DE102023127944A1 - Verfahren zur Lokalisierung von Mustern in einem Signal eines Positionssensors sowie das Verfahren verwendender Positionssensor bzw. verwendende Positionsmesseinrichtung - Google Patents

Abstract

Bei dem hier beschriebenen Verfahren und der Einrichtung zum Betrieb einer wenigstens einen Positionssensor (44), wenigstens einen Positionsgeber (20) sowie einen Wellenleiter (14) aufweisenden elektromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven, oder akustischen Positionsmesseinrichtung (10), welche eine Steuerung zum Auslösen eines Abfrageimpulses in dem Wellenleiter (14) sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform (400 - 450) aufweist, wobei die Zeit zwischen dem Auslösen des Abfrageimpulses und dem Zeitpunkt des Erfassung der von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform (400 - 450) gemessen wird, um die Position des Positionsgebers (20) über den Zusammenhang zwischen Entfernung und Zeit zu ermitteln, ist insbesondere vorgesehen, dass eine Positionserkennung mittels des Positionsgebers (20) durch Lokalisierung von Mustern in der von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform (400 - 450) erfolgt, wobei die Lokalisierung solcher Muster auf der Grundlage von Korrelationsbetrachtungen erfolgt und wobei ein den Positionsgeber (20) charakterisierendes Kreuzkorrelationsmuster in ein anderes Muster umgewandelt wird, welches mittels maschinellem Lernen eine autonome Positionserkennung des Positionsgebers (20) ermöglicht.

Description

• Die Erfindung betrifft den Betrieb eines Positionssensors bzw. einer einen solchen Sensor aufweisenden Positionsmesseinrichtung und insbesondere die Lokalisierung von Mustern in einem Messsignal eines solchen Positionssensors bzw. einer einen solchen Positionssensor aufweisenden Positionsmesseinrichtung.
• Stand der Technik
• Eine hier z.B. betroffene, magnetostriktive Positionsmesseinrichtung mit einem oder mehreren magnetostriktiv arbeitenden Positionssensoren geht beispielsweise aus der DE 10 2018 117 285 A1 hervor und umfasst einen Wellenleiter, der aus einem magnetostriktiven Material hergestellt ist, sowie eine elektronische Schaltung zum Anlegen eines Abfragestromimpulses bei einem Initialisierungssignal an den Wellenleiter selbst oder an einen leitenden Draht. Der leitende Draht ist durch ein Längsloch des röhrenförmigen Wellenleiters geführt, um eine vorübergehende Magnetisierung des Wellenleiters zu erzeugen. Ferner ist wenigstens ein Zielmagnet vorgesehen, der in der Nähe des Wellenleiters angeordnet ist und eine anfängliche Magnetisierung des Wellenleiters erzeugt. Dabei wird die vorliegende Magnetisierung durch eine neue Magnetisierung überschrieben, die durch den Abfragestromimpuls induziert wird. Dadurch wird ein Torsionswellenpaket erzeugt, das sich in beiden Richtungen entlang des Wellenleiters ausbreitet. Ein Messaufnehmer, der nahe dem die elektronische Schaltung aufweisenden Ende des Wellenleiters angeordnet ist, dient dazu, die Torsionswelle des Wellenleiters in ein elektronisches Signal umzuwandeln. Ferner ist an dem anderen Ende des Wellenleiters eine Dämpfungszone/-struktur angeordnet, um die Reflexion der Torsionswelle an diesem Ende des Wellenleiters zu verhindern oder zu verringern.
• Aufgrund des Aufbaus einer solchen Messeinrichtung besitzen das Torsionswellenpaket und damit das entsprechende elektronische Signalmuster eine typische Form. Die Zeit, die zwischen dem Auslösen des Abfragestromimpulses und dem Zeitpunkt der Detektion des entsprechenden elektronischen Musters gemessen wird, wird dazu verwendet, die Position des Zielmagneten über den Zusammenhang zwischen Entfernung und Zeit zu ermitteln, wobei die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit als Proportionalitätsfaktor zwischen diesen beiden physikalischen Größen verwendet wird. Die Positionserfassungsaufgabe wird somit in eine Zeitmessaufgabe übertragen.
• Darüber hinaus sind Ultraschall-Abstandssensoren bzw. entsprechende Positionsmesseinrichtungen bekannt geworden, die typischerweise einen Ultraschallsender zum Aussenden eines Ultraschallwellenpakets bei Vorliegen eines Initialisierungssignals umfassen. Auch bei diesen ist, anstelle eines genannten Zielmagneten, ein durch Ultraschall erfassbares Zielobjekt vorgesehen, dessen Position oder dessen Abstand ermittelt werden soll. Die Ultraschallwelle breitet sich in einem geeigneten Medium mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus. Mittels eines Ultraschallempfängers wird das empfangene Ultraschallsignals in ein elektronisches Signal umgewandelt. Das dann vorliegende elektronische Signal wird ebenfalls mittels einer elektronischen Schaltung ausgewertet.
• Auch bei Ultraschall-Abstandssensoren sendet der Ultraschallsender auf ein Initialisierungssignal hin ein Ultraschallwellenpaket aus, wobei das Wellenpaket sich über das Medium zum Zielobjekt hin ausbreitet, an dem das Wellenpaket, wiederum über das Medium, zum Ultraschallempfänger hin zurückreflektiert oder zurückgestreut wird und vom Ultraschallempfänger in ein elektronisches Signal umgewandelt wird. Die zwischen dem Auslösen des Ultraschallwellenpakets und dem Zeitpunkt der Detektion des entsprechenden, empfangenen elektronischen Signalmusters gemessene Zeit wird auch hier dazu verwendet, die Position des Zielobjekts oder den Weg zwischen dem Ultraschallsender und dem Zielobjekt zu ermitteln. Die Ermittlung erfolgt über die Korrelation zwischen Entfernung und Zeit, wobei die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit als Proportionalitätsfaktor zwischen diesen beiden physikalischen Größen verwendet wird. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger können dabei eine Baueinheit bilden oder ein einziges Ultraschallgerät mit der genannten Doppelfunktion bilden. Auch hier wird die Positions- oder Abstandserfassungsaufgabe in eine Zeitmessaufgabe übersetzt.
• Es ist anzumerken, dass die Zeitmessung in einer hier betroffenen Ultraschall-Sensorik auch in einer anderen Ausgestaltung realisiert werden kann, z. B. in Form einer Flüssigkeitsgeschwindigkeitsmessung an einer strömenden Flüssigkeit, und zwar durch Messung der scheinbaren Laufzeit eines genannten Ultraschallwellenpakets zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger über die strömende Flüssigkeit.
• Offenbarung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zum Betrieb eines Positionssensors bzw. einer einen solchen Sensor aufweisenden Positionsmesseinrichtung anzugeben, welche eine möglichst hochauflösende Erfassung bzw. Messung der Zielposition eines Zielobjekts, z.B. eines Zielmagneten, ermöglicht. Zudem sollen der Betrieb mit bzw. die Adaption an eine möglichst große Anzahl an elektromagnetisch bzw. magnetisch oder durch Ultraschall oder dergleichen erfassbaren Zielobjekten sowie deren Identifizierung und Diagnose ermöglicht werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Einrichtung beruhen auf der Auswertung erfasster Messsignale auf der Grundlage von Korrelationsbetrachtungen bzw.-techniken. Gemäß dem Stand der Technik erfolgt bei solchen Auswertetechniken lediglich eine parabolische oder lineare Anpassung an nur annähernd parabolische oder lineare Abschnitte einer Kreuzkorrelation bzw. Quasi-Autokorrelation von erfassten Wellenformen. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein solches Kreuzkorrelationsmuster eines Zielobjekts in ein anderes Muster umzuwandeln, welches mit insbesondere autonomem, maschinellem Lernen möglichst einfach und dennoch zuverlässig die Positionserkennung eines hier betroffenen Zielobjekts ermöglicht.
• Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer wenigstens einen Positionssensor, wenigstens einen Positionsgeber sowie einen Wellenleiter aufweisenden elektromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven Positionsmesseinrichtung, oder einer nicht notwendiger Weise einen Wellenleiter aufweisenden, akustischen Positionsmesseinrichtung, welche eine Steuerung zum Auslösen eines Abfrageimpulses in dem Wellenleiter sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer von dem Positionssensor erfassten Wellenform aufweist, wobei die Zeit zwischen dem Auslösen des Abfrageimpulses und dem Zeitpunkt des Erfassung der von dem Positionssensor erfassten Wellenform gemessen wird, um die Position des Positionsgebers über den Zusammenhang zwischen Entfernung und Zeit zu ermitteln, ist insbesondere vorgesehen, dass eine Positionserkennung mittels des Positionsgebers durch Lokalisierung von Mustern in der von dem Positionssensor erfassten Wellenform erfolgt, wobei die Lokalisierung solcher Muster auf der Grundlage von Korrelationsbetrachtungen erfolgt und wobei eine den Positionsgeber charakterisierende, komplexe Kreuzkorrelationswellenform wenigstens in eine andere Wellenform umgewandelt wird.
• Eine solche komplexe Kreuzkorrelationswellenform kann dabei alternativ oder zusätzlich in eine Hüllkurve und in momentan vorliegende Phasenwellenformen umgewandelt werden. Im Gegensatz dazu wird im Stand der Technik mit zeitabhängigen, realen physikalischen Größen, entsprechenden elektrischen Signalen, ihren digitalen/numerischen Darstellungen und weiteren abgeleiteten zeitabhängigen Daten gearbeitet bzw. operiert.
• Aus der Hochfrequenz- (HF-)Technologie, der Schwingungsanalyse, der Akustik und der Seismologie ist es bekannt, die Hüllkurve eines zeitabhängigen Signals oder einer zeitabhängigen „Wellenform“, oder die momentane Größe einer physikalischen Größe als Funktion der Zeit zu charakterisieren. Die Analogie zwischen einer Hüllkurve einer computerbasierten Darstellung einer akustischen Schwingung und einer Hüllkurve einer zeitabhängigen Schwingung an sich ist dem hier betroffenen Durchschnittsfachmann daher durchaus geläufig bzw. bekannt.
• Auch genannte Phasenwellenformen sind im Stand der Technik an sich bekannt, jedoch nicht deren Anwendung gemäß dem vorliegenden erfindungsgemäßen Ansatz.
• Gemäß dem US-Patent US 6,775,321 B1 (Mani Soma et al.) „Vorrichtung und Methode zur Messung eines Jitters“ besteht das analytische Signal z(t) eines realen Signals x(t) aus dem realen Signal als seinem Realteil und der Hilbert-Transformation des realen Signals als seinem Imaginärteil. In der dortigen Gleichung (12) wird dabei die momentane Phasenwellenform ϕ(t) des realen Signals x(t) als arctan-Funktion des Verhältnisses zwischen dem Imaginär- und dem Realteil der analytischen Funktion beschrieben. Dabei wird das momentane Phasensignal bearbeitet (siehe dortige 20), um seine Diskontinuitäten an den ungeraden Vielfachen von Pi() aufzuheben, indem ein entsprechendes ganzzahliges Vielfaches von Pi() hinzugefügt wird (siehe dortige 21). Die weitere Auswertung erfolgt durch lineare Anpassung an die kontinuierliche momentane Phasenwellenform, mit dem Ziel, die zeitliche Variation des Originalsignals x(t) genau zu bestimmen.
• Im Vergleich zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung entspricht das in USP 6,775,321 B1 offenbarte analytische Signal einer hierin offenbarten komplexen Kreuzkorrelationswellenform. Dabei ist allerdings auch anzumerken, dass gemäß der dort genannten Terminologie technische Begriffe wie „Signal“, „Funktion“ und „Wellenform“ nicht deutlich voneinander unterschieden werden.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann vorgesehen sein, dass anhand der umgewandelten Wellenform mittels maschinellen Lernens eine autonome Positionserkennung des Positionsgebers durchgeführt wird.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass eine komplexe Kreuzkorrelation zwischen einer im Vorfeld einer Inbetriebnahme der Positionsmesseinrichtung erstellten Referenzwellenform und einer von dem Positionssensor erfassten Wellenform erzeugt wird, wobei von dem Positionssensor erfasste Wellenformen nach jeder Abfrage mittels des Abfrageimpulses aktualisiert werden können und wobei eine wiederholte Abtastung des Positionsgebers mit einer empirisch vorgegebenen Rate synchron mit dem Einsetzen des Abfrageimpulses beginnen kann. Es ist hierbei anzumerken, dass zwar die erzeugte gesamte komplexe Kreuzkorrelation nicht gespeichert werden muss, jedoch deren entsprechende Datenpunkte zwischengespeichert werden müssen.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass eine komplexe Kreuzkorrelation zwischen einer im Vorfeld einer Inbetriebnahme der Positionsmesseinrichtung erstellten komplexen oder reellen Referenzwellenform und einer von dem Positionssensor erfassten Wellenform erzeugt wird.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass eine reelle Referenzwellenform durch Lernen eines zielbezogenen Abschnitts der erfassten Wellenform, und zwar durch Anwendung einer Fensterfunktion, erzeugt wird und/oder dass eine komplexe Referenzwellenform aus einer/der gelernten reellen Referenzwellenform als ihr Realteil, und aus der Hilbert-Transformation der reellen Referenzwellenform als ihr Imaginärteil, erzeugt wird.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass der Imaginärteil einer komplexen Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform kreuzkorreliert wird, und zwar als Imaginärteil der komplexen Kreuzkorrelationswellenform, oder dass der Realteil der komplexen Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform kreuzkorreliert wird, und zwar als Realteil der komplexen Kreuzkorrelationswellenform.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass die Erzeugung des Imaginärteils der komplexen Kreuzkorrelationswellenform durch Hilbert-Transformation der Kreuzkorrelation der reellen Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform erfolgt.
• Es ist hierbei anzumerken, dass eine komplexe Kreuzkorrelationswellenform so erzeugt werden kann, dass eine komplexe Referenzwellenform mit einer erfassten Wellenform kreuzkorreliert wird. Alle weiteren Auswertungsschritte können jedoch entsprechend durchgeführt werden, wenn die komplexe Kreuzkorrelationswellenform aus der Kreuzkorrelation einer realen bzw. reellen Referenzwellenform und der erfassten Wellenform als ihr Realteil, sowie aus der Hilbert-Transformation des Realteils, und zwar als ihr Imaginärteil, ermittelt wird.
• Wenn nun eine solche komplexe Referenzwellenform zur Erzeugung einer komplexen Kreuzkorrelationswellenform verwendet wird, können synthetische, d.h. komplexe 5-Punkt- und komplexe 2-Punkt-Referenzwellenformen verwendet werden, welche nicht durch maschinelles Lernen bzw. unter Verwendung der Hilbert-Transformation erzeugt wurden. In diesem Fall ist somit der Imaginärteil der komplexen Kreuzkorrelationswellenform nicht gleich der Hilbert-Transformation ihres Realteils. Bei dieser Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens können vorteilhafterweise auch ressourcenschwache Mikrocontroller zum Einsatz kommen.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass durch den Abfrageimpuls verursachtes Abfragerauschen aus einer von dem Positionssensor erfassten Wellenform dadurch ausgeschlossen wird, dass Wellenformdaten verworfen werden, die durch Abfragerauschen beeinflusst werden, oder dass entsprechende Wellenformdaten durch null ersetzt werden.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass die Referenzwellenform dadurch erstellt wird, dass aus einer erfassten Wellenform eine Zielwellenform extrahiert und gespeichert wird, wobei beide Enden der gespeicherten Zielwellenform unterdrückt werden können. Die Unterdrückung der beiden Enden der gespeicherten Zielwellenform kann ggf. durch Anwenden einer Fensterfunktion, insbesondere eines verjüngenden Kosinusfensters mit einem Parameter, der sicherstellt, dass im Wesentlichen der mittlere Teil der Wellenform unverändert bleibt, erfolgen.
• Alternativ kann die Zielwellenform auch aus der erfassten Wellenform so ausgeschnitten werden, dass die Zielwellenformdaten an beiden Enden näherungsweise null sind. Bei der Verwendung einer komplexen Referenzwellenform kann diese beispielsweise aus der Zielwellenform als ihr Realteil, und aus der Hilbert-Transformation der Zielwellenform als ihr Imaginärteil, erstellt werden.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass eine Hüllkurve und momentane Phase der Kreuzkorrelationswellenform ermittelt werden. Dabei kann z.B. die Hilbert-Transformation der Kreuzkorrelationswellenform berechnet werden, wobei die komplexe Kreuzkorrelationswellenform als Realteil die Kreuzkorrelationswellenform und als Imaginärteil die Hilbert-Transformation der Kreuzkorrelationswellenform aufweist.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass die komplexe Kreuzkorrelationswellenform mittels wenigstens eines FIR-Filters berechnet wird, wobei entsprechend gefilterte Wellenformdaten aus zeitlich zurückliegenden Wellenformdaten berechnet werden.
• Bei der ebenfalls vorgeschlagenen Auswerteeinheit zum Betrieb einer wenigstens einen Positionssensor, entweder wenigstens einen Positionsgeber sowie einen Wellenleiter aufweisenden elektromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven Positionsmesseinrichtung, oder einer akustischen Positionsmesseinrichtung, welche eine Steuerung zum Erzeugen eines Abfrageimpulses (z.B. in dem Wellenleiter) sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer von dem Positionssensor gelieferten Wellenform, sind insbesondere Berechnungsmittel zum Erzeugen einer komplexen Referenzwellenform und zum Berechnen der Position des wenigstens einen Positionsgebers, gemäß dem hierin vorgeschlagenen Verfahren, vorgesehen. Bei der vorgeschlagenen Auswerteeinheit können zwei parallel verarbeitende FIR-Filter zur Berechnung einer komplexen Kreuzkorrelationswellenform vorgesehen sein, wobei Abtastwerte einer erfassten Wellenform die zwei FIR-Filter durchlaufen, und wobei die Realteile und die Imaginärteile von Elementen einer komplexen Referenzwellenform Koeffizienten der beiden FIR-Filter umfassen, um die Real- bzw. Imaginärteile der komplexen Kreuzkorrelationswellenform zu erzeugen.
• Es ist hierbei anzumerken, dass die vorgeschlagene Auswerteeinheit zum Erzeugen der komplexen Referenzwellenform und zum Berechnen der Position des Positionsgebers eine parallele Logikgatter-Anordnung bzw. -Architektur in Form eines FPGA („Field Programmable Gate Arrays“) aufweisen kann. Es ist jedoch anzumerken, dass auch andere logische Architekturen oder Schaltungen, wie z.B. Mikrocontroller, zu den genannten Berechnungsschritten eingesetzt werden können. Die genannten Logik-Schaltungen können auch einen Echtzeitbetrieb bzw. eine Echtzeitauswertung der erfassten Wellenformen ermöglichen, welche sogar parallel zur Erfassung von Wellenformen durchgeführt werden können, z.B. beim Einsatz eines herkömmlichen Mikrocontrollers, insbesondere bei Verwendung einer genannten Filterarchitektur mit zwei parallel verarbeitenden FIR-Filtern. Die ebenfalls vorgeschlagene Positionsmesseinrichtung zur elektromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven, oder zur akustischen Positionsmessung mit wenigstens einem Positionssensor, wenigstens einem Positionsgeber sowie ggf. einem Wellenleiter, welche eine Steuerung zum Erzeugen eines Abfrageimpulses in dem Wellenleiter sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer von dem Positionssensor gelieferten Wellenform, weist insbesondere eine genannte Auswerteeinheit auf.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Einrichtung wird somit eine komplexe Kreuzkorrelation zwischen einer komplexen Referenzwellenform und einer erfassten Wellenform erzeugt. Die komplexe Referenzwellenform wird dabei im Vorfeld einer Inbetriebnahme der Positionserfassungseinrichtung erzeugt und in einem Datenspeicher nicht-flüchtig gespeichert.
• So erfasste Wellenformen werden nach jeder Abfrage aktualisiert. Eine entsprechend wiederholte Abtastung eines Zielobjekts beginnt dabei mit einer Rate „fs“ synchron mit dem Einsetzen eines eingangs genannten Abfrage- bzw. „Init“-Signals, wobei die Folge entsprechender, bereits digitalisierter Messwerte eines durch einen eingangs genannten Messaufnehmer detektierten elektrischen Erfassungssignals „Us“ ebenfalls in einem Speicher zwischengespeichert werden können.
• Gemäß der Erfindung wird zum einen ermöglicht, einen passenden linearen Abschnitt der momentanen Phase der komplexen Kreuzkorrelationswellenform aufzufinden und durch Bestimmung der Pegelübergangszeiten das jeweilige Zielobjekt zu lokalisieren. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise funktioniert zuverlässig insbesondere auch bereits bei niedrigen Abtastfrequenzen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Einrichtung bieten die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
• - Noch höher auflösende Messung bzw. Erfassung der Position eines Zielobjekts;
• - Zuverlässiger Betrieb mit einer nahezu unbegrenzten Anzahl von Zielobjekten;
• - verbesserte Adaptivität an unterschiedliche Zielobjekte sowie ein optimaler Betrieb mit beliebig ausgebildeten Zielobjekten;
• - eine Mehrzielerfassung bzw. einen gleichzeitigen Betrieb mit verschiedenen Zielobjekten;
• - eine verringerte minimal zulässige Entfernung eines Zielobjekts vom Wellenleiter;
• - die Ermöglichung einer noch niedrigeren A/D-Umwandlungsrate;
• - ein vereinfachtes Sensordesign und somit einen entsprechenden Kostenvorteil;
• - eine deutlich verringerte Stoßempfindlichkeit bzw. eine entsprechend höhere Widerstandsfähigkeit gegen Schock und Vibration;
• - eine geringere Wahrscheinlichkeit von Phantomzielerkennungen;
• - eine während des Betriebs zuverlässige Signal- und Datenzuverlässigkeitsanzeige bzw. Diagnose;
• - einfaches Erlernen neuer Zielobjekte bzw. Zielobjekte mit einer nicht korrekten Ausrichtung gegenüber dem Wellenleiter;
• - sichere Erkennung von sich annähernden Zielobjekten mit hoher Messauflösung; sowie
• - gleichzeitige Erfassung von Position, Abstand (z) und Drehwinkel eines Zielobjekts (z.B. Zielmagneten).
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer an sich bekannten magnetostriktiven Positionsmesseinrichtung zur Anwendung des hierin beschriebenen Verfahrens, welche in diesem Beispiel zwei magnetische Positionsgeber aufweist;
• 2 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters einer in 1 gezeigten Messeinrichtung, zur Erläuterung dessen Funktionsweise;
• 3a - c erfindungsgemäße Berechnungsschritte zum Erstellen einer Referenzwellenform auf der Grundlage einer, mittels eines hier betroffenen Positionssensors messtechnisch erfassten Wellenform;
• 4 einen typischen zeitlichen Verlauf bzw. die „Anatomie“ eines hier betroffenen, digitalisierten Messsignals bzw. einer entsprechend erfassten Wellenform;
• 5a, b typische, durch zwei verschiedene, hier betroffene einzelne Zielmagnete erzeugte Messsignale bzw. Wellenformen;
• 6a - c erfasste Wellenformen im Falle zweier, verschiedener und unterschiedlich ausgerichteter Zielmagnete;
• 7a - d eine bei zwei unterschiedlichen Zielmagneten durchgeführte Identifizierung von betroffenen Abschnitten sowie die Zuordnung der identifizierten Abschnitte dem ersten und dem zweiten Zielmagnet;
• 8 bei zwei Zielmagneten, die erfindungsgemäße Einteilung von Zielabschnitten in zwei Gruppen der beiden Zielmagnete, und zwar auf der Grundlage einer räumlichen Annäherung der Zielmagnete;
• 9a - d eine sensorisch erfasste Wellenform, die Komponenten einer diesbezüglichen, komplexen Kreuzkorrelationswellenform sowie eine Hüllkurve mit entsprechenden Zielabschnitten;
• 10a - g Referenzwellenformen, die für bestimmte Aspekte optimiert sind, und zwar hinsichtlich Trennbarkeit von Zielabschnitten verschiedener Zielmagnete sowie zur Minimierung der Berechnungszeit einer komplexen Kreuzkorrelationswellenform;
• 11 die Auswirkung der Verringerung der Abtastrate auf eine erfasste Zielwellenform, auf eine entsprechende, komplexe Kreuzkorrelationswellenform sowie auf die Phase über der Zeit anhand von achtzehn Diagrammen;
• 12 ein Beispiel zur Illustration des Auffindens einer optimalen ADC-Abtastrate, um eine übermäßige Rechenlast bei höheren sowie Schwankungen der Positionsschätzung bei niedrigeren Abtastraten wirksam zu verhindern;
• 13 eine beispielhafte, technische Implementierung zur Berechnung einer Kreuzkorrelationswellenform mittels eines zwei parallel verarbeitende FIR-Filter aufweisenden FPGAs („Field Programmable Gate Arrays“);
• 14 wie durch geeignetes „Pipelining“ und Parallelisierung von Auswerteschritten die Auswertung schneller und/oder ressourceneffizienter werden kann; und
• 15 wie bei einer Mikrocontroller-basierten Auswertung eine Echtzeitleistung dadurch zu erzielen ist, dass die Auswertung einer erfassten Wellenform parallel zu ihrer Erfassung nach dem Auslösen eines Abfrageimpulses gestartet wird.
• Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
• Eine magnetostriktive Positionsmesseinrichtung, welche in 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Messaufnehmer (bzw. Positionssensor) 12 mit einem Wellenleiter 14. Dem Wellenleiter 14 ist ein Rückleiter 16 zugeordnet (2). Dem Wellenleiter 14 ist ferner ein Dämpfungselement 18 zugeordnet, welches an einem Endbereich des Wellenleiters 14 positioniert ist (vergleiche 2). Die magnetostriktive Sensorvorrichtung 10 umfasst eine oder mehrere magnetische Positionsgeber 20 (im Folgenden auch als „Zielmagnet“ bezeichnet) (2) bzw. 20a, 20b ( 1). Der oder die magnetischen Positionsgeber 20 koppeln berührungslos an den Messaufnehmer 12.
• Eine solche magnetostriktive Sensorvorrichtung bzw. -einrichtung 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. 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.
• Der magnetische Positionsgeber 20 wirkt an einer Messstelle 28 des Wellenleiters 14 auf diesen ein. Die Messstelle 28 charakterisiert die Position des magnetischen Positionsgebers an dem Messaufnehmer 12. Diese Position ist dabei grundsätzlich eine Position, bezogen auf eine Längsrichtung 30 des Wellenleiters 14 (in einem Messbereich). Grundsätzlich ist es aber auch möglich, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, dass die entsprechende Position alternativ oder zusätzlich eine Position in einer Richtung 32 quer zu der Längsrichtung 30 ist. Beispielsweise verlaufen bei einer Ausführungsform Magnetfeldlinien 34 des magnetischen Positionsgebers 20 rechtwinklig zum zirkulären Magnetfeld 26 und sind ebenfalls im Wellenleiter 14 gebündelt.
• 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, torsionsartige 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). Eine Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Welle im Wellenleiter 14 liegt insbesondere in der Größenordnung von ca. 2800 m/s und ist weitgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.
• Das Dämpfungselement 18 an einem Ende 40 des Wellenleiters 14 dämpft die zu diesem Ende 40 laufende Welle weg, so dass der rückreflektierte Anteil der Welle bei der Signaldetektion gegenüber der direkt propagierenden Welle im Wesentlichen vernachlässigbar ist. An einem anderen Ende 42 des Wellenleiters 14 ist eine Detektorspuleneinrichtung 44 mit mindestens einer Pick-Up-Spule (im Folgenden auch als „Messaufnehmer“ bezeichnet) 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.
• 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 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, wobei die Position des Positionsgebers 20 die Messstelle 28 bestimmt. 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.
• 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.
• Wie bereits erwähnt, liefert die Detektorspuleneinrichtung 44 analoge Signale. Dabei ist vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf dieser Signale (Spannungssignale) ermittelt, aufgezeichnet und analysiert wird. Insbesondere wird die Signalform ermittelt, aufgezeichnet und analysiert. Dabei ist eine Digitalisierungseinrichtung 46 (vergleiche 1) vorgesehen, welche mit einer relativ hohen Digitalisierungsrate (Sampling-Rate) aus analogen Daten digitale Daten erzeugt. 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.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung werden dabei Abtastfrequenzen zwischen 1 und 3 MHz angewendet, wobei die dadurch erhaltenen, erfassten Wellenformen sogar in Echtzeit mittels an sich bekannter Mikrocontroller verarbeitbar sind. Es können aber auch deutlich niedrigere Abtastraten angewendet werden oder sogar viel höhere Abtastraten. Im letzten Fall kann dabei ein Hochleistungs-FPGA („Field-Programmable Gate Array“) eingesetzt werden, wodurch sich Vorteile aufgrund der dadurch erhöhten Verarbeitungsgenauigkeit ergeben (siehe auch 11 und 12).
• Über eine Datenverarbeitungseinrichtung 52 wird 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. Die so gespeicherten Daten charakterisieren in digitaler Form den zeitlichen Verlauf der Signale der Detektorspuleneinrichtung 44. Eine Analyseeinrichtung 56 wertet diese Daten in ihrem zeitlichen Verlauf aus.
• Die Steuerungseinrichtung 24 ist an die Speichereinrichtung 54 und an die Analyseeinrichtung und insgesamt an die Datenverarbeitungseinrichtung 52 signaltechnisch gekoppelt. Es lässt sich so eine Korrelation zwischen Startsignalen und Stoppsignalen herstellen. Insbesondere lässt sich eine Korrelation zwischen Auslösung eines Messvorgangs und den Messdaten herstellen. Die Speichereinrichtung 54 ist beispielsweise ein Array, ein FIFO-Speicher und/oder ein Ringspeicher. Die Steuerungseinrichtung 24 ist beispielsweise in einem DSP, einem FPGA, 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. Die Analyseeinrichtung 56 kann ebenfalls in die Steuerungseinrichtung 24 integriert sein. Bei einer Ausführungsform ist die Analyseeinrichtung 56 durch einen DSP (Digitaler Signalprozessor) realisiert. In der Speichereinrichtung kann pro Messzyklus in digitalisierter Form der zeitliche Verlauf (einschließlich Impulsform) von Signalen der Detektorspuleneinrichtung 44 bereitgestellt werden.
• Hier betroffene, magnetostriktive Positionsmesseinrichtungen umfassen demnach typischerweise:
• - einen Wellenleiter, der aus einem möglichst stark magnetostriktiven Material hergestellt ist;
• - eine Steuerung, z.B. eine elektronische Schaltung, zum Anlegen eines Abfragestromimpulses bei einem Initialisierungssignal (im Folgenden „Init“-Signal) an den Wellenleiter selbst oder an einen leitenden Draht, der durch ein Längsloch des röhrenförmigen Wellenleiters geführt ist, um eine vorübergehende Magnetisierung des Wellenleiters zu erzeugen;
• - einen Zielmagnet(en), der in der Nähe des Wellenleiters angeordnet ist und eine anfängliche Magnetisierung des Wellenleiters erzeugt, wobei die Magnetisierung durch die Magnetisierung überschrieben wird, die durch den Abfragestromimpuls induziert wird, wodurch ein Torsionswellenpaket erzeugt wird, das sich in beide Richtungen entlang des Wellenleiters ausbreitet;
• - einen Messaufnehmer, der nahe dem nahen Ende des Wellenleiters, d. h. nahe der Elektronik des Wellenleiters, angeordnet ist, um die Torsionswelle des Wellenleiters in ein elektronisches Signal umzuwandeln;
• - meist eine Dämpfungszone/-struktur am anderen Ende des Wellenleiters, um die Reflexion der Torsionswelle an diesem Ende des Wellenleiters zu verhindern (oder zu dämpfen); und
• - einen Elektronikblock, der getrennt angeordnet oder als Teil der genannten elektronischen Schaltung ausgebildet sein kann, zur Auswertung des elektronischen Signals des Messaufnehmers.
• Aufgrund des technischen Aufbaus einer solchen Sensoreinrichtung besitzen das Torsionswellenpaket und damit das entsprechende elektronische Signalmuster eine typische Wellenform. Die Zeitspanne, die zwischen dem Auslösen eines Abfragestromimpulses und dem Zeitpunkt der Detektion eines entsprechenden elektronischen Musters gemessen wird, wird verwendet, um die Position des Zielmagneten über die Korrelation zwischen Entfernung und Zeit zu charakterisieren. Dabei wird die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit als Proportionalitätsfaktor zwischen diesen beiden Zeitpunkten verwendet. Die Positionserfassungsaufgabe wird dadurch in eine Zeitmessaufgabe übertragen.
• Eine an sich bekannte Messtechnik besteht sowohl bei magnetostriktiven als auch bei Ultraschall-basierten Positions- oder Abstandssensoren darin, dass zusammen mit der aktiven Flanke eines genannten „Init“-Signals ein Zähler gestartet wird, wobei ein Komparator vorgesehen wird, um einen Pegeldurchgang des elektronischen Ausgangssignals des Messaufnehmers zu erkennen. Der Zeitzähler wird dann bei Aktivierung des Komparator-Ausgangs gestoppt. Der Ausgang des Komparators kann durch weitere Komparatoren und sequenzielle Logik so voreingestellt bzw. vorkonditioniert werden, dass ein Stoppen des Zählers durch nicht zielbezogene Schwankungen wirksam verhindert wird, da die bei den hier betroffenen Messeinrichtungen meist eingesetzten, mikroelektronisch integrierten und hochgenauen Zeitzähler auch auf Fehlstopps, d.h. nicht ohne Verlust gültiger Messdaten, reagieren können.
• Durch die räumliche Anordnung und damit verbundene mechanische Kopplung des Messaufnehmers mit dem magnetostriktiven Wellenleiter ist das elektronische Signal des Messaufnehmers unerwünschten mechanischen Störungen wie Stößen und Vibrationen ausgesetzt, die sich entlang des Wellenleiters bis zur genannten, durch den Position des Messaufnehmers bedingten „Pickup-Zone“ ausbreiten.
• Gegenüber den beschriebenen magnetostriktiven Positionsmesseinrichtungen sind auch Messeinrichtungen an sich bekannt, welche auf der Auswertung eines longitudinalen magnetischen Effekts einer Torsionswelle beruhen und welche dadurch sogar noch empfindlicher gegenüber den genannten mechanischen Störungen sind als die zuvor genannten Messeinrichtungen, welche ausschließlich auf Torsionswellen beruhen. Denn bei den zuletzt genannten Messeinrichtungen können genannte Störungen mit viel geringerer Effizienz aus der mechanischen Umgebung in den Wellenleiter eingekoppelt werden.
• In dem vereinfachten Ausführungsbeispiel eines, gegenüber der in 1 und 2 dargestellten magnetostriktiven Positionsmesseinrichtung, nur einen einzigen Zielmagnet 20 aufweisenden Positionsmesseinrichtung sei ferner angenommen, dass die erfasste Wellenform einen Null-Offset hat, d. h. dass sie im Wesentlichen einen Nullwert in Abwesenheit einer Abfrage oder außerhalb der Zeitintervalle, die durch das Abfragerauschen, Zielsignale oder ihre Echos beeinflusst werden, hat, was z.B. durch sampleweise Subtraktion eines konstanten Offsets erreicht werden kann.
• Es wird weiterhin davon ausgegangen, dass das Abfragerauschen aus einer jeweils erfassten Wellenform ausgeschlossen wird, indem entweder diejenigen Wellenformdaten verworfen werden, die durch das Abfragerauschen beeinflusst werden, oder indem die entsprechenden Werte durch Null ersetzt werden.
• Eine Referenzwellenform sei auf die folgende Weise aufgebaut. Zunächst wird die Produktion einer erfassten Wellenform 300 initiiert (siehe 3a) und eine Zielwellenform 305 in einen Pufferspeicher kopiert, und zwar gemäß 3b, wobei die dort gezeigten beiden gestrichelten Linien 307, 307' nur die Enden bzw. Randbereiche der Zielwellenform 305 andeuten, welche größtenteils durch die durchgezogene Linie der in dem mittleren Bereich im Wesentlichen übereinstimmenden, initiierten Wellenform 300 verdeckt wird. Der Pufferspeicher enthält dann nur einen Teil der ursprünglich erfassten Wellenform 300, welche auch Werte 302 enthält, die durch das Vorhandensein des Zielmagneten 20 beeinflusst werden, und nicht durch die in 3a illustrierten, im Wesentlichen den Wert null aufweisenden Werte 303, 304 auf der dortigen linken und rechten Seite. Alle nicht null betragenden Werte werden aufgrund von Rauschen und Schwankungen erzeugt, wobei diese Werte entweder stochastisch oder systematisch, z. B. aufgrund der Wellenleiterqualität, bestimmt sein können.
• Im nächsten Schritt werden beide Enden der kopierten Wellenform unterdrückt, um einen reibungslosen Übergang auf möglichst null betragende Werte zu gewährleisten, und zwar bis zum Ende der gesamten Wellenform, und zwar z.B. durch Anwenden eines „verjüngten Kosinusfensters“, gemäß der in 3b dargestellten, strichpunktierten Linie 309, und zwar mit einem Parameter, der sicherstellt, dass der im Wesentlichen mittlere Teil der Wellenform 305 unverändert bleibt, und zwar gemäß der in 3b dargestellten, durchgezogenen Linie 305. Diese Wellenform 305 wird vorliegend als echte Referenzwellenform verwendet.
• Es ist zum einen anzumerken, dass eine genannte Fensterfunktion 309 („verjüngtes Kosinusfenster“) in der digitalen Signalverarbeitung festlegt, mit welcher Gewichtung die bei der Abtastung eines Signals gewonnenen Abtastwerte innerhalb eines solchen Ausschnitts (Fensters) in nachfolgende Berechnungen eingehen.
• Es ist ferner anzumerken, dass auch die Anwendung alternativer, an sich bekannter Fensterfunktionen zur Unterdrückung der beinen Enden der Referenzfunktion, jedoch ohne wesentliche Änderung ihres mittleren Bereichs bzw. ihres Mittelteils, möglich ist.
• Die genannte Zielwellenform stellt bevorzugt ein relativ schmalbandiges „Wavelet“ dar, d.h. eine annähernd sinusförmige Wellenform, multipliziert mit einer Hüllkurve. Dasselbe gilt auch für eine genannte, reale Referenzwellenform. Dies bedeutet, dass die Darstellung der Zielwellenform im Frequenzraum einen verteilten, spektralen Spitzenwert („Peakwert“) um eine Mittenfrequenz herum ergibt. Da das Amplitudenspektrum einer hier betroffenen Kreuzkorrelationsfunktion zweier Funktionen durch das Produkt der jeweiligen Amplitudenspektren der beiden Funktionen dargestellt wird, wird das Amplitudenspektrum der Kreuzkorrelationswellenform eine schmalere Spitze aufweisen als das Amplitudenspektrum jeder der beiden einzelnen Funktionen.
• Die Kreuzkorrelationswellenform der Referenzwellenform sowie der erfassten Wellenform können durch eine näherungsweise Kosinusfunktion, multipliziert mit einer näherungsweisen Gaußschen Hüllkurve, beschrieben werden, wie in der 3c durch die strichpunktierte Linie 315 dargestellt. Darin ist die normalisierte Kreuzkorrelationswellenform mit einer gestrichelten Linie dargestellt, welche allerdings hinter der die am besten angepasste Funktion darstellenden, durchgezogenen Linie kaum sichtbar erscheint. Die normalisierte Kreuzkorrelationswellenform stellt sich somit als Produkt einer Gaußschen Hüllkurve (durch eine strichpunktierte Linie dargestellt) und einer Kosinusfunktion (nicht gezeigt) dar.
• Da der für den Zielmagnet 20 relevante Abschnitt der Kreuzkorrelationswellenform im Wesentlichen als Produkt einer Gauß- und einer Kosinusfunktion erzeugt werden kann, bedeutet dies auch, dass sich die Phase der Kosinuskomponente zu jedem Zeitpunkt linear als Funktion der Zeit ändert. Demzufolge bewegt sich auch die Position, die einem bestimmten Phasenwert in Bezug auf die Phase der Kosinuskomponente entspricht, zusammen mit der Zielwellenform. Dadurch lässt sich eine lineare Anpassung an die Datenpunkte berechnen, womit man die Kosinusphase/Zeit-Beziehung oder Kosinusphase/Position-Beziehung erhält, welche sich linear verhält und daher unmittelbar die Lokalisierung der Position des Zielmagneten 20 ermöglicht.
• Daraus ergibt sich das technische Problem, dass die Ortung eines Nulldurchgangs bzw. einer Maximalposition der Kreuzkorrelationswellenform dadurch erschwert wird, dass die entsprechenden „fast linearen“ bzw. „fast parabolischen“ Abschnitte nur als wirklich näherungsweise linear oder parabolisch behandelt werden können und insbesondere bei niedrigeren Abtastraten der Analog-Digital-Wandlung es nicht offensichtlich ist, welche Datenpunkte für die Anpassung verwendet werden können.
• Im Gegensatz dazu vermeidet die erfindungsgemäß vorgeschlagene, lineare Anpassung an die genannte Funktion Kosinusphase über Zeit oder Position das Problem der Auswahl der korrekten Datenpunkte für die genannte Anpassung, da diese Funktion über den gesamten Bereich der Kreuzkorrelationswellenform linear ist.
• Um die Hüllkurve und die momentane Phase der Kreuzkorrelationswellenform zu bestimmen, kann man ihre Hilbert-Transformation berechnen und die komplexe Kreuzkorrelationswellenform durch die Kreuzkorrelationswellenform als ihren Realteil und die Korrelationswellenform als Imaginärteil erzeugen. Dabei kann man die Einhüllende als Absolutwert der komplexen Kreuzkorrelationsfunktion und die momentane Phase der Kosinuskomponente als den Phasenwinkel der komplexen Kreuzkorrelationswellenform berechnen.
• Allerdings ergibt die Berechnung der Hilbert-Transformation das weitere Problem, dass die vollständige Kreuzkorrelationswellenform gespeichert werden muss, was für längere Wellenleiter technisch sehr aufwendig ist. Da zudem die Hilbert-Transformation erst nach der Wandlung des vollständigen Messsignals berechnet werden kann, erfolgt die Auswertung der Messdaten in Echtzeit, d.h. parallel mit der Erfassung der Wellenform erfolgt, wodurch die Auswertungsergebnisse, d.h. die Positionsdaten des Zielmagneten 20, erst mit einer entsprechenden Zeitverzögerung vorliegen.
• Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt nun der beschriebene Zusammenhang zugrunde, wonach die Hilbert-Transformation der Kreuzkorrelation einer Referenzwellenform mit einer erfassten Wellenform einer Kreuzkorrelation der Hilbert-Transformation der Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform entspricht. Diese Assoziativität der beiden Wellenformen hat ihre Ursache darin, dass die Hilbert-Transformation als Faltung verstanden werden kann und die Kreuzkorrelationswellenform daher entsprechend zurückberechnet werden kann. Zudem lassen sich Faltungen im Zeitbereich bekanntermaßen in entsprechende Multiplikationen im Frequenzbereich umwandeln.
• Wie bereits beschrieben, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz die Hilbert-Transformation der realen bzw. reellen Referenzwellenform berechnet und die komplexe Referenzwellenform aus der reellen Referenzwellenform als ihrem Realteil und der Hilbert-Transformation der reellen Referenzwellenform als Imaginärteil zusammengesetzt. Darauf basierend wird die komplexe Kreuzkorrelationswellenform als Kreuzkorrelation der komplexen Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform berechnet.
• Die Äquivalenz der Hilbert-Transformation einer Kreuzkorrelationswellenform einer ersten Wellenform und einer zweiten Wellenform mit einer Kreuzkorrelation der Hilbert-Transformation der ersten Wellenform und der zweiten Wellenform beruht auf den folgenden Zusammenhängen, welche zur Vereinfachung im Frequenzraum bzw. in der Frequenzdomäne beschrieben bzw. dargestellt werden.
• Dabei seien u=u(t) und v=v(t) zwei zeitabhängige Funktionen und u⊗v deren Kreuzkorrelationsfunktion. Zudem bezeichne H die Hilbert-Transformation. Die Fourier-Transformation der Hilbert-Transformation einer beliebigen zeitabhängigen reellen Funktion g(t) kann somit gemäß der folgenden Beziehung berechnet werden: $$\mathbf{F}\left(H\left(\text{g}\right)\right)\left(\mathrm{\omega }\right)=-i\text{ sgn}\left(\mathrm{\omega }\right)\mathbf{F}\left(\text{g}\right)\left(\mathrm{\omega }\right),$$

  

  wobei ω die Kreisfrequenz ist. Für die Fourier-Transformation der Kreuzkorrelation der beiden reellen Funktionen u und v kann man somit schreiben: $$\mathbf{F}\left(\text{h}\otimes \text{v}\right)\left(\mathrm{\omega }\right)=\mathbf{F}\left(\text{u}\right)*\left(\mathrm{\omega }\right)\mathbf{F}\left(\text{v}\right)\left(\mathrm{\omega }\right),$$

  

  wobei „*“ die komplexe Konjugierte einer komplexen Zahl bedeuten soll.
• Auf der Grundlage der beiden genannten Gleichungen kann die Fourier-Transformation der Kreuzkorrelationsfunktion somit in der folgenden Form geschrieben werden: $$\begin{array}{l}\mathbf{F}\left(H\left(\text{h}\otimes \text{v}\right)\right)\left(\mathrm{\omega }\right)=-i\text{ sgn}\left(\mathrm{\omega }\right)F\left(\text{h}\otimes \text{v}\right)\left(\mathrm{\omega }\right)=-i\text{ sgn}\left(\mathrm{\omega }\right)F\left(\text{u}\right)*\left(\mathrm{\omega }\right)F\left(\text{v}\right)\left(\mathrm{\omega }\right)=\\ -\left[-i\text{ sgn}\left(\mathrm{\omega }\right)F\left(\text{u}\right)\left(\mathrm{\omega }\right)\right]*F\left(\text{v}\right)\left(\mathrm{\omega }\right)=-F\left(H\left(\text{u}\right)\otimes \text{v}\right)\left(\mathrm{\omega }\right),\end{array}$$

  

  oder entsprechend in der Zeitdomäne: $$H\left(\text{u}\otimes \text{v}\right)\left(\text{t}\right)=-\left(H\left(\text{u}\right)\otimes \text{v}\right)\left(\text{t}\right).$$

  

  Unabhängig von dem Vorzeichen zeigt die zuletzt genannte Gleichung, dass die Kreuzkorrelation der Hilbert-Transformation einer ersten Funktion und einer zweiten Funktion, anstelle der Hilbert-Transformation der Kreuzkorrelation der beiden Funktionen, äquivalent verwendet werden kann. Diese Äquivalenz gilt entsprechend auch bei den jeweiligen digitalen Wellenformen.
• Im Folgenden wird beschrieben, wie Datenelemente einer Wellenform entsprechend den Abtastzeitpunkten diskret indiziert werden können. Dabei erfolgt die Umrechnung aus diskreten Indizes und der Zeit durch Division durch die entsprechende Abtastrate.
• Eine entsprechende Referenzwellenform wird aus einem kontinuierlichen Abschnitt der Wellenformdaten mit einer geeigneten Länge N, und zwar gemäß der Anzahl der abgetasteten Datenpunkte, berechnet. Die Berechnung beginnt an einem geeigneten Punkt k₀, um einen Bereich mit ausreichender Größe der Signatur in der gemessenen Wellenform eines magnetischen Ziels einzuschließen. Dabei wird eine folgende, im Wesentlichen konisch verlaufende Cosinus-Fensterfunktion w(n) angewendet, um die an den Grenzen des Fensters vorliegenden Werte möglichst zu unterdrücken: $${\text{REF}\left(\text{n}\right)|}_{\text{n}=\mathrm{0..}\text{N}-1}=\text{S}\left({\text{k}}_0+\text{n}\right)\text{w}\left(\text{n}\right).$$

  
• Die entsprechende, komplexe Referenzwellenform CREF(n) setzt sich dann aus der Referenzwellenform REF(n) (als ihr Realteil) und ihrer Hilbert-Transformation (als ihr Imaginärteil) wie folgt zusammen: $$\text{CREF}\left(\text{n}\right)=\text{REF}\left(\text{n}\right)+iH\left(\text{REF}\right)\left(\text{n}\right).$$

  
• Für die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen der komplexen Referenzwellenform und der gemessenen Wellenform, kann S(k) wie folgt geschrieben werden: $$\begin{array}{c}\left(\text{CREF}\otimes \text{S}\right)\left(\text{k}\right)={\displaystyle \sum _{\text{n}=0}^{\text{N}-1}\text{CREF*}\left(\text{n}\right)\text{S}\left(\text{n}-\text{N}+\text{k}\right)=}\\ ={\displaystyle \sum _{\text{n}=0}^{\text{N}-1}\text{Re}\left(\text{CREF}\left(\text{n}\right)\right)\text{S}\left(\text{n}-\text{N}+\text{k}\right)-i{\displaystyle \sum _{\text{n}=0}^{\text{N}-1}\text{Im}\left(\text{CREF}\left(\text{n}\right)\right)\text{S}\left(\text{n}-\text{N}+\text{k}\right)=}}\\ ={\displaystyle \sum _{\text{n}=0}^{\text{N}-1}\text{REF}\left(\text{n}\right)\text{S}\left(\text{n}-\text{N}+\text{k}\right)-i{\displaystyle \sum _{\text{n}=0}^{\text{N}-1}H\left(\text{REF}\right)\left(\text{n}\right)\text{S}\left(\text{n}-\text{N}+\text{k}\right)=}}\\ \left(\text{REF}\otimes \text{S}\right)\left(\text{k}\right)+iH\left(\text{REF}\otimes \text{S}\right)\left(\text{k}\right)=\text{CC}\left(\text{k}\right)+iH\left(\text{CC}\right)\left(\text{k}\right)=\text{CC*}\left(\text{k}\right),\end{array}$$

  

  wobei CC(k) die Kreuzkorrelation des Realteils der diskreten, zeitabhängigen komplexen Referenzfunktion CREF(n) und der ebenfalls diskreten zeitabhängigen gemessenen Wellenform S(k) darstellt. Die gemessenen Datenpunkte der Wellenform, welche verschiedentlich mit negativen Werten indiziert sind, werden dabei als Nullwerte behandelt, womit die Wellenform vor Beginn der Messung den Wert Null haben soll.
• Bezüglich der weiteren Notation in den vorgenannten Gleichungen gilt:
• Die Größe n stellt den Index der Datenpunkte der komplexen Referenzwellenform dar, welcher aus N Datenpunkten bzw. Abtastwerten gebildet ist. Dabei läuft die Größe k über die Datenpunkte der gemessenen Wellenform, der Kreuzkorrelationswellenform und der komplexen Kreuzkorrelationswellenform. Dabei ist zu beachten, dass in den 6a - 6c die horizontale Achse meist die Zeit darstellt, wobei der einzige Bereich, in dem diese Zeit der tatsächlichen Messzeit entspricht, der gemessenen Wellenform entspricht. Für die Referenzwellenform allerdings wird unter Zeit die relative Zeit verstanden, die einem Wellenformdatenpunkt innerhalb des Zeitfensters der Referenzwellenform entspricht.
• Im Bereich der komplexen Kreuzkorrelationswellenform, der Hüllkurvenwellenform und der momentanen Phasenwellenform wird die Zeitachse so in Richtung positiver Werte verschoben, dass die Berechnung der Kreuzkorrelationswellenform nur für zeitlich davor liegende Abtastwerte erfolgt. Diese Zeitverschiebung ist jedoch konstant und hat keine Auswirkung auf die Auswertung der Hüllkurven- und momentanen Phasenwellenformen.
• Während diese zeitliche Verschiebung in den 6a - 6c sichtbar ist, wird sie in den weiteren Figuren grafisch kompensiert, um die Übereinstimmung zwischen den gemessenen Merkmalen der Wellenform und den Merkmalen der entsprechenden komplexen Kreuzkorrelationswellenform und der Hüllkurve besser sichtbar zu machen.
• Die komplexe Konjugation hat lediglich den Effekt, den Imaginärteil der Anteile der CCC-Wellenform und damit die Phase zu invertieren, wobei allerdings die Größen (CREF⊗S)(k) und CCC* (k) äquivalent verwendet werden können.
• In dem vorliegenden Beispiel wird die Größe CCC(k) wie folgt berechnet: $$={\displaystyle \sum _{\text{n}=0}^{\text{N}-1}\text{Re}\left(\text{CREF}\left(\text{n}\right)\right)\text{S}\left(\text{n}-\text{N}+\text{k}\right)+}i{\displaystyle \sum _{\text{n}=0}^{\text{N}-1}\text{Im}\left(\text{CREF}\left(\text{n}\right)\right)\text{S}\left(\text{n}-\text{N}+\text{k}\right).}$$

  
• Die gemessene Wellenform S(k) ist in 6a dargestellt. Die 6b zeigt den Real- und Imaginärteil der komplexen Referenzwellenform. In 6c sind der Real- und Imaginärteil der Größe CCC(k) mit entsprechend durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien dargestellt.
• Die Datenpunkte der Hüllkurvenwellenform werden als Absolutwerte der jeweiligen Datenpunkte der CCC-Hüllkurvenwellenform berechnet. Die Real- und Imaginärteile sowie die Einhüllende der Größe CCC werden dabei insgesamt nicht mit entsprechenden Zahlen angegeben, sondern nur ihre Merkmale, welche dem ersten und dem zweiten Zielmagneten entsprechen und welche durch die in 6c gezeigten beiden Wellengruppen 625-635-640-655 und 630-645-650-660 gebildet sind.
• Mittels eines „FIR“-Filters kann das komplexe Kreuzkorrelationssignal transformiert werden. Sogenannte „FIR“-Filter („Finite Impulse Response“-Filter) sind rückkopplungsfreie, phasenlineare Digitalfilter mit endlicher Impulsantwort.
• Auch kann die arithmetische Berechnung des komplexen Kreuzkorrelationssignals durch die Anwendung eines FIR-Filters optimiert werden, wobei Werte der komplexen Referenzwellenform als Filterkonstanten verwendet werden. Dadurch kann eine komplexe Kreuzkorrelationswellenform mit einer minimalen Verzögerung oder sogar in Echtzeit erzeugt werden, z.B. wenn eine parallel arbeitende Architektur (z. B. ein FPGA) oder eine geeignete verwendet wird hardwareimplementierte Filterbank;
• Es ist anzumerken, dass bei dieser Vorgehensweise die Hilbert-Transformation nur einmal durchgeführt wird, und zwar dann, wenn die komplexe Referenzwellenform erzeugt wird, nicht jedoch jedes Mal, wenn eine Kreuzkorrelationswellenform berechnet wird. Zudem erfolgt die Hilbert-Transformation nur bei kurzen Signalformen („Samples“), wie z.B. einer typischer Weise relativ kurzen Zielwellenform, allerdings nicht bei relativ langen Signalformen, wie z.B. einer Kreuzkorrelationswellenform.
• Die beschriebene Vorgehensweise hat z.B. die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
• - Erhebliche Reduzierung der Anforderungen an die Datenspeicherung von erfassten Signalformen;
• - erhebliche Verkürzung der Verarbeitungszeit der aus den erfassten Signalformen berechneten Daten;
• - gleichzeitige Berechnung des komplexen Kreuzkorrelationssignals sowie Start der Erfassung von Signalen, ohne die erfassten Signale bzw. entsprechenden Wellenformen vollständig speichern zu müssen;
• - gleichzeitige Berechnung der Phasenwinkelwerte und Berechnung der komplexen Kreuzkorrelationswellenform. Dabei kann die lineare Regression zum Phasenwinkel über der Zeit auch gleichzeitig ablaufen. Auch Schätzungen der Zielposition des jeweiligen Zielmagneten können währenddessen berechnet werden oder unmittelbar nach dem Empfang bzw. dem Vorliegen einer Zielwellenform.
• Der genaue zeitliche Verlauf eines wie beschrieben digitalisierten Messsignals, d.h. die „Anatomie“ des Sensorsignals bzw. der erfassten Wellenform, ist in 4 dargestellt. In dieser Darstellung beginnt die Zeitachse bei der ansteigenden Flanke 400 eines ca. 4 µs langen, hier nicht dargestellten Abfrageimpulses („Init-Signal“). Das relativ große Schwingungssignal 400 am Anfang der gesamten Wellenform 410 tritt aufgrund einer hier ebenfalls nicht dargestellten, großen mechanischen und magnetischen Störung auf, die durch den elektrischen Abfragestrom und die gleichzeitige magnetostriktive Reaktion des gesamten Wellenleiters verursacht wird.
• Sofern nicht ausdrücklich angegeben, werden bzw. wurden die hierin gezeigten Beispielwellenformen von einem 12-Bit-Analog-Digital-Wandler mit einer Abtastrate von 5,333 MHz aufgezeichnet.
• Im vorliegenden Fall befinden sich zwei Zielmagnete („Targets“) in radialer Anordnung in der Nähe des Wellenleiters (siehe 1 und 2). Obwohl sich das magnetische Feld der Zielmagneten theoretisch unendlich ausdehnt, klingt es schnell ab, wenn die Entfernung unterhalb der Erkennbarkeitsgrenze aufgrund von Grundrauschen liegt, so dass die durch die Zielmagnete hervorgerufenen Signale als räumlich begrenzte Merkmale der insgesamt erfassten Wellenform behandelt werden können. Die aufgrund der beiden Zielmagnete sich ergebenden Signale setzen sich als Überlagerung zweier physikalischer Einzelsignale zusammen.
• Zum einen verursacht der Zielmagnet aufgrund des genannten Abfrageimpulses zwei Torsionswellen, die beginnen, sich in beide Richtungen entlang des Wellenleiters auszubreiten. In diesem Moment ist das entsprechende, sich zum Messaufnehmer hin ausbreitende „Wavelet“ relevant. Wenn sich die Welle bei einem radial ausgerichteten Zielmagnet durch die Aufnahmezone des Messaufnehmers ausbreitet, erfährt der Messaufnehmer eine zeitlich im Wesentlichen antisymmetrische, induzierte Spannung. „Antisymmetrisch“ ist dabei so zu verstehen, dass die Signal-Zeit-Funktion antisymmetrisch zum Mittelpunkt des dem Zielmagneten entsprechenden Spannungsmusters ist.
• Genannte zweite (Echo-)Signale 440 entsteht durch Reflexion, denn nachdem die Torsionswelle vom Messaufnehmer erfasst wurde, wird die Torsionswelle sofort vom freien, d.h. ungedämpften und ungepufferten nahen Ende des Wellenleiters reflektiert. Die reflektierten Wellen induzieren über die beiden Zielmagnete wiederum Spannungssignale 445, 450 im Wellenleiter, ganz ähnlich dem vorherigen Spannungssignal, jedoch mit einer etwas kleineren Amplitude und umgekehrter Polarität.
• Es ist anzumerken, dass die Position des Messaufnehmers in Bezug auf das freie Ende des Wellenleiters so optimiert ist, dass die beiden Spannungssignale eine konstruktive Überlagerung erzeugen, welche die hohen Spitzenwerte (Peakwerte) 430, 435 der von den beiden Zielmagneten hervorgerufenen Signale verursacht.
• Durch die vorbeschriebene Vorgehensweise ist sichergestellt, dass das von dem Zielmagnet hervorgerufene Signal praktisch ein Null-Mittelwert-Muster ist bzw. einen Null-Mittelwert-Verlauf aufweist.
• Die zweite Torsionswelle, die sich zum entfernten, gedämpften Ende des Wellenleiters ausbreitet, wird gedämpft und zum nahen Ende reflektiert und erneut als Echosignal 445 erfasst. Nachdem die erste Torsionswelle das nahe Ende des Wellenleiters erreicht hat und dort reflektiert wurde, breitet sie sich zum entfernten Ende hin aus und wird dort gedämpft sowie aufgrund der Reflexion zum nahen Ende hin zurück reflektiert und als weiteres Echosignal 450 erneut detektiert.
• Die 4 gezeigten Signale ergeben sich typischerweise dann, wenn die Zielmagnete radial angeordnet sind. In dieser Figur bezeichnen die Buchstaben „L“ und „c“ die Länge des Wellenleiters bzw. die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit im Wellenleiter. Die Zeitspanne, welche die Wavelets benötigen, um über die gesamte Länge des Wellenleiters zu laufen, beträgt demnach L/c.
• Hier betroffene, magnetostriktive Positionsgeber können den ansteigenden Nulldurchgang 420, 425 der in 4 gezeigten beiden Zielsignale 417 direkt vor dem positiven Hauptspitzenwert (Peakwert) bei der Positionsermittlung des Zielmagneten verwenden. Jedoch muss dieser Nulldurchgang, neben weiteren positiven Nulldurchgängen, durch weitere Komparatoren, welche die charakteristischen Abweichungen vor dem Hauptspitzenwert erkennen, sowie einer nachfolgenden Logik, mittels der die Erzeugung eines Stoppsignals erst dann freigegeben wird, wenn solche vorangegangenen Abweichungen erkannt wurden.
• Wenn die Ausrichtung des Zielmagneten von einer radialen Anordnung abweicht, entweder aufgrund eines Installationsfehlers, aufgrund einer Beschädigung oder einer Fehlausrichtung, oder weil der Zielmagnettyp von einem konstruktiv bevorzugten Zielmagnettyp abweicht (z.B. von einem anderen Hersteller ist), dann liegt keine für die Überlagerung der beiden Signale erforderliche Antisymmetrie vor und das resultierende, erfasste Signal unterscheidet sich charakteristisch von dem in der 4 gezeigten Signal. So kann beispielsweise ein im Wesentlichen um verschiedene Achsen gedrehter Dipolmagnet, wobei die Achse sowohl zu seinem magnetischen Moment als auch zu dem Wellenleiter senkrecht ist, als Zielmagnet Signale wie die in 5a gezeigten Signale 500 erzeugen. Auch ein nicht eine Dipolstruktur aufweisender Zielmagnet kann ein Signal wie das in 5b gezeigte Signal 505 erzeugen. Ähnlich wie in der 3b gezeigt, werden die in 5a und b gezeigten Wellenformen wiederum z.B. durch Anwenden eines „verjüngten Kosinusfensters“ so verändert, dass der im Wesentlichen mittlere Teil der Wellenform unverändert bleibt und auch hier als Referenzwellenform verwendet werden können.
• Eine genannte, erfasste Wellenform 600 des Messaufnehmers ist in 6a dargestellt, und zwar in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem zwei verschiedene und unterschiedlich ausgerichtete Zielmagnete vorhanden sind. Die Zielwellenform 605 des ersten Zielmagneten, welche zwischen etwa 50 und 80 µs beobachtbar ist, wird nun verwendet, um eine genannte komplexe Referenzwellenform zu berechnen. Die Realteile 615 und die Imaginärteile 620 der entsprechenden komplexen Referenzwellenform sind in 6b dargestellt. Diese komplexe Referenzwellenform wurde dann zur Berechnung der beiden in 6c gezeigten komplexen Kreuzkorrelationswellenformen 625, 630 verwendet.
• Es ist hier anzumerken, dass die komplexe Referenzwellenform mit der vollständig erfassten Wellenform kreuzkorreliert wurde, welche die Zielwellenformen 605, 610 sowohl des ersten als auch des zweiten Zielmagneten enthielt. Beide Abschnitte 625, 630 der Komponenten der komplexen Kreuzkorrelationswellenform, die dem ersten und dem zweiten Zielmagnet entsprechen, erscheinen näherungsweise als umhüllte Kosinus- bzw. Sinuskurven. Jedoch sind die Phasenverläufe der Kosinuskurven, welche den jeweiligen Maximalpunkten ihrer Einhüllenden entsprechen, unterschiedlich ausgebildet, was daran liegt, dass die beiden Zielmagnete mit jeweils unterschiedlicher, räumlicher Orientierung angeordnet sind. Demgegenüber ist davon auszugehen, dass der Maximalwert der Hüllkurve im Wesentlichen mit dem für die Zielposition relevanten Zeitwert korreliert.
• Für die beiden Zielmagnete sind die Realteile 635, 645 und die Imaginärteile 640, 650 sowie die Hüllkurven 655, 660 der beiden komplexen Kreuzkorrelationswellenformen 625, 630 in 6c dargestellt. Obwohl sowohl die erfasste Wellenform als auch die komplexe Kreuzkorrelationswellenform auf derselben horizontalen Skala (d.h. bzgl. der Zeit und dem jeweiligen Abtastwert) dargestellt werden können, entspricht die horizontale Skala der Wellenform der Zeit, während die horizontale Skala der komplexe Kreuzkorrelationswellenform dem Zeitunterschied entspricht.
• Die beiden Zielmagnete erscheinen als zwei charakteristische Spitzenwerte (Peak-Werte) in der Hüllkurvenwellenform. Der Anfang und das Ende der von dem Zielmagnet betroffenen Abschnitte können anhand von Schwellenüberschreitungen der Hüllkurvenwerte definiert werden, wobei die jeweiligen Schwellenwerte konstruktionsbedingt sein können oder bereits bei der Installation der Positionsmesseinrichtung eingestellt werden können. Auch können die Schwellenwerte basierend auf früheren Messungen bzw. basierend auf aktuellen Messungen fortlaufend aktualisiert werden.
• Wie in der 7a illustriert, werden die beiden von den Zielmagneten betroffenen Abschnitte 700, 705 identifiziert und dem ersten bzw. dem zweiten Zielmagnet zugeordnet. Gemäß der erfindungsgemäßen Vorgehensweise werden diese Zielmagnetabschnitte 700, 705 weiterverarbeitet, um die Zielmagnete präzise zu lokalisieren. Dazu werden lineare Regressionen (siehe 7d) zur Bestimmung der Orte von beliebigen spezifischen Pegelübergängen der Phase in Abhängigkeit von der Zeit innerhalb der Zielmagnetabschnitte durchgeführt und danach anhand der Anfangsposition des jeweiligen Zielabschnitts die Position innerhalb des Zielabschnitts hinzugefügt.
• Die entsprechenden Realteile 710, 720 und Imaginärteile 715, 725 der komplexen Kreuzkorrelationswellenformen 710, 715 bzw. 720, 725 in dem ersten Zielabschnitt und in dem zweiten Zielabschnitt sind in 7b bzw. 7c aufgetragen. Wie insbesondere in 7a zu ersehen, sind die Längen der beiden Abschnitte 700, 705 unterschiedlich, da die beiden Hüllkurven 702, 707 eine leicht unterschiedliche Form und Höhe haben, obwohl der genannte Schwellenwert übereinstimmt.
• Das vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung der Position des Zielmagneten innerhalb des Zielabschnitts basiert auf einer linearen Regression der Phase über der Zeit. Es wird dabei angenommen, dass die Nullstellen der Real- und Imaginärteile der komplexen Kreuzkorrelationswellenformen Phasen entsprechen, die gleich ungeraden bzw. geraden ganzzahligen Vielfachen von π/2 sind, so dass die Bestimmung von interpolierten Positionen einer gegebenen Phase entspricht. Während jedoch eine bestimmte Anzahl von Datenpunkten betreffend den Verlauf Phase über der Zeit (siehe 7d) vor und nach dem Pegeldurchgang eines gegebenen Phasenwertes ausgewählt wird, ist die Anpassung einer Linie an die Datenpunkte und das Interpolieren (siehe Kurvenschar 730) des Pegeldurchgangs aus den Linienanpassungsparametern relativ einfach durchführbar, im Gegensatz zur Bestimmung des Nulldurchgangs der jeweiligen Wellenform (d. h. des Real- oder Imaginärteils der komplexen Kreuzkorrelationswellenform). Denn die Auswahl der Datenpunkte, die den im Wesentlichen linearen Abschnitt der gegebenen Wellenform umfassen, kann entweder technisch relativ aufwendig sein oder der genannte lineare Abschnitt kann aufgrund niedriger Abtastraten nicht einmal ausreichend durch Datenpunkte dargestellt werden.
• Das vorgeschlagene Verfahren beruht ferner auf der Erkenntnis, dass die Standardabweichung der Positionsmessung eine lineare Funktion des Mittelwerts einer reziproken Hüllkurve ist. Denn die komplexe Kreuzkorrelationswellenform wird in den Zielabschnitten als Kosinusfunktion erzeugt, welche mit einer Gaußschen Hüllkurve multipliziert ist (siehe 3c), wobei die Steigungen der betreffenden Komponenten der komplexen Kreuzkorrelationswellenformen an den Nulldurchgängen proportional zur Hüllkurve sind. Durchgeführte Experimente haben nun ergeben, dass für einen gegebenen Zielmagnet die Verwendung des Phasenwertes, der dem Maximum der genannten Hüllkurve entspricht, die genaueste Messung der Position des Zielmagneten ermöglicht. Dieser Phasenwert muss allerdings bei der Installation oder während eines Lernvorgangs bestimmt und festgelegt werden, um eine weitere Abhängigkeit von der Bestimmungsgenauigkeit des Hüllkurvenmaximums zu vermeiden.
• Alternativ kann beim Installieren oder Lernen dasjenige der ganzzahligen Vielfachen von π/2 ausgewählt werden, welches dem Hüllkurvenmaximum am nächsten kommt, wobei dieses ganzzahlige Vielfache dann im normalen Betrieb der Positionsmesseinrichtung weiterverwendet wird.
• Wiederrum alternativ können die Zielmagnetorte routinemäßig gemäß mehreren Phasenwerten bestimmt werden, z.B. gemäß mehr als einem ganzzahligen Vielfachen von π/2, wobei aber immer der Ort verwendet wird, welcher der geringstmöglichen Standardabweichung entspricht.
• Es ist anzumerken, dass die Pegelübergänge nicht unbedingt bei der ganzzahligen Vielfachen von π/2 quantisiert sein müssen, sondern in Wesentlichen beliebige Werte gewählt werden können.
• Durch Lokalisierung und Verfolgung mehrerer Phasenübergänge für die Zielmagnete kann die Positionsmesseinrichtung mit deutlich geringeren Totzonen an den beiden Enden und mit einem erheblich geringeren Abstand zwischen benachbarten Zielmagneten betrieben werden als eine auf Komparatoren basierende Positionsmesseinrichtung gemäß dem Stand der Technik. Als Beispiel sind die Zielwellenformen und die Positionen, die ganzzahligen Vielfachen von π/4 entsprechen, in den 7a - 7d für zwei Zielmagnete gezeigt, wobei ein Zielmagnet an einer Position fixiert ist und der andere Zielmagnet von ca. 170 mm bis in die Nähe, 2 mm bewegt wird. Die allmähliche Verschmelzung bzw. Zusammenführung der beiden Wavelets ist in 8 für die angegebenen tatsächlichen Abstände zwischen den Zielmagneten zu ersehen. Bei einem Abstand von dort durch die gestrichelte Linie 800 markierten 150 mm sind die beiden Wavelets deutlich voneinander getrennt 805. Bei einem durch die gestrichelte Linie 810 markierten Abstand von 70 mm ist jedoch die Signalgrundlinie zwischen den Zielmagneten nicht mehr sichtbar 815, obwohl die beiden Wavelets gut voneinander unterschieden werden können.
• Die beiden Diagramme für die kürzeren Entfernungen zeigen Wellenformen, bei denen die beiden Zielmagnete nicht mehr deutlich voneinander getrennt werden können. Zu beachten ist, dass bei der herkömmlichen Lösung, bei der das Stoppsignal der Laufzeitmessung durch einen konditionierten Komparator erzeugt wird, ein Mindestabstand von 70 mm zwischen den Zielmagneten für eine sichere Erfassung beider Magnete erforderlich ist.
• Die weiteren Vorteile und Möglichkeiten des hierin beschriebenen Verfahrens können ebenfalls anhand der 8 verdeutlicht werden. Für relativ große Entfernungen zwischen den beiden Zielmagneten werden die Positionen, die den Phasenübergängen bei ganzzahligen Vielfachen von π/4 in beiden Zielabschnitten entsprechen, in zwei unterschiedliche Gruppen eingeteilt, wobei diejenige Gruppe, welche dem sich jeweils bewegenden Zielmagneten zugeordnet ist, sich der anderen Gruppe annähert, wenn die Entfernung abnimmt. Wenn der Abstand zwischen den beiden Zielmagneten auf unter 70 mm abnimmt, werden die Positionsdaten der beiden Gruppen im Bereich der Kollisionszone „verschmiert“, wobei sogar einige der Positionsdaten ganz verschwinden. Abhängig von den tatsächlichen Zielmagnettypen, - orientierungen und -stärken verschwinden auch die Positionsdaten, welche der Einhüllenden des komplexen Kreuzkorrelationsverlaufs eines der Einzelmagnete am nächsten liegt (was in dem vorliegenden Beispiel allerdings nicht der Fall ist), oder werden zumindest deutlich gestört. Es gibt jedoch mehrere Positionen, die weniger Störungen unterliegen und fortwährend die tatsächliche Position der entsprechenden Zielmagnete widerspiegeln. Die Bestimmung der Position wird dadurch zwar ungenauer, aber die Zielmagnete können sicher weiterverfolgt werden, was die Betriebssicherheit der Positionsmesseinrichtung erheblich verbessert. Es ist allerdings auch zweckmäßig, aber nicht notwendig, dass die Zielmagnete von der Sensorik erfasst werden, bevor sie sich zu sehr annähern.
• Das beschriebene Verfahren ermöglicht die unabhängige Messung mit mehreren Zielmagneten sowie mit unterschiedlich ausgebildeten Zielmagneten, wie in den 9a - 9d veranschaulicht. Die dortigen Zielmagnete mit den in 9c aufgeführten Nummern „1“, „2“, „5“ und „6“ stellen verschiedene, von der Anmelderin vertriebene Standard-Zielmagnete dar, während der ebenfalls in 9c aufgeführte Zielmagnet „7“ einen speziellen, ebenfalls von der Anmelderin vertriebenen Zielmagneten darstellt. Zudem stellt der ebenfalls in 9c aufgeführte Zielmagnet Nr. „3“ ein Erdmagnetstück dar. Der auch in 9c aufgeführte Zielmagnet Nr. „4“ weist dagegen eine Nicht-Dipol-Magnetstruktur auf. Die Länge des Wellenleiters bei diesen Messungen betrug 1,06 m. Die erfasste Wellenform, die Komponenten der komplexen Kreuzkorrelationswellenform sowie die Hüllkurve mit der Angabe der entsprechenden Zielabschnitte sind in den 9a - 9c gezeigt. Die 9d zeigt zudem die Phasen-über-der-Zeit Kurven innerhalb der in 9g genannten, jeweiligen Zielabschnitte „1“ bis „7“.
• Die in 9d gezeigten Phasen der Zielmagnete „1“ und „2“ sind aufgrund der nahezu perfekten Überlappung der jeweiligen Wellenformen nicht oder kaum voneinander getrennt zu ersehen. Die komplexe Kreuzkorrelationswellenform wurde unter Verwendung einer komplexen Referenzwellenform berechnet, die aus der Zielwellenform des Zielmagneten Nr. „1“ berechnet wurde. Die Längen der Zielabschnitte sind aufgrund der unterschiedlichen Amplitudenverhältnisse unterschiedlich. Da die Zielmagnete oder ihre Orientierungen unterschiedlich sind, sind die Steigungen der jeweiligen Phase-gegen-Zeit-Kurven auch leicht unterschiedlich, während die Linearität der Phase-über-der-Zeit Kurven immer nahezu perfekt erfüllt ist. Für die Zielmagnete „4“ und „6“ sind für absolute Phasenwerte über dem Radiant-Wert von 3,14 rad nur geringfügige Abweichungen zu erkennen und für den Zielmagneten „6“ über den Radiant-Wert von 4 rad, wobei diese Phasenwerte auch durch benachbarte Zielmagnete beeinflusst werden können und daher für die Auswertung zu vernachlässigen sind.
• Im Ergebnis sind somit unterschiedliche Zielmagnete unter Verwendung derselben komplexen Referenzwellenform zuverlässig lokalisierbar, d.h. das hierin beschriebene Verfahren besitzt ein gewisses Maß an Toleranz gegenüber der tatsächlichen Form der komplexen Referenzwellenform. Dies ermöglicht die Konstruktion synthetischer, komplexer Referenzwellenformen, die für bestimmte Aspekte optimiert sind. Ein erster Aspekt kann die möglichst gute Trennbarkeit der Zielabschnitte sein, für die ein oszillierendes Muster mit relativ schmaler Hüllkurve vorteilhaft ist (siehe 10c). Ein weiterer Aspekt kann darin bestehen, die Berechnungszeit der komplexen Kreuzkorrelationswellenform möglichst zu verkürzen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Anzahl der Datenpunkte der komplexen Referenzwellenform verringert wird, während bestimmte Eigenschaften, wie die ungefähre Mittenfrequenz und das Null-Mittelwert-Verhalten der Komponenten, beibehalten werden.
• So kann beispielsweise eine komplexe Referenzwellenform konstruiert werden, die nur drei Additionen und zwei Multiplikationen erfordert, um die komplexe Kreuzkorrelationswellenform zu berechnen, wobei wiederum sowohl die Realteile 100, 105, 110 als auch die Imaginärteile 115, 120, 125 in der 10d dargestellt sind.
• Ein Beispiel für eine nur relativ wenige Datenpunkte für den Realteil 130 und den Imaginärteil 135 aufweisende, komplexe Referenzwellenform ist in 10e gezeigt. Diese Referenzwellenform erfordert überhaupt keine arithmetischen Operationen, um die komplexe Kreuzkorrelationswellenform zu erzeugen, die aus der erfassten Wellenform als ihrem Realteil und der zeitverzögert erfassten Wellenform als ihr Imaginärteil (mit umgekehrtem Vorzeichen) zusammengesetzt ist.
• Ein Teil einer erfassten Wellenform und eine komplexe Referenzwellenform, die aus dieser erfassten Wellenform gelernt wurde, sind in den 10a und 10b gezeigt. Die Hüllkurven 140, 145 der komplexen Kreuzkorrelation der gelernten (siehe 10b) und der synthetischen (siehe 10c) komplexen Referenzwellenformen mit der in 10a gezeigten erfassten Wellenform werden in 10f gezeigt. Und zwar für die gelernten, komplexen Referenzwellenformen 140 als auch für die synthetischen, komplexen Referenzwellenformen 145. Die jeweiligen Phase-über-der-Zeit Kurven innerhalb der jeweiligen Zielabschnitte, die von den erlernten, synthetischen, komplexen Referenzwellenformen erzeugt werden, werden in 10g miteinander verglichen. Für absolute Phasenwerte, die nicht größer als π sind, beträgt der Nichtlinearitätsfehler der Phasen-über-der-Zeit Kurven 0,08 %, 0,48 %, 0,60 % bzw. 1,77 %.
• Die Beispiele in den 10a, 10c und 10d zeigen komplexe Referenzwellenformen, welche einen Mittelwert von Null aufweisen, und zwar sowohl hinsichtlich ihres Real- als auch ihres Imaginärteils. Dies hat zur Folge, dass die komplexe Kreuzkorrelationswellenform unveränderlich gegenüber einem konstanten Offset der erfassten Wellenform ist und langsam variierende Komponenten ebenfalls effizient unterdrückt werden. Dies führt zu einer hohen Toleranz der Positionsbestimmung gegenüber mechanischen Schwingungen und Stößen, die normalerweise im Frequenzbereich mit niedrigen kHz auftreten.
• Die obigen Beispiele wurden durch Wellenformen veranschaulicht, die erfasste Daten verwendeten, die mit einem 12-Bit-ADC bei einer Abtastrate von 5,333 MHz aufgezeichnet wurden. Die Auswirkung der Verringerung der Abtastrate auf die erfasste Zielwellenform (Spalte a) und auf die komplexe Kreuzkorrelationswellenform (Spalte b) sowie auf die Phase über der Zeit (Spalte c) ist in den in 11 gezeigten achtzehn Diagrammen dargestellt. Die dort gezeigten Reihen „A“ bis „F“ entsprechen Abtastfrequenzen von 5,333, 1,778, 1,067, 0,533, 0,356 bzw. 0,267 MHz. Für jede Abtastfrequenz wurde die komplexe Referenzwellenform unter Verwendung der Zielwellenform aus einer tatsächlich erfassten Wellenform neu berechnet. In diesem Fall sind 267 kHz ungefähr das Doppelte von 130 kHz, was auch die obere Grenze der in der komplexen Kreuzkorrelationswellenform enthaltenen Frequenzen ist.
• Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Kreuzkorrelation, anstelle der erfassten Wellenform, ist die effiziente Rauschunterdrückung aufgrund des Filtereffekts der Kreuzkorrelation, welche bei höheren Abtastraten sogar noch effizienter ist. Daher muss eine optimale ADC-Abtastrate gefunden werden, um sowohl eine übermäßige Rechenlast bei höheren als auch unerwünschte Schwankungen der Positionsschätzung bei niedrigeren Abtastraten zu vermeiden. Ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen der minimalen Standardabweichung der Übergangsstelle und der tatsächlichen Abtastrate ist in 12 dargestellt.
• Das beschriebene Verfahren kann auf einer Prozessorarchitektur, welche bevorzugt eine Parallelverarbeitung mehrerer gleichzeitiger Tasks ermöglicht, implementiert werden, z. B. auf einer FPGA- („Field Programmable Gate Array“)-Architektur.
• Wie aus der 13 zu ersehen, erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eines FPGA der hier betroffenen Positionsmesseinrichtung die Berechnung der Kreuzkorrelationswellenform mittels zweier, parallel verarbeitender FIR-Filter 1300, 1305 („FIR“ = Finite Impulse Response). Die Abtastwerte des erfassten Signals 1310 durchlaufen dabei das FIR-Filter 1300, 1305, wobei die Realteile 1313 und Imaginärteile 1314 der Elemente der komplexen Referenzwellenform 1315 die Koeffizienten 1312 der beiden Filter 1300, 1305 umfassen, um die Real- bzw. Imaginärteile der komplexen Kreuzkorrelationswellenform 1320 zu erzeugen.
• Die komplexe Kreuzkorrelationswellenform kann wiederum, in den jeweiligen Zielabschnitten, näherungsweise als Kosinusfunktion beschrieben werden, welche mit einer näherungsweisen Gaußschen Hüllkurve 1325 multipliziert wurde (siehe hierzu auch entsprechender Ansatz gemäß 3c).
• Der vorbeschriebene Ansatz ermöglicht die Echtzeitberechnung der Kreuzkorrelationswellenform aus der gesamten erfassten Wellenform, und nicht nur aus den von dem Zielmagneten hervorgerufenen Signalen. Die Gesamtverzögerung des Vorliegens der komplexen Kreuzkorrelations-Wellenformdaten liegt dabei in der Größenordnung der Verweilzeit der Daten durch das FIR-Filter. Vorzugsweise arbeitet das FPGA mit einer Frequenz, die höher ist als die Abtastrate des Analog-Digital-Wandlers. Dadurch werden zwei FPGA-Domänen gebildet, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten, so dass dieselben DSP-Blöcke (Digital Signal Processing) für mehrere Multiplikationen verwendet werden können, um Rechenressourcen einzusparen.
• Einige Beispiele für den DSP-Ressourcenbedarf für jeden FIR-Filter zur Berechnung der Kreuzkorrelation sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt. Darüber hinaus spart die Reduzierung der Abtastrate nicht nur DSP-Ressourcen, sondern auch BRAM- (Block RAM)-Ressourcen zum Speichern der Signal-/Korrelationssequenz. Tabelle 1

  ADC sampling	Length of the	FPGA clock	Number of
  frequency [MHz]	complex reference signal [Samples]	frequency [MHz]	necessary DSP
  12.5	350	125	36
  12.5	350	12.5	350
  12.5	350	200	23
  5	180	100	10
  2.5	90	100	4
  1	45	100	1

• Bei der in 13 gezeigten, technischen Implementierung eines FPGA zur Berechnung einer genannten, komplexen Kreuzkorrelation werden über die beiden Pfade 1330, 1335 jeweils die Real- und Imaginärteile der komplexen Kreuzkorrelationswellenform berechnet. Die Hüllkurve und die Phase werden in dem Ausführungsbeispiel durch einen den beiden FIR-Filtern 1300, 1305 nachgeschalteten IP-Kern („IP Core“) berechnet. Ein solcher IP-Kern ist bekanntermaßen ein Logik- oder Datenblock, der zur Herstellung eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA) oder einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) für ein Produkt verwendet wird.
• Die Leistung des FPGA-gestützten Auswerteverfahrens ermöglicht relativ hohe Positionsmessraten von über 2 kHz bei hier u.a. betroffenen magnetostriktiven Positionssensoranwendungen. Allerdings sind die Berechnung der Phase aus der komplexen Kreuzkorrelationswellenform sowie die lineare Regression die zeitkritischsten Teile der Auswertung. Beispiele für die Konfiguration des FPGA sowie die entsprechenden Leistungsdaten sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt.
• Durch geeignetes „Pipelining“ und Parallelisierung von Auswerteschritten kann das Auswerteverfahren sogar noch schneller und/oder ressourceneffizienter implementiert werde, wodurch im Ergebnis auch die Implementierungs-/Betriebskosten der Positionsmesseinrichtung erheblich verringert werden können.
• In der 14 ist der technische Aufbau einer hier betroffenen Berechnungseinheit zur Berechnung des Realteils einer beschriebenen Kreuzkorrelationswellenform aus einem erfassten Abtastsignal 1400 sowie dem Realteil einer, wie beschrieben, daraus gebildeten komplexen Referenzwellenform 1405 dargestellt.
• Über eine Datenleitung 1410 wird das erfasste Abtastsignal 1400 dem eigentlichen FIR-Filter zugeführt. Ein FIR-Filter besteht in an sich bekannter Weise aus Verzögerungsgliedern um einen Abtastschritt (1415, 1420, 1425), Additionsknoten (1450, 1455, 1460) sowie entsprechender Multiplikationseinheiten (1430, 1435, 1440, 1445), welche im vorliegenden Fall eine Referenzwellenform 1405 entsprechend mit den erfassten und verzögerten Werten des Abtastsignals 1400 multipliziert und damit die eigentliche Korrelation bildet. Dabei bildet die Referenzwellenform die Koeffizienten des Filters, welche entsprechenden Multiplikationsknoten über Datenleitungen 1480, 1485, 1490 zugeführt werden. Das Referenzsignal bzw. die genannte komplexe Referenzwellenform 1405 wird innerhalb einer Konfigurationseinheit 1475 in die einzelnen Koeffizienten aufgeteilt.
• Die geeignete Anzahl an Verzögerungsgliedern, Multiplikationseinheiten und Additionsknoten hängt von zwei Faktoren ab, und zwar zum einen von der Länge des Referenzsignals 1405 und zum anderen von dem Verhältnis zwischen der ADC Abtastfrequenz und der Taktfrequenz des Filters, wie in der Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 2

  ADC sampling rate	Length of the captured waveform [samples]	Length of the waveguide (with 2850 m/s propagation velocity)	Estimated Algorithm Execution time
  1 MS/s	256	0.73 m	< 0.95 µs
  1 MS/s	64	0.18 m	< 0.90 µs

• Es ist hierbei zu erwähnen, dass die obige Parallelisierung der genannten Berechnungen auf einer Mikrocontroller-basierten Architektur nicht möglich ist, was die Anforderung für einen Echtzeitbetrieb aufgrund des „Eine-Befehl-pro-Takt“-Betriebs an sich erschwert. Eine Möglichkeit, dennoch eine Echtzeitleistung zu erzielen, besteht darin, die Anzahl der Abtastungen in der erfassten Wellenform zu reduzieren, indem die ADC-Abtastrate reduziert wird, wie bereits beschrieben. Eine andere Möglichkeit, Verzögerungen aufgrund der genannten Berechnungsschritte dennoch minimal zu halten, besteht in dem in 15 illustrierten Ansatz, wonach die Auswertung 1500 der erfassten Wellenform parallel zu ihrer Erfassung 1505 nach dem Auslösen eines Abfrageimpulses 1510, 1515 zu starten. Wenn eine solche Implementierung auf einem leistungsfähigen Mikrocontroller erfolgt, dauern die Berechnungszyklen nicht viel länger als die Abtastsequenz selbst oder sind zumindest mit dieser vergleichbar.
• Es ist zudem zu erwähnen, dass Mikrocontroller mit DMA-Unterstützung (Direct Memory Access) die Steuerung der Abtastung und Analog-Digital-Umwandlung des Abtastsignals auf Hardwareebene ermöglichen. Auch ermöglichen solche Microcontroller die Speicherung eines Umwandlungsergebnisses in einen RAM-Speicher ohne das Eingreifen der CPU, die für verfügbare Punkte der erfassten Wellenform bereits an der Speicherung arbeiten kann.
• Es ist zum einen anzumerken, dass das vorbeschriebene Verfahren bei einer rein Software-basierten, magnetostriktiven Positionsmesseinrichtung auf der Grundlage der beschriebenen Auswertung einer hier betroffenen Signal-Wellenform realisierbar ist. Auch kann das vorbeschriebene Verfahren bei einer konventionellen, Komparator-basierten, magnetostriktiven Positionsmesseinrichtung als funktionelle Erweiterung, d.h. mit minimalem Hardwareaufwand, hinzugefügt werden.
• Es ist ferner anzumerken, dass das vorbeschriebene Verfahren und die vorbeschriebene Einrichtung auch bei eingangs genannten Ultraschall-basierten Positionsmesseinrichtungen sowie bei solchen ebenfalls eingangs genannten Positionsmesseinrichtungen, bei denen eine Flüssigkeitsgeschwindigkeitsmessung an einer strömenden Flüssigkeit erfolgt, mit den genannten Vorteilen einsetzbar sind. Bei diesen Messsystemen sendet ein Ultraschallsender ein Ultraschallwellenpaket bei Vorliegen eines Initialisierungssignals aus, wobei, anstelle eines genannten Zielmagneten, ein durch Ultraschall erfassbares Zielobjekt vorgesehen ist, dessen Position oder dessen Abstand ultraschalltechnisch ermittelt werden soll. Die Ultraschallwelle breitet sich dabei in einem Medium, anstelle eines vorbeschriebenen Wellenleiters, mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus. Mittels eines Ultraschallempfängers wird das empfangene Ultraschallsignals in ein elektronisches Signal umgewandelt. Das dann vorliegende elektronische Signal wird ebenfalls mittels einer elektronischen Schaltung ausgewertet. Auch bei diesen Messsystemen wird die Positions- oder Abstandserfassungsaufgabe in eine Zeitmessaufgabe umgewandelt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102018117285 A1 [0002]
• US 6775321 B1 [0013, 0014]

Claims (18)

1. Verfahren zum Betreiben einer wenigstens einen Positionssensor (44), wenigstens einen Positionsgeber (20) sowie einen Wellenleiter (14) aufweisenden elektromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven, oder akustischen Positionsmesseinrichtung (10), welche eine Steuerung zum Auslösen eines Abfrageimpulses in dem Wellenleiter (14) sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform (400 - 450) aufweist, wobei die Zeit zwischen dem Auslösen des Abfrageimpulses und dem Zeitpunkt des Erfassung der von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform (400 - 450) gemessen wird, um die Position des Positionsgebers (20) über den Zusammenhang zwischen Entfernung und Zeit zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionserkennung mittels des Positionsgebers (20) durch Lokalisierung von Mustern in der von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform (400 - 450) erfolgt, wobei die Lokalisierung solcher Muster auf der Grundlage von Korrelationsbetrachtungen erfolgt und wobei eine den Positionsgeber (20) charakterisierende, komplexe Kreuzkorrelationswellenform wenigstens in eine andere Wellenform umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexe Kreuzkorrelationswellenform in eine Hüllkurve und in momentan vorliegende Phasenwellenformen umgewandelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der umgewandelten Wellenform mittels maschinellen Lernens eine autonome Positionserkennung des Positionsgebers (20) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine komplexe Kreuzkorrelation zwischen einer im Vorfeld einer Inbetriebnahme der Positionsmesseinrichtung (10) erstellten komplexen oder reellen Referenzwellenform und einer von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine reelle Referenzwellenform durch Lernen eines zielbezogenen Abschnitts der erfassten Wellenform, und zwar durch Anwendung einer Fensterfunktion, erzeugt wird, und/oder dass eine komplexe Referenzwellenform aus einer/der gelernten reellen Referenzwellenform als ihr Realteil, und aus der Hilbert-Transformation der reellen Referenzwellenform als ihr Imaginärteil, erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Imaginärteil einer komplexen Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform kreuzkorreliert wird, und zwar als Imaginärteil der komplexen Kreuzkorrelationswellenform, oder dass der Realteil der komplexen Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform kreuzkorreliert wird, und zwar als Realteil der komplexen Kreuzkorrelationswellenform.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Imaginärteils der komplexen Kreuzkorrelationswellenform durch Hilbert-Transformation der Kreuzkorrelation der reellen Referenzwellenform mit der erfassten Wellenform erfolgt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Positionssensor (44) erfasste Wellenformen nach jeder Abfrage mittels des Abfrageimpulses aktualisiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederholte Abtastung des Positionsgebers (20) mit einer empirisch vorgegebenen Rate synchron mit dem Einsetzen des Abfrageimpulses beginnt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Abfrageimpuls verursachtes Abfragerauschen aus einer von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform dadurch ausgeschlossen wird, dass Wellenformdaten verworfen werden, die durch Abfragerauschen beeinflusst werden oder dass entsprechende Wellenformdaten durch null ersetzt werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexe Referenzwellenform dadurch erstellt wird, dass aus einer erfassten Wellenform (300) eine Zielwellenform (305) extrahiert und gespeichert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterdrückung der beiden Enden der gespeicherten Zielwellenform (305) durch Anwenden einer Fensterfunktion, insbesondere eines verjüngenden Kosinusfensters (315) mit einem Parameter, der sicherstellt, dass im Wesentlichen der mittlere Teil der Wellenform (310) unverändert bleibt, erfolgt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hüllkurve und eine momentane Phase der Kreuzkorrelationswellenform ermittelt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der von dem Positionssensor (44) erfassten Wellenform (400 - 450) in Echtzeit, d.h. parallel mit der Erfassung der Wellenform (400 - 450) erfolgt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexe Kreuzkorrelationswellenform mittels wenigstens eines FIR-Filters (1300, 1305) berechnet wird.
16. Auswerteeinheit zum Betrieb einer wenigstens einen Positionssensor (44), wenigstens einen Positionsgeber (20) sowie einen Wellenleiter (14) aufweisenden elektromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven, oder akustischen Positionsmesseinrichtung (10), welche eine Steuerung zum Erzeugen eines Abfrageimpulses in dem Wellenleiter sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung einer von dem Positionssensor (44) gelieferten Wellenform, gekennzeichnet durch Berechnungsmittel zum Erzeugen einer komplexen Referenzwellenform und zum Berechnen der Position des Positionsgebers (20), gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
17. Auswerteeinheit nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch zwei, parallel verarbeitende FIR-Filter (1300, 1305) zur Berechnung einer komplexen Kreuzkorrelationswellenform, wobei Abtastwerte einer erfassten Wellenform (1310) die zwei FIR-Filter (1300, 1305) durchlaufen, und wobei die Realteile (1313) und die Imaginärteile (1314) von Elementen einer komplexen Referenzwellenform (1315) Koeffizienten (1312) der beiden FIR-Filter (1300, 1305) umfassen, um die Real- bzw. Imaginärteile der komplexen Kreuzkorrelationswellenform (1320) zu erzeugen.
18. Positionsmesseinrichtung (10) zur elektromagnetischen, insbesondere magnetostriktiven, oder akustischen Positionsmessung mit wenigstens einem Positionssensor (44), wenigstens einem Positionsgeber (20) sowie einem Wellenleiter (14), welche eine Steuerung zum Erzeugen eines Abfrageimpulses in dem Wellenleiter (14), gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit gemäß Anspruch 16 oder 17, zur Auswertung einer von dem Positionssensor (44) gelieferten Wellenform.

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