Analyseeinrichtung, welche den zeitlichen Verlauf analysiert.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer magnetostriktiven Sensorvorrichtung, bei dem Signale einer Detektorspuleneinrichtung in ihrem zeitlichen Verlauf mit ihrer zeitlichen Form ermittelt werden, aufgezeichnet werden, und analysiert werden.
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Magnetostriktive Sensorvorrichtungen (magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtungen) sind beispielsweise in E. Hering, G. Schönfelder (Herausgeber), „Sensoren in der Wissenschaft und Technik“, Wiesbaden, 2012 und in T. Burkhardt, A. Feinäugle, S. Fericean, A. Forkl, „Lineare Weg- und Abstandssensoren“, Verlag Moderne Industrie, München, 2004 beschrieben.
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Die
DE 10 2011 107 651 A1 offenbart eine magnetostriktive Wegaufnehmervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder von Bewegungsgrößen eines Positionsgebers bei einer magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtung, bei dem die Ausgangssignale eines durch wenigstens zwei in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordneten Spulen gebildeten Signalwandlers voneinander subtrahiert werden und aufgrund des zeitlichen Verlaufs des Differenzsignals auf die Position und/oder die Bewegungsgrößen des Positionsgebers geschlossen wird.
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Aus der
US 2005/0114053 A1 ist ein magnetostriktives Sensorsystem bekannt, welches einen Analog-Digital-Wandler umfasst. Der Analog-Digital-Wandler ist mit einem analogen Wellenformdetektor und einer digitalen Auswertungseinrichtung zur Auswertung eines Signals des Wellenformdetektors verbunden.
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Aus der
DE 10 2006 041 827 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitintervalls zwischen einem Startimpuls und einem Positionsimpuls eines Positionssensors nach dem Laufzeitprinzip bekannt, bei dem aus dem analogen Positionsimpuls wenigstens ein digitaler Positionsimpuls mit definierter zeitlicher Breite so erzeugt wird, dass die Positionsimpuls-Mitte des digitalen Positionsimpulses auf der Positionsimpuls-Mitte des analogen Positionsimpulses liegt und bei dem das Zeitintervall bestimmt wird als zeitlicher Abstand zwischen dem Startimpuls und dem Positionsimpuls-Mittelwert des digitalen Positionsimpulses.
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Aus der
DE 101 64 121 A1 ist ein magnetostriktives Wegmessverfahren zur Ermittlung einer Position eines Magneten bekannt, bei dem der Magnet entlang einem Wellenleiter verfahrbar ist, ein Erregerimpuls erzeugt und durch den Wellenleiter zu dem Magneten geführt wird, eine Torsionswelle in dem Wellenleiter entsteht, wenn der Erregerimpuls den Magneten erreicht, ein Antwortimpuls in Abhängigkeit von der Torsionswelle erzeugt wird und die Position des Magneten in Abhängigkeit von dem Erregerimpuls und dem Antwortimpuls ermittelt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Positionen und Erregerimpuls-Korrekturwerten einander zugeordnet werden und dass in Abhängigkeit von der ermittelten Position des Magneten und dem aus der Tabelle zugehörigen Erregerimpuls-Korrekturwert die Dauer des nächsten Erregerimpulses verändert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetostriktive Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche erweiterte Einsatzmöglichkeiten aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten magnetostriktiven Sensorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Analogzweig und ein Digitalzweig vorgesehen sind, wobei im Analogzweig erste analoge Signale der Detektorspuleneinrichtung bereitgestellt sind, und im Digitalzweig digitale Signale bereitgestellt sind, welche mittels der Datenverarbeitungseinrichtung bearbeitet sind oder werden, wobei der Digitalzweig einen Digital-Analog-Wandler umfasst, welcher zweite analoge Signale bereitstellt, und wobei eine Vergleichseinrichtung für erste analoge Signale und zweite analoge Signale vorgesehen ist.
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Durch Kenntnis einer zeitlichen Signalform von Messsignalen der Detektorspuleneinrichtung ergeben sich erweiterte Einsatzmöglichkeiten.
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Beispielsweise ist es dadurch möglich, einen Querabstand des mindestens einen Positionsgebers zu dem Wellenleiter zu ermitteln. Es lässt sich grundsätzlich eine Ausrichtung eines magnetischen Positionsgebers ermitteln. Beispielsweise lässt sich auch eine Rotationsposition eines magnetischen Positionsgebers qualitative und auch quantitativ ermitteln.
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Beispielsweise ist es möglich, über eine Überwachung der zeitlichen Form von entsprechenden Signalen die magnetostriktive Sensorvorrichtung selber zu überwachen und bei entsprechenden Änderungen bzw. Abweichungen ein Warnsignal auszugeben.
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Es ist beispielsweise auch möglich, eine Mehrzahl von magnetischen Positionsgebern zu verwenden, wobei die daraus resultierenden Signale auch verwendbar sind, wenn sich die Magnetfelder von unterschiedlichen magnetischen Positionsgebern überlappen.
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Grundsätzlich ergeben sich eine Vielzahl von zusätzlichen Anwendungsmöglichkeiten sowohl bezüglich Messverfahren als auch bezüglich Überwachung der magnetostriktiven Sensorvorrichtung.
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Grundsätzlich stellt die Detektorspuleneinrichtung zunächst (primär) ein analoges Signal (ein Spannungssignal) bereit.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass eine Digitalisierungseinrichtung Signale der Detektorspuleneinrichtung digitalisiert, das heißt dass analoge Signale der Detektorspuleneinrichtung durch die Digitalisierungseinrichtung in digitale Signale gewandelt werden. Diese werden gespeichert und ausgewertet. Es ergeben sich so eine Vielzahl von erweiterten Einsatzmöglichkeiten.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Digitalisierungseinrichtung eine Digitalisierungsrate von mindestens 2 Millionen Analog-Digital-Wandlungen pro Sekunde und insbesondere mindestens 5 Millionen Wandlungen und vorzugsweise mindestens 8 Millionen Wandlungen pro Sekunde aufweist. Es hat sich gezeigt, dass sich so der zeitliche Verlauf einschließlich der Impulsform der Signale aufzeichnen lässt und es lässt sich dann die entsprechende Analyse durchführen.
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Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass mit entsprechenden Daten die magnetostriktive Sensorvorrichtung gesteuert wird bzw. eine Analyse durchgeführt wird. Es ist aber auch möglich, dass die Steuerung bzw. Analyse mit Daten mit geringerer Auflösung als entsprechend der Digitalisierungsrate erfolgt. Dadurch lässt sich Speicherplatz einsparen bzw. es ergeben sich kürzere Rechenzeiten.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Digitalisierungseinrichtung einen Analog-Digital-Wandler. Der Analog-Digital-Wandler enthält direkt Daten von der Detektorspuleneinrichtung oder bearbeitete Daten von der Detektorspuleneinrichtung, welche beispielsweise verstärkt sind. Es erfolgt eine Wandlung in die digitalen Daten, welche dann weiter verarbeitet werden.
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Insbesondere ist eine Speichereinrichtung für insbesondere digitalisierte Signale der Detektorspuleneinrichtung vorgesehen. Es lässt sich dadurch der zeitliche Verlauf insbesondere in einem Messzyklus speichern und es kann eine entsprechende Analyse erfolgen. Wenn beispielsweise Signalverläufe für zeitlich beabstandete Messzyklen verglichen werden, können auch langsame Veränderungen detektiert werden und entsprechende Schlüsse für die magnetostriktive Sensorvorrichtung gezogen werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche eine Initiierung von Startimpulsen zur Auslösung einer Messung steuert, und welche an die Datenverarbeitungseinrichtung und/oder eine Speichereinrichtung und/oder die Analyseeinrichtung signalwirksam gekoppelt ist. Dadurch lässt sich beispielsweise für die Analyseeinrichtung ein Messzyklus definiert erfassen.
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Es ist ein Analogzweig und ein Digitalzweig vorgesehen, wobei im Analogzweig erste analoge Signale der Detektorspuleneinrichtung bereitgestellt sind, und im Digitalzweig digitale Signale bereitgestellt sind, welche mittels der Datenverarbeitungseinrichtung bearbeitet sind oder werden. Dadurch ergeben sich erweiterte Einsatzmöglichkeiten.
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Weiter ist es vorgesehen, dass der Digitalzweig einen Digital-Analog-Wandler umfasst, welcher zweite analoge Signale bereitstellt, und dass eine Vergleichseinrichtung für erste analoge Signale und zweite analoge Signale vorgesehen ist. Es lassen sich dadurch in dem Digitalzweig bearbeitete Daten mit den ersten analogen Signalen vergleichen. Beispielsweise ist es dadurch möglich, Echosignale und/oder Störsignale zu eliminieren. Dadurch kann sich beispielsweise für eine Laufzeitmessung, welche dann entsprechend an kompensierten analogen Signalen durchgeführt wird, eine höhere Genauigkeit ergeben. Es ist dadurch beispielsweise auch möglich, die magnetostriktive Sensorvorrichtung mit einer geringeren Sample-Frequenz zu betreiben bzw. es lassen sich geringere Auflösungen für einen Analog-Digital-Wandler realisieren. Es ergibt sich dennoch eine hohe Datenwiederholungsfrequenz aufgrund des Vergleichs der ersten analogen Signale und der zweiten analogen Signale. Es lässt sich so eine flexible Kombination von Messungen mit geringer Auflösung und hoher Auflösung bezüglich ausgewählten Targets (magnetischen Positionsgebern) realisieren.
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Insbesondere kompensiert die Vergleichseinrichtung bezüglich der ersten analogen Signale Echosignale und/oder Störsignale, welche durch die Analyseeinrichtung bestimmt werden, über die zweiten analogen Signale und insbesondere werden an einem Komparator zweite analoge Signale von den ersten analogen Signalen subtrahiert. Es lässt sich so ein kompensiertes analoges Signal zur weiteren Auswertung bereitstellen, welches keinen oder nur einen sehr geringen Anteil an Echos und/oder Störungen aufweist.
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Es ist dabei günstig, wenn die zweiten analogen Signale simulierte Signale sind, welche mittels vorhergehenden Messungen ermittelt sind. Dadurch ergibt sich eine gute Genauigkeit, wobei eine Synchronisierung zwischen den ersten analogen Signalen und den zweiten analogen Signalen auf relativ einfache Weise möglich ist.
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Es ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine Laufzeit-Bestimmungseinrichtung vorgesehen ist, welche kompensierte analoge Signale erhält und auswertet. Es kann dadurch eine Auswertung an mindestens näherungsweise echofreien bzw. störungsfreien Signalen erfolgen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist dem mindestens einen Wellenleiter eine ferromagnetische Schildeinrichtung zugeordnet, wobei insbesondere diese ferromagnetische Schildeinrichtung zwischen einem Messbereich des Wellenleiters und der Detektorspuleneinrichtung positioniert ist. Bei einer solchen Anordnung lässt sich insbesondere eine Rotationsstellung eines magnetischen Positionsgebers und eine Position bezogen auf eine Längsrichtung des Messfühlers und auch auf eine Querrichtung zu dem Messfühler ermitteln.
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Der mindestens eine magnetische Positionsgeber kann mindestens eines der Folgenden sein oder umfassen: ein Permanentmagnet, wobei bei mehreren Permanentmagneten diese insbesondere beanstandet sind; ein Elektromagnet; eine beschreibbare Magneteinrichtung; eine mit mindestens einer magnetisch kodierten Spur versehene magnetische Einrichtung; eine magnetisch segmentierte Einrichtung. Durch die Bestimmung und Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Signale der Detektorspuleneinrichtung lassen sich unterschiedliche Arten von magnetischen Positionsgebern verwenden, je nach Anwendungsfall. Grundsätzlich lässt sich beispielsweise auch die Art des magnetischen Positionsgebers aus dem Signalverlauf ermitteln. Wenn beispielsweise mehrere Permanentmagnete vorgesehen sind, dann können diese auch aneinander vorbeigeführt werden, wobei dann immer noch definierte primäre Messsignale generierbar bzw. auswertbar sind.
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Die Analyseeinrichtung kann mindestens eine Untereinheit zur Analyse und/oder Bestimmung und/oder Anwendung mindestens eines der Folgenden umfassen: eine Ausrichtung des mindestens einen magnetischen Positionsgebers; eine Rotationsstellung des mindestens einen magnetischen Positionsgebers; eine Position des mindestens einen magnetischen Positionsgebers in einer Richtung längs des mindestens einen Messfühlers; eine Position des mindestens einen magnetischen Positionsgebers in einer Richtung quer zu dem mindestens einen Messfühler; ein Einlernen eines zeitlichen Verlaufs eines Targetsignals und/oder eines Echosignals als Mustersignal; eine Mustererkennung für den zeitlichen Verlauf der Signale der Detektorspuleneinrichtung; eine Interpolation für Signale der Detektorspuleneinrichtung zur Ermittlung eines Durchgangs bei einem bestimmten Signalwert; eine Echobestimmung für Signale der Detektorspuleneinrichtung; eine Simulation von Echos und/oder Störsignalen; eine Temperaturermittlung an dem Wellenleiter; eine Überwachung der Sensorvorrichtung insbesondere bezüglich ihrer Funktion und/oder relevanter Funktionsparameter; eine Diagnose der Sensorvorrichtung; eine Rauschkompensation; eine Kompensation bezüglich transienter Signale; eine Qualitätsbewertung von Messsignalen; eine Klassifizierung von Targets. Aufgrund der Ermittlung und Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs von Signalen ergeben sich umfangreiche Zusatzfunktionen für die erfindungsgemäße magnetostriktive Sensorvorrichtung.
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Erfindungsgemäß ist es bei dem eingangs genannten Verfahren zum Betreiben einer magnetostriktiven Sensorvorrichtung vorgesehen, dass bei der Analyse Echosignale und/oder Störsignale ermittelt werden und diese bei einer Auswertung berücksichtigt werden, wobei von primären Messsignalen Echosignale und/oder Störsignale subtrahiert werden, die primären Messsignale als erste analoge Signale bereitgestellt werden, mittels Analyse des zeitlichen Verlaufs von Signalen der Detektorspuleneinrichtung zweite analoge Signale bereitgestellt werden, und wobei die ersten analogen Signalen mit den zweiten analogen Signalen verknüpft werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensorvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensorvorrichtung erläutert.
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Insbesondere werden die Signale der Detektorspuleneinrichtung digitalisiert. Diese Signale sind zunächst analoge Signale, wobei dann durch die Digitalisierung digitale Signale erzeugt werden.
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Eine Analysierbarkeit der digitalen Signale ergibt sich, wenn eine Digitalisierungsrate für eine Wandlung von Analogdaten in Digitaldaten mindestens 2 Millionen Wandlungen und insbesondere mindestens 5 Millionen Wandlungen und insbesondere mindestens 8 Millionen Wandlungen pro Sekunde beträgt.
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Es ist dabei möglich, dass eine Steuerung der Sensorvorrichtung und/oder eine Analyse der Signale mit geringerer Auflösung als entsprechend der Digitalisierungsrate durchgeführt wird.
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Insbesondere wird eine Analyse bezüglich mindestens eines der Folgenden durchgeführt: eine Ausrichtung des mindestens einen magnetischen Positionsgebers; eine Rotationsstellung des mindestens einen magnetischen Positionsgebers; eine Position des mindestens einen magnetischen Positionsgebers in einer Richtung längs des mindestens einen Messfühlers; eine Position des mindestens einen magnetischen Positionsgebers in einer Richtung quer zu dem mindestens einen Messfühler; eine Mustererkennung für den zeitlichen Verlauf der Signale der Detektorspuleneinrichtung; eine Interpolation für Signale der Detektorspuleneinrichtung zur Ermittlung eines Durchgangs bei einem bestimmten Signalwert; eine Echobestimmung für Signale der Detektorspuleneinrichtung; eine Simulation von Echos und/oder Störungen; eine Temperaturbestimmung an einem Wellenleiter; eine Überwachung der Sensorvorrichtung insbesondere bezüglich ihrer Funktion und/oder relevanter Funktionsparameter; eine Diagnose der Sensorvorrichtung; eine Rauschkompensation; eine Kompensation bezüglich transienter Signale; eine Qualitätsbewertung von Messsignalen; eine Klassifizierung von Targets.
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Es ist vorgesehen, dass bei der Analyse Echosignale und/oder Störsignale ermittelt werden und diese bei einer Auswertung berücksichtigt werden. Insbesondere lassen sich dann solche Echosignale bzw. Störsignale kompensieren.
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Von primären Messsignalen werden entsprechend Echosignale und/oder Störsignale subtrahiert. Es ergibt sich so eine hohe Messgenauigkeit.
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Die primären Messsignale werden als erste analoge Signale bereitgestellt, und mittels Analyse des zeitlichen Verlaufs von Signalen der Detektorspuleneinrichtung werden zweite analoge Signale bereitgestellt, und die ersten analogen Signale werden mit den zweiten analogen Signalen verknüpft. Es können dadurch aus den ersten analogen Signalen kompensierte Signale erzeugt werden, bei welchen der Echoanteil bzw. Störanteil minimiert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere an der erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensorvorrichtung durchführen bzw. die erfindungsgemäße magnetostriktive Sensorvorrichtung lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensorvorrichtung, wobei zwei magnetische Positionsgeber vorhanden sind;
- 2 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters zur Erläuterung dessen Funktionsweise;
- 3 ein Ausführungsbeispiel für Signale einer Detektorspuleneinrichtung der magnetostriktiven Sensorvorrichtung gemäß 1 in ihrem zeitlichen Verlauf, wobei ein magnetischer Positionsgeber vorhanden ist;
- 4 den zeitlichen Verlauf von Signalen der Detektorspuleneinrichtung der magnetostriktiven Sensorvorrichtung gemäß 1, wenn zwei magnetische Positionsgeber vorhanden sind;
- 5(a) einen Ausschnitt aus dem Signal in seinem zeitlichen Verlauf, wobei ein vorgegebenes Spannungsniveau markiert ist;
- 5(b) ein Ausführungsbeispiel zur Bestimmung einer Zeit, bei der das bestimmte Spannungsniveau erreicht ist;
- 6(a) bis (c) typische Signalverläufe für Signale der Detektorspuleneinrichtung, wenn mehrere Targets (mehrere magnetische Positionsgeber) vorhanden sind, wobei sich die Diagramme im Abstand dieser Targets unterscheiden;
- 7(a) ein Beispiel einer magnetostriktiven Sensorvorrichtung, wenn zwei magnetische Positionsgeber vorhanden sind, welche Permanentmagnete sind und unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen;
- 7(b) einen typischen Signalverlauf für Signale der Detektorspuleneinrichtung gemäß der Situation nach 7(a);
- 8 einen Signalverlauf zur Erläuterung einer Temperaturkompensation;
- 9(a) eine magnetostriktive Sensorvorrichtung mit einem Permanentmagneten als magnetischem Positionsgeber, welcher unterschiedliche Drehpositionen aufweisen kann;
- 9(b) unterschiedliche zeitliche Signalverläufe für Signale der Detektorspuleneinrichtung bei unterschiedlichen Rotationsstellungen des magnetischen Positionsgebers gemäß 9(a);
- 10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer weiteren magnetostriktiven Sensorvorrichtung, mittels welcher eine Rotationsstellung eines Targets, welches ein Permanentmagnet ist, und eine Position dieses Targets längs eines Wellenleiters und quer zum Wellenleiter bestimmbar ist;
- 11(a) beispielhaft den Verlauf von simulierten Signalen bei einem magnetischen Positionsgeber als Antwort auf einen einzigen Erregerstromimpuls;
- 11(b) beispielhaft ein Diagramm mit einer Überlagerung von Anregungen, Antwortsignalen und Echos bei kontinuierlicher Wiederholung der Anregungsstromimpulse; und
- 12 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensorvorrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensorvorrichtung, welche in 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Messfühler 12 mit einem Wellenleiter 14. Dem Wellenleiter 14 ist ein Rückleiter 16 zugeordnet (2).
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Dem Wellenleiter 14 ist ferner ein Dämpfungselement 18 zugeordnet, welches an einem Endbereich des Wellenleiters 14 positioniert ist (vergleiche 2).
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Die magnetostriktive Sensorvorrichtung 10 umfasst eine oder mehrere magnetische Positionsgeber 20 (2) bzw. 20a, 20b (1).
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein magnetischer Positionsgeber 20 bzw. 20a, 20b ein Permanentmagnet.
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Der oder die magnetischen Positionsgeber 20 koppeln berührungslos an den Messfühler 12.
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Eine magnetostriktive Sensorvorrichtung funktioniert grundsätzlich wie folgt (siehe 2):
- Ein von einer Messschnittstelle stammender Erregerstromimpuls 22 löst als Messsignal eine Messung aus. Der Erregerstromimpuls 22 wird dabei mittels eines Startsignals ausgelöst. Eine Steuerungseinrichtung 24 (1) initiiert dabei die Beaufschlagung mit Startsignalen.
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Der Erregerstromimpuls 22 auf dem Wellenleiter 14, welcher beispielsweise ein Drahtwellenleiter ist, erzeugt ein zirkulares Magnetfeld 26. Dieses Magnetfeld 26 wird aufgrund weichmagnetischer Eigenschaften des Wellenleiters 14 in diesem gebündelt.
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Der magnetische Positionsgeber 20 wirkt an einer Messstelle 28 des Wellenleiters 14 auf diesen. Die Messstelle 28 charakterisiert die Position des magnetischen Positionsgebers an dem Messfühler 12.
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Diese Position ist dabei grundsätzlich eine Position bezogen auf eine Längsrichtung 30 des Wellenleiters 14 (in einem Messbereich).
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Grundsätzlich ist es aber auch möglich, wie untenstehend noch näher erläutert wird, dass die entsprechende Position alternativ oder zusätzlich eine Position in einer Richtung 32 quer zu der Längsrichtung 30 ist.
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Beispielsweise verlaufen bei einer Ausführungsform Magnetfeldlinien 34 des magnetischen Positionsgebers 20 rechtwinklig zum zirkulären Magnetfeld 26 und sind ebenfalls im Wellenleiter 14 gebündelt.
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In einem Bereich, in welchem sich das zirkuläre Magnetfeld 26 und das vom Positionsgeber 20 erzeugte Magnetfeld überlagern, entsteht im Mikrobereich des Gefüges des Wellenleiters 14 eine elastische Verformung aufgrund von Magnetostriktion. Dieser Überlagerungsbereich ist gerade die Messstelle 28. Die elastische Verformung bewirkt eine sich längs des Wellenleiters 14 in entgegengesetzte Richtungen 36, 38 ausbreitende elastische Welle. Die Richtungen 36 und 38 sind dabei insbesondere parallel zur Längsrichtung 30 des Wellenleiters 14 (in einem Messbereich).
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Eine Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Welle im Wellenleiter 14 liegt insbesondere in der Größenordnung von ca. 2800 m/s und ist weitgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.
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Das Dämpfungselement 18 an einem Ende 40 des Wellenleiters 14 dämpft die zu diesem Ende 40 laufende transsonare Welle weg, sodass der rückreflektierte Anteil der Welle bei der Signaldetektion gegenüber der direkt propagierenden Welle vernachlässigbar ist (vergleiche aber unten).
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An einem anderen Ende 42 des Wellenleiters 14 ist eine Detektorspuleneinrichtung 44 mit mindestens einer Pick-Up-Spule angeordnet. Die Detektorspuleneinrichtung 44 erzeugt durch Umkehrung des magnetostriktiven Effekts durch Induktion ein elektrisches Signal und liefert dieses an die Messschnittstelle. Das elektrische Signal, welches durch die Detektorspuleneinrichtung 44 bereitgestellt ist, ist ein analoges Signal und insbesondere Spannungssignal.
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Die Wellenlaufzeit vom Entstehungsort bis zur Detektorspuleneinrichtung 44 ist direkt proportional zum Abstand zwischen dem Positionsgeber 20 und der Detektorspuleneinrichtung 44. Mittels einer Zeitmessung kann daher der Abstand zwischen der Detektorspuleneinrichtung 44 und dem Positionsgeber 20 (wobei die Position des Positionsgebers 20 die Messstelle 28 bestimmt) mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Das primäre Messsignal für die Zeitmessung ist der Erregerstromimpuls 22, wobei dieser wiederum durch das Startsignal ausgelöst wurde. Das primäre Messsignal wird zeitversetzt in Abhängigkeit von einem Abstand zwischen der Detektorspuleneinrichtung 44 und dem Positionsgeber 20 von der Detektorspuleneinrichtung 44 an die Messschnittstelle geliefert.
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Bezüglich der grundsätzlichen Funktionsweise von magnetostriktiven Sensorvorrichtungen (bzw. magnetostriktiven Wegaufnehmervorrichtungen) wird auf E. Hering, G. Schönfelder (Herausgeber), „Sensoren in der Wissenschaft und Technik“, Wiesbaden, 2012 und dort insbesondere auf das Kapital 3.1.5 verwiesen. Ferner wird auf T. Burkhardt, A. Feinäugle, S. Fericean, A. Forkl, „Lineare Weg- und Abstandssensoren“, Verlag Moderne Industrie, München, 2004 verwiesen.
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Wie bereits erwähnt, liefert die Detektorspuleneinrichtung 44 analoge Signale. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf dieser Signale (und insbesondere Spannungssignale) ermittelt wird, aufgezeichnet wird und analysiert wird. Insbesondere wird die Signalform ermittelt, aufgezeichnet und analysiert.
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Insbesondere ist eine Digitalisierungseinrichtung 46 (vergleiche 1) vorgesehen, welche mit einer relativ hohen Digitalisierungsrate (Sampling-Rate) aus analogen Daten digitale Daten erzeugt.
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Analoge Signale 48 der Detektorspuleneinrichtung 44 werden dazu der Digitalisierungseinrichtung 46 in einem Auswertungszweig zugeführt. Die Digitalisierungseinrichtung 46 umfasst einen Analog-Digital-Wandler 50, welcher entsprechend digitale Daten erzeugt.
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Eine Digitalisierungsrate an dem Analog-Digital-Wandler 50 beträgt mindestens 2 Millionen Wandlungen pro Sekunde für die Konversion von Analogdaten in Digitaldaten. Insbesondere liegt diese Digitalisierungsrate bei mindestens 5 Millionen A/D-Wandlungen pro Sekunde und vorzugsweise bei mindestens 8 Millionen A/D-Wandlungen pro Sekunde. Bei einer konkreten Ausführungsform liegt die Digitalisierungsrate bei ca. 10 Millionen A/D-Wandlungen pro Sekunde.
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Es wird dabei über eine Datenverarbeitungseinrichtung 52 die Form des Signals der Detektorspuleneinrichtung 44 in ihrem zeitlichen Verlauf ermittelt. In einer Speichereinrichtung 54, welche der Digitalisierungseinrichtung 46 nachgeschaltet ist, werden dann entsprechend die digitalisierten Signale als digitale Daten gespeichert; sie charakterisieren in digitaler Form den zeitlichen Verlauf der Signale der Detektorspuleneinrichtung 44.
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Eine Analyseeinrichtung 56 wertet diese Daten in ihrem zeitlichen Verlauf aus.
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Die Steuerungseinrichtung 24 ist an die Speichereinrichtung 54 und an die Analyseeinrichtung und insgesamt an die Datenverarbeitungseinrichtung 52 signalwirksam gekoppelt.
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Es lässt sich so eine Korrelation zwischen Startsignalen und Stoppsignalen herstellen; insbesondere lässt sich eine Korrelation zwischen Auslösung eines Messvorgangs und den Messdaten herstellen.
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Die Speichereinrichtung 54 ist beispielsweise ein FIFO-Speicher und/oder ein SDRAM-Speicher. Die Steuerungseinrichtung 24 ist beispielsweise in einem DSP, einem FPGA (Field Programmable Gate Array), oder in einem Mikrokontroller oder in einer Kombination davon realisiert. Grundsätzlich kann die Digitalisierungseinrichtung 46 und/oder die Speichereinrichtung 54 in die Steuerungseinrichtung 24 integriert sein.
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Die Analyseeinrichtung 56 kann ebenfalls in die Steuerungseinrichtung 24 integriert sein.
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Bei einer Ausführungsform ist die Analyseeinrichtung 56 durch einen DSP (Digitaler Signalprozessor) realisiert.
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Grundsätzlich ist bei der erfindungsgemäßen Lösung insbesondere in der Speichereinrichtung pro Messzyklus in digitalisierter Form der zeitliche Verlauf (einschließlich Impulsform) von Signalen der Detektorspuleneinrichtung 44 bereitgestellt.
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In 3 ist ein Beispiel für den Signalverlauf in seiner zeitlichen Abhängigkeit gezeigt, wenn ein einziger magnetischer Positionsgeber 20 in Form eines Permanentmagneten vorhanden ist.
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An dem zeitlichen Signalverlauf (wie er dann mindestens näherungsweise in der Speichereinrichtung 54 gespeichert ist) ist ein Anregungsrauschen 58 erkennbar. Dieses ist auf den Erregerstromimpuls 22 zurückzuführen.
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Ferner ist ein „Targetsignal“ 60 erkennbar. Das Targetsignal 60 ist dasjenige Signal, welches grundsätzlich für die Laufzeitbestimmung genutzt wird.
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An dem Signalverlauf erkennt man weitere Echosignale 62a, 62b, 62c, 62d usw., wobei der entsprechende Signalverlauf in 3 auch noch in fünffacher Vergrößerung und 25-facher Vergrößerung in Inlay-Diagrammen gezeigt ist.
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In 3 ist mit Bezugszeichen 64 ein Bereich angedeutet, in welchem Signalechos vorliegen. Ferner ist mit dem Bezugszeichen 66 ein Bereich angedeutet, in dem Rauschen dominiert.
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In 4 ist ein ähnliches Diagramm gezeigt, wobei in diesem Fall zwei magnetische Positionsgeber 20a, 20b in Form von Permanentmagneten vorlagen.
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Es gibt ein Anregungsrauschen 68 aufgrund des Erregerstromimpulses 22.
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Weiterhin gibt es Targetsignale 70, 70'; aufgrund der zwei magnetischen Positionsgeber 20a, 20b gibt es zwei Targetsignale 70, 70'.
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Es existieren ferner Echosignale 72a, 72a', 72b, 72b' usw.; auch die Echosignale sind aufgrund der zwei magnetischen Positionsgeber 20a, 20b verdoppelt.
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Es gibt wiederum einen Bereich 64 mit Echosignalen und einen Bereich 66, welcher durch Rauschen dominiert ist. In einem Bereich 74 liegen die Targetsignale 70, 70' vor.
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Die Kenntnis des Signalverlaufs in seiner zeitlichen Abhängigkeit und dadurch auch die Kenntnis der Form eines kompletten Pulszuges (vergleiche die 3 und 4) kann auf unterschiedliche Art und Weise verwendet und verwertet werden. Die Analyseeinrichtung 56 führt dazu entsprechende Analysen und Berechnungen durch.
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Die Analysemöglichkeiten über die Analyseeinrichtung 56 erlauben es auch, magnetische Positionsgeber (einen oder mehrere) in einer großen Variationsbreite zu verwenden und diese für entsprechende Anwendungen auszuwählen.
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Beispielsweise kann als magnetischer Positionsgeber auch ein Elektromagnet eingesetzt werden oder eine beschreibbare Magneteinrichtung. Es können auch eine oder mehrere magnetische Einrichtungen verwendet werden, welche mindestens eine magnetisch kodierte Spur (insbesondere als Abfolge von Nordpolfeldern und Südpolfeldern) aufweisen bzw. magnetische Positionsgeber, welche magnetisch segmentiert sind.
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Insbesondere können auch mehr als zwei magnetische Positionsgeber verwendet werden.
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Weiterhin können magnetische Positionsgeber und auch Permanentmagnete in unterschiedlichen Ausrichtungen verwendet werden (vergleiche die 7(a) und 9(a)). Dies wird untenstehend noch näher erläutert.
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Durch die Analyseeinrichtung 56 ist es beispielsweise möglich, die Ausrichtung eines magnetischen Positionsgebers (oder auch mehrere magnetische Positionsgeber) zu ermitteln. Insbesondere lässt sich eine Rotationsposition ermitteln.
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Beispielsweise kann über die Analyseeinrichtung 56 auch insbesondere über Bestimmung einer Ausrichtung eines Positionsgebers 20 ein Target (der Positionsgeber 20) identifiziert werden und insbesondere über seine Rotationsposition zu dem Wellenleiter 14 identifiziert werden.
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In einer segmentierten magnetischen Einrichtung und beispielsweise einer magnetischen Einrichtung, welche mit einer magnetisch kodierten Spur versehen ist, kann beispielsweise über die Analyseeinrichtung 56 die entsprechende magnetische Kodierung ausgelesen werden. Dies kann beispielsweise dazu verwendet werden, das Target (den magnetischen Positionsgeber 20) zu identifizieren.
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Für einen magnetischen Positionsgeber 20 mit variierender Rotationsposition zu dem Messfühler 12 lässt sich über die Analyseeinrichtung 56 die Rotationsposition qualitativ und/oder quantitativ bestimmen. Insbesondere lässt sich ein Rotationswinkel bestimmen. Es ist grundsätzlich auch möglich, wenn mehrere Positionsgeber vorhanden sind, oder auch wenn Positionsgeber von der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10 entfernt werden, oder neue magnetische Positionsgeber hinzukommen.
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Eine solche „Entfernung“ bzw. „Ergänzung“ von mindestens einem Positionsgeber kann beispielsweise über Positionierung des entsprechenden Positionsgebers erfolgen, oder beispielsweise über das Anschalten oder Abschalten eines Positionsgebers, wenn dieser einen Elektromagneten umfasst.
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Es ist beispielsweise vorgesehen, dass für einen vorgegebenen Positionsgeber 20 zu wartende Signalverläufe gespeichert sind. Eine solche Speicherung kann beispielsweise werkseitig erfolgt sein, oder bei einer Installation der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10, oder auch zu einem späteren Zeitpunkt. Es lässt sich dann insbesondere durch einen Vergleich mit dem tatsächlichen Signalverlauf eine Diagnose der magnetostriktiven Sensorvorrichtung durchführen, und/oder es lassen sich beispielsweise Signalmuster und Echosignalmuster bestimmen bzw. auswerten, um beispielsweise Parameteranpassungen durchzuführen, Kreuzkorrelations-Analysen durchzuführen, Mustererkennungsanalysen durchzuführen usw. Es kann insbesondere auch über die Lebenszeit der magnetischen Sensorvorrichtung 10 eine Langzeit-Diagnose durchgeführt werden.
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Über die Analyseeinrichtung 56 können beispielsweise Signalanteile, welche linear oder nicht linear überlagern, bezüglich ihrer unterschiedlichen Signalkomponenten getrennt werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine räumliche Überlappung von Magnetfeldern von benachbarten magnetischen Positionsgebern aufzulösen, oder die Überlagerung des Magnetfelds eines magnetischen Positionsgebers mit einem Störfeld aufzulösen. Es können beispielsweise auch Störsignale, welche beispielsweise durch die Elektronik der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10 verursacht sind, identifiziert werden.
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Durch die magnetische Sensorvorrichtung 10 mit der Analyseeinrichtung 56 lassen sich die Position von zwei oder mehr magnetischen Positionsgebern gleichzeitig bestimmen, auch wenn deren magnetische Felder überlappen.
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Grundsätzlich erfolgt die Digitalisierung in der Digitalisierungseinrichtung 46 mit einer hohen Digitalisierungsrate. Der Signalverlauf kann in der Speichereinrichtung 54 mit der gleichen Digitalisierungsrate gespeichert werden oder mit einer niedrigeren Rate, um Speicherplatz und Rechenzeit einzusparen. Grundsätzlich kann auch eine Analyse in der Analyseeinrichtung 56 mit einer geringeren Auflösung als eine Auflösung entsprechend der Digitalisierungsrate der Digitalisierungseinrichtung 46 durchgeführt werden.
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Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Speicherung bzw. Analyse an unterschiedlichen zeitlichen Bereichen der (digitalisierten) Signale der Detektorspuleneinrichtung 44 mit unterschiedlicher Auflösung durchgeführt wird.
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Wenn ein komplettes Signal (vergleiche die 3 und 4) gescannt wird und über die Analyseeinrichtung 56 analysiert wird, dann lassen sich grundsätzlich die dynamischen Signalkomponenten (die Targetsignale 60, 70, 70') und die entsprechenden resultierenden Echosignale 62a, 72a, 72a' usw. erkennen und auswerten. Es lassen sich statische oder langsam variierende Signalkomponenten (wie beispielsweise ein Hintergrundsignal aufgrund eines parasitären Magnetfelds) erkennen und es lässt sich gegebenenfalls eine Kompensation durchführen. Rauschen, welches insbesondere stationär oder quasistationär ist oder periodisch bzw. quasi-periodisch ist, lässt sich erkennen und es lässt sich eine Kompensation durchführen. Transiente Signale oder Signalkomponenten, die beispielsweise aufgrund von mechanischen Einflüssen oder elektromagnetischen Einflüssen entstehen, lassen sich erkennen und es lässt sich gegebenenfalls eine Kompensierung durchführen.
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Beispielsweise wird kontinuierlich bzw. regelmäßig bei der Installierung der magnetostriktiven Sensorvorrichtung und/oder bei Bedarf eine Diagnoseprüfung durchgeführt.
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Dazu werden beispielsweise Qualitätsermittlungen an der Analyseeinrichtung 56 bezüglich des Signals der Detektorspuleneinrichtung 44 durchgeführt. Insbesondere wird eine entsprechende Überprüfung bezüglich Position in der Längsrichtung 30 eines oder mehrerer Positionsgeber 20, Ausrichtung, Rotation, Abstand in der Richtung 32 usw. durchgeführt. Beispielsweise wird auch eine Prüfung bezüglich eines Identifizierungscodes eines Positionsgebers 20 durchgeführt.
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Für eine gegebene Messung wird ein Vergleich der tatsächlichen Messdaten mit diesen vorgegebenen Daten durchgeführt und dadurch lässt sich grundsätzlich eine Messqualität quantitativ beschreiben.
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Die magnetostriktive Sensorvorrichtung 10 wird durch die Analyseeinrichtung 56 selber analysierbar. Es lassen sich die Zustände der magnetostriktiven Sensorvorrichtung charakterisieren bzw. abschätzen. Dadurch lässt sich beispielsweise die verbliebene Lebenszeit der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10 bestimmen bzw. abschätzen. Wenn beispielsweise detektiert wird, dass sich ein Rauschen graduell oder abrupt verändert, und/oder wenn detektiert wird, dass verzerrte Signale erzeugt werden, oder wenn detektiert wird, dass eine Signalstärke für die Targeterkennung (für die Targetsignale 60 bzw. 70, 70') detektiert wird, oder wenn eine Änderung in der Signalform (für Targetsignale 60, 70, 70' und/oder Echosignale 62a, 72a, 72a' usw.) detektiert wird, oder wenn entsprechende Amplitudenänderungen detektiert werden, oder wenn Fluktuationen in Parametern der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10 detektiert werden, dann kann dies auf entsprechende Probleme hindeuten und beispielsweise auf ein Ende der Lebensdauer der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10.
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Wie oben erwähnt, ist es grundsätzlich auch möglich, insbesondere wenn der magnetische Positionsgeber 20 bekannt ist, dessen Abstand in der Richtung 32 quer zu der Längsrichtung 30 zu dem Wellenleiter 14 quantitativ zu bestimmen.
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Beispielsweise kann die magnetostriktive Sensorvorrichtung 10 ein Warnsignal abgeben, wenn eine relevante Änderung beispielsweise des Targetsignals 60 bzw. 70, 70' bezüglich Form und/oder Amplitude vorliegt, insbesondere bezüglich unterschiedlichen Positionierungen in der Längsrichtung 30 oder in der zeitlichen Entwicklung, wobei wiederum durch die Analyseeinrichtung 56 grundsätzlich ermittelbar ist, ob solche Änderungen über Temperaturänderungen bzw. Rotation des magnetischen Positionsgebers 20 bzw. aufgrund Dämpfung bei Wellenausbreitung zurückzuführen sind und diese Effekte dann berücksichtigbar sind.
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Grundsätzlich ist es beispielsweise auch möglich, wenn die magnetostriktive Sensorvorrichtung 10 mit einem magnetischen Positionsgeber 20 versehen wird (bei der Installation), zu bestimmen, ob dieser magnetische Positionsgeber 20 überhaupt kompatibel mit der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10 (mit dem Wellenleiter 14) ist. Es können dann entsprechende diagnostische Signale bzw. Warnsignale abgegeben werden.
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Durch Überprüfung des magnetischen Positionsgebers 20 mittels der Analyseeinrichtung 56 kann der magnetische Positionsgeber 20 erkannt bzw. klassifiziert werden. Es ist dadurch wiederum möglich, eine Wellenform bzw. Amplitude für den Erregerstromimpuls 22 zu ermitteln, und einzustellen, welche optimiert von dem Betrieb der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10 mit dem speziellen magnetischen Positionsgeber 20 (oder mehreren solchen) ist. Insbesondere erfolgt dann eine Optimierung bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnisses, und/oder bezüglich Messgenauigkeit und/oder bezüglich der Wiederholrate für Messzyklen usw.
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Grundsätzlich können solche Ermittlungen auch öfters durchgeführt werden und es lässt sich so beispielsweise eine Plug-Play-Funktion realisieren.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung mit Ermittlung und Speicherung der Signalform der Signale der Detektorspuleneinrichtung 44 und Analyse mit der Analyseeinrichtung 56 lässt sich ein Datenverlust aufgrund von Rauschen im System verhindern. Es können auch falsche Stoppsignale für die Beendigung eines Messzyklus erkannt werden.
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Ferner lässt sich ein nicht korrekter Betrieb aufgrund nicht korrekter Ausrichtung eines oder mehrerer magnetischer Positionsgeber 20 verhindern.
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Ferner können, wenn mehrere magnetische Positionsgeber 20a, 20b vorgesehen sind, diese auch bei relativ kleinem Abstand (mit Überlagerung ihrer Magnetfelder) verwendet werden.
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Es lässt sich eine entsprechend hohe Datenrate erzielen.
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Ferner können große Totzonen insbesondere um das Dämpfungselement 18 vermieden werden.
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Grundsätzlich ist eine relativ große Menge an magnetischen Positionsgebern 20 gleichzeitig verwendbar.
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Eine Amplitude insbesondere eines Targetsignals 60 bzw. 70, 70' ist im Wesentlichen keine Hauptquelle für eine Ungenauigkeit mehr.
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Es lässt sich ferner ein Temperatureinfluss der Umgebung auf den Wellenleiter 14 kompensieren.
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Über die Analyseeinrichtung 56 ist es möglich, Signalkomponenten, welche nicht durch einen oder mehrere magnetische Positionsgeber 20 verursacht sind, zu eliminieren bzw. für eine Auswertung und insbesondere eine Laufzeitmessung nicht zu berücksichtigen.
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Beispielsweise ist es auch möglich, eine Kombination mit einer konventionellen Komparatorlösung (für analoge Signale) durchzuführen, bei der ein Stoppsignal durch einen Komparator erzeugt wird, wobei ein Zeitfenster („Enabling Time Window“) für den Komparator bestimmt wird oder vorausgesagt wird über die Analyse einer vorhergehenden Signalform für Signale der Detektorspuleneinrichtung 44. Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein erzeugtes Stoppsignal mittels der Analyseeinrichtung 56 direkt verfolgt wird.
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Es entsteht kein Datenverlust und eine Phantomdetektion von Positionsgebern 20 lässt sich verhindern.
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Es ergibt sich eine höhere Signalzuverlässigkeit und Datenzuverlässigkeit.
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Es lassen sich auch dicht nebeneinander positionierte magnetische Positionsgeber 20, die auch aneinander vorbeilaufen können, detektieren, und solche Situationen lassen sich auflösen und es ergibt sich eine korrekte Messung.
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Es ergibt sich eine Erhöhung einer Ausgabe-Datenrate. Es ergibt sich eine Erhöhung einer Rate bezüglich Start-vor-Stopp-Messungen, das heißt wenn Messzyklen überlappen. Dadurch wiederum erhöht sich die Zuverlässigkeit, es erhöht sich die Positionsvoraussage, es sind Filtervorgänge möglich und adaptive Betriebsweisen.
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Bei einer Ausführungsform (5(a) und (b)) ist über die Analyseeinrichtung 56 eine „Level Crossing Time“ durch lineare Regression ermittelbar. An einem Signalverlauf wird ein bestimmter Signalwert 76 vorgegeben. Dies kann ein Null-Wert oder ein endlicher Wert sein. An gesampelten Signalpunkten in der Nachbarschaft dieses Signalwerts 76 wird eine lineare Regression mit einer entsprechenden Regressionsgeraden 78 (5(b)) durchgeführt. Es lässt sich dadurch eben die „Level Crossing Time“ über den Signalverlauf ermitteln.
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In einem weiteren Beispielsfall gemäß den 6(a) bis (c) sind zwei magnetische Positionsgeber 20a, 20b vorhanden. Deren Targetsignale 70, 70' unterscheiden sich, je nach Abstand der magnetischen Positionsgeber 20a, 20b.
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Bei dem Diagramm gemäß 6(a) haben diese einen größeren Abstand, wobei sich dieser Abstand verringert. Die 6(b) und (c) zeigen die entsprechenden Signalverläufe, wobei der Abstand bei dem Signalverlauf gemäß 6(c) geringer ist als bei dem Signalverlauf gemäß 6(b).
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Grundsätzlich ergibt sich eine nicht lineare Überlagerung.
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Über die Analyseeinrichtung 56 können grundsätzlich die Einzelsignale herausgerechnet werden, auch wenn eine Verzerrung aufgrund der nicht linearen Überlagerung vorliegt.
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Dies erlaubt eben die Verwendung von mehreren magnetischen Positionsgebern, auch wenn diese einen kleinen Abstand zueinander aufweisen oder sogar aneinander vorbeigeführt sind.
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In 7(a) ist eine Situation gezeigt mit einem ersten magnetischen Positionsgeber 80 und einem zweiten magnetischen Positionsgeber 82. Diese sind jeweils Permanentmagnete, wobei sie sich in ihrer Ausrichtung unterscheiden.
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In 7(b) ist ein Signalverlauf dazu angegeben. Aufgrund der unterschiedlichen Signalform von Targetsignalen 84 bzw. 86 lässt sich die Ausrichtung des magnetischen Positionsgebers 80 bzw. 82 zu dem Wellenleiter 14 bestimmen. Es ist ermittelbar, ob Nord- und Südpol in einer Richtung aufeinander folgen, welche parallel zur Längsrichtung 30 ist (wie bei dem zweiten magnetischen Positionsgeber 82), oder beispielsweise Nord- und Südpol in der Querrichtung 32 zu der Längsrichtung 30 aufeinander folgen, wie bei dem ersten magnetischen Positionsgeber 80.
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Die Analyseeinrichtung 56 kann also die entsprechende Ausrichtung ermitteln.
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Grundsätzlich ist es so, dass eine Zeit T (8) zwischen einem Targetsignal 88 (8) und einem zweiten Echosignal 90 diejenige Zeit ist, welche der Schall benötigt, zweimal durch den Wellenleiter 14 zu laufen. Wenn die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist, dann ist diese Zeit T grundsätzlich abhängig von der Temperatur des Wellenleiters 14. Sie gibt ein integrales Maß für die Temperatur des Wellenleiters 14 an; bei einer anderen Temperatur ändert sich diese Zeitdauer T.
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Sie ist dadurch zumindest ein indirektes Maß für die herrschende Temperatur im Wellenleiter 14.
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In diesem Falle wird also das zweite Echosignal 90 zu einer zumindest qualitativen Temperaturbestimmung verwendet.
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Bei entsprechender Kalibrierung ist auch eine quantitative Temperaturbestimmung möglich.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (9(a), (b)) ist ein magnetischer Positionsgeber 20 vorhanden, welcher insbesondere ein Permanentmagnet ist, wobei seine Rotationsposition zu dem Wellenleiter 14 und insbesondere dessen Längsrichtung 30 variabel ist. Ein Winkel 92 charakterisiert eine Rotationsposition des magnetischen Positionsgebers 20 zu dem Wellenleiter 14. Dieser Winkel 92 ist beispielsweise bestimmt durch eine Winkelposition in einer Abfolgerichtung zwischen Nord- und Südpol des magnetischen Positionsgebers 20 zu einer Parallelen zu der Längsrichtung 30 des Wellenleiters 14.
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In 9(b) sind unterschiedliche Signalverläufe eines Targetsignals bei unterschiedlichen Rotationswinkeln 92 gezeigt.
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Die Signalverläufe unterscheiden sich. Die Analyseeinrichtung 56 kann dadurch grundsätzlich aus einem Signalverlauf den Rotationswinkel 92 bestimmen.
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In 10 ist ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorvorrichtung 94 gezeigt, welche grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie die magnetostriktive Sensorvorrichtung 10 und als weitere Komponente eine ferromagnetische Schildeinrichtung 96 umfasst. Die Schildeinrichtung 96 ist zwischen einem Teil des Wellenleiters 14, welcher ein Messbereich ist, und dem Dämpfungselement 18 angeordnet. Ferner schirmt die Schildeinrichtung 96 auch die Detektorspuleneinrichtung 44 ab.
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Der magnetische Positionsgeber 20 kann sich in seiner Rotationsstellung zu dem Wellenleiter 14 ändern. Ferner kann sich seine Position in einer Richtung 98 parallel zur Längsrichtung in dem Messbereich ändern. Weiterhin kann sich seine Position in einer Querrichtung 100 zur Richtung 98 ändern.
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Durch die magnetostriktive Sensorvorrichtung 94 mit deren Analyseeinrichtung 56 sind sowohl die Rotationsposition (entsprechend einem Winkel 92 wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9(a)) quantitativ ermittelbar, es ist eine Position in der Längsrichtung 98 und eine Position (ein Abstand) in der Querrichtung 100 ermittelbar.
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Mit der erfindungsgemäßen magnetostriktiven Sensorvorrichtung 94 lässt sich beispielsweise auch eine „Start-vor-Stopp-Betriebsweise“ durchführen.
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Beispielsweise werden für ein Target (einen magnetischen Positionsgeber 20) ausgehend von einem Anregungsstörsignal (oder einer Anregung 102) ein Targetsignal 104 und Echosignale 108 simuliert.
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In 11(b) ist eine Überlagerung von simulierten Signalen mit zeitlicher Versetzung zwischen den Anregungen gezeigt. Die zeitliche Versetzung ist weniger als eine messlängenäquivalente Signallaufzeit 106. Es ist eine Anregung mit der Nummerierung N und mit der Nummerierung N+1 gezeigt.
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Entsprechend ergeben sich Targetsignale 112 und Echosignale 114. Bei geeigneter Wahl einer entsprechenden Periode für die Anregungen 110 lässt sich eben eine „Start-vor-Stopp-Betriebsweise“ realisieren, wobei eine Wiederholungsrate in Abhängigkeit von einer Messlänge und einer aktuellen oder extrapolierten Targetposition so gewählt ist, dass die Targetsignale weder durch Echosignale 114 noch durch Anregunggsstörsignale überlagert werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Sensorvorrichtung 116 (12) umfasst einen Messfühler 12 mit einem Wellenleiter 14, welche so aufgebaut sind wie oben anhand der magnetostriktiven Sensorvorrichtung 10 beschrieben. Es ist ferner eine entsprechende Detektorspuleneinrichtung 44 vorhanden. (Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet.)
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An die Detektorspuleneinrichtung 44 ist ein Digitalzweig 118 gekoppelt. Diesem Digitalzweig sind analoge Signale der Detektorspuleneinrichtung 44 (Spannungssignale) bereitgestellt. Der Digitalzweig 118 umfasst dabei eine Datenverarbeitungseinrichtung 52, welche grundsätzlich wie oben ausgebildet ist.
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An diese Datenverarbeitungseinrichtung 52 ist ein Digital-Analog-Wandler 120 angeschlossen, welcher zweite analoge Signale 122 bereitstellt.
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Die magnetostriktive Sensorvorrichtung 116 umfasst ferner einen Analogzweig 124, welcher an die Detektorspuleneinrichtung 44 gekoppelt ist. Dem Analogzweig 124 sind erste analoge Signale 126 der Detektorspuleneinrichtung 44 bereitgestellt.
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Es ist eine Vergleichseinrichtung 128 vorgesehen, welche die ersten analogen Signale 126 mit den zweiten analogen Signalen 122 vergleicht und insbesondere die zweiten analogen Signale 122 von den ersten analogen Signalen 126 durch einen Differenzverstärker 129 subtrahiert.
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Insbesondere umfasst die Vergleichseinrichtung 128 einen Komparator 130 bzw. ist durch einen solchen gebildet, welcher dem Differenzverstärker 129 nachgeschaltet ist.
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Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die zweiten analogen Signale 122 simulierte Signale sind, welche über die Analyseeinrichtung 56 aufgrund vorhergehender Messungen berechnet werden. Insbesondere enthalten die zweiten analogen Signale 122 Echosignale und/oder Störsignale.
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Diese Echosignale und/oder Störsignale werden dann über die Vergleichseinrichtung 128 von den ersten analogen Signalen 126 abgezogen.
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Es resultiert ein kompensiertes Signal 135, welches die Targetsignale 112 im Wesentlichen ungestört enthält. Aus dem kompensierten Signal 135 wird durch den Komparator 130 ein Stoppsignal 136 bereitgestellt. Dieses wird einem Stopp-Eingang eines TDC-Konverters 132 (TDC - Time-to-Digital Converter) zugeführt.
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Dieser TDC-Konverter 132 wird vorzugsweise durch die Steuerungseinrichtung 24 mit einem Startsignal 134 versorgt.
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Eine Laufzeitmessung wird dann entsprechend an korrigierten Signalen durchgeführt.
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Um die Detektierung von falschen Signalflanken zu vermeiden, wird der TDC-Konverter 132 vorzugsweise mit einem Sperrsignal 138 versorgt.
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Ein entsprechendes ausgewertetes Signal ist dann frei von Störeffekten wie Echos oder anderen voraussehbaren Störeffekten.
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Weiterhin kann beispielsweise die Analyseeinrichtung 56 eine Analyse in Echtzeit durchführen und dadurch dem TDC-Konverter 132 mitteilen, wenn falsche Stopps vorliegen bzw. kann zumindest falsche Stopps detektieren.
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Die Analyseeinrichtung 56 kann auch die Laufzeit selber aus den entsprechenden Targetsignalen berechnen.
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Insbesondere lässt sich über die magnetostriktive Sensorvorrichtung 116 eine geringere Sample-Frequenz realisieren bzw. es lassen sich geringere Auflösungen für den Analog-Digital-Wandler 50 realisieren. Es ergibt sich dennoch eine hohe Datenwiederholungsfrequenz. Beispielsweise lassen sich auch eine Mehrzahl von magnetischen Positionsgebern verwenden. Es lässt sich auch eine flexible Kombination von Messungen mit geringer Auflösung und hoher Auflösung bezüglich ausgewählten Targets durchführen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Magnetostriktive Sensorvorrichtung
- 12
- Messfühler
- 14
- Wellenleiter
- 16
- Rückleiter
- 18
- Dämpfungselement
- 20
- Magnetischer Positionsgeber
- 20a
- Magnetischer Positionsgeber
- 20b
- Magnetischer Positionsgeber
- 22
- Erregerstromimpuls
- 24
- Steuerungseinrichtung
- 26
- Magnetfeld
- 28
- Messstelle
- 30
- Längsrichtung
- 32
- Richtung
- 34
- Magnetfeldlinien
- 36
- Richtung
- 38
- Richtung
- 40
- Ende
- 42
- Ende
- 44
- Detektorspuleneinrichtung
- 46
- Digitalisierungseinrichtung
- 48
- Analoge Signale
- 50
- Analog-Digital-Wandler
- 52
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 54
- Speichereinrichtung
- 56
- Analyseeinrichtung
- 58
- Anregungsrauschen
- 58'
- Anregungsrauschen
- 60
- Targetsignal
- 62a
- Echosignal
- 62b
- Echosignal
- 62c
- Echosignal
- 62d
- Echosignal
- 64
- Bereich
- 66
- Bereich
- 68
- Anregungsrauschen
- 70
- Targetsignale
- 70'
- Targetsignale
- 72a
- Echosignale
- 72a'
- Echosignale
- 72b
- Echosignale
- 72b'
- Echosignale
- 74
- Bereich
- 76
- Signalwert
- 78
- Regressionsgerade
- 80
- Erster magnetischer Positionsgeber
- 82
- Zweiter magnetischer Positionsgeber
- 84
- Targetsignal
- 86
- Targetsignal
- 88
- Targetsignal
- 90
- Zweites Echosignal
- 92
- Winkel
- 94
- Magnetostriktive Sensorvorrichtung
- 96
- Schildeinrichtung
- 98
- Richtung
- 100
- Richtung
- 102
- Anregung
- 104
- Targetsignal
- 106
- Signallaufzeit
- 108
- Echosignal
- 110
- Anregung
- 112
- Targetsignal
- 114
- Echosignal
- 116
- Magnetostriktive Sensorvorrichtung
- 118
- Digitalzweig
- 120
- Digital-Analog-Wandler
- 122
- Zweite analoge Signale
- 124
- Analogzweig
- 126
- Erste analoge Signale
- 128
- Vergleichseinrichtung
- 129
- Differenzverstärker
- 130
- Komparator
- 132
- TDC-Konverter
- 134
- Startsignal
- 135
- Kompensiertes (korrigiertes) Signal
- 136
- Stoppsignal
- 138
- Sperrsignal
