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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem
elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein elektromagnetischer Aktuator, insbesondere zum Betätigen
eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, besitzt in
der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungsmagneten und einen
Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein
Betätigungsorgan beweglich gelagert ist. Ein solches Betätigungsorgan ist
beispielsweise ein koaxial zu einer Ventilachse verschiebbar
angeordneter Anker eines Gaswechselventils oder ein drehbar
gelagerter Schwenkanker. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des
Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus auf
das Betätigungsorgan, z. B. den Anker. Als Federmechanismus
dienen meist zwei vorgespannte Federn, von denen eine das
Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und die andere das
Gaswechselventil in Schließrichtung belastet. Bei nicht erregten
Magneten wird das Betätigungsorgan durch die Ventilfedern in
einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten.
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Um ein mit dem Betätigungsorgan verbundenes Stellorgan,
beispielsweise ein Auslassventil einer Brennkraftmaschine, zu
betätigen, müssen die Magnete in der Lage sein, hohe Kräfte
aufzubringen, insbesondere beim Öffnen des Auslassventils. Dabei
muss stets die jeweilige Endstellung des Ventils beim Öffnen
und Schließen mit Sicherheit erreicht werden. Zur Überwachung
des Ventils ist es von Vorteil, die jeweilige Stellung des
Ventils genau zu kennen. Außerdem können von Beginn an nicht
berücksichtigte, sich über der Zeit und/oder während des
Betriebs verändernde Größen dazu führen, dass beispielsweise die
durch die Ventilfedern bestimmte Gleichgewichtslage eines
Ankers nicht mit einer energetischen Mittellage zwischen den
Polflächen übereinstimmt und somit die Betätigung des Ventils
beeinträchtigt wird. Solche verändernden Größen sind
beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile,
Wärmeausdehnung unterschiedlicher Materialien, unterschiedliche
Federsteifigkeiten der beiden Ventilfedern oder auch Alterung und
Verschleiß einzelner Bauteile.
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Aus der DE 197 35 375 C1 ist ein Magnetventil bekannt, bei dem
die Stellung des Ankers aus Druckmessungen mit Hilfe von
Piezomesselementen unter den Federfußpunkten ermittelt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit
einem Aktuator zur Betätigung eines Stellorgans anzugeben, bei
der die Stellung des Stellorgans während des Betriebs des
Aktuators möglichst genau und über einen großen Bereich erfasst
werden kann. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einem
elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Stellorgans,
insbesondere eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine,
wobei der Aktuator mindestens einen zur elastischen
Deformation vorgesehenen Elastizitätskörper umfasst und der
Elastizitätskörper mit einem Deformationssensor verbunden ist.
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Als Elastizitätskörper kann beispielsweise eine Feder oder ein
sonstiger, sich während der Betätigung des Stellorgans
elastisch deformierender Gegenstand Verwendung finden. Ein solcher
Elastizitätskörper steht in einer mittelbaren oder
unmittelbaren Wirkverbindung mit dem Stellorgan und verändert bei
Betätigung des Stellorgans seine räumliche Gestalt. Hierdurch
unterliegt zumindest eine seiner Außenflächen und auch ein
Innenbereich des Stellorgans einer Dehnung oder Stauchung. Unter
einem Deformationssensor wird ein Sensor verstanden, dessen
Ausgangssignal von der Dehnung oder Stauchung eines dem Sensor
zugeordneten Elastizitätskörpers beeinflusst wird. Diese
Beeinflussung kann optisch, z. B. durch optische Analyse des
Elastizitätskörpers, elektrisch oder mechanisch, beispielsweise
durch eine Deformation des Elastizitätskörpers erfolgen. Bei
einer mechanischen Beeinflussung ist der Deformationssensor
zweckmäßigerweise fest mit der Oberfläche oder mit dem Inneren
des Elastizitätskörpers verbunden. Die feste Verbindung
zwischen dem Deformationssensor und dem Elastizitätskörper kann
durch eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise eine
Verklebung zustande kommen. Sie kann ebensogut durch eine
formschlüssige oder eine kraftschlüssige Verbindung
hergestellt werden. Wichtig für eine solche Verbindung ist, dass
die mechanische Deformation, wie beispielsweise eine räumliche
Stauchung oder Dehnung, auf den Deformationssensor mechanisch
übertragen wird.
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Aus der Messung der Deformation des Elastizitätskörpers kann
auf die Stellung des Stellorgans zuverlässig rückgeschlossen
werden. Eine solche Messung ist weitgehend unabhängig von
äußeren Umständen wie Temperatur, Verschmutzung oder
elektromagnetischen Feldern und wird auch nicht beeinflusst durch
Alterungs- oder Verschleißerscheinungen des elektromagnetischen
Aktuators bzw. seiner Bauteile. Die mit Hilfe des
Deformationssensors ermittelte Position des Stellorgans kann zur
Steuerung und Regelung des Aktuators verwendet werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der
Deformationssensor ein Dehnungsmessstreifen. Ein Dehnungsmessstreifen
umfasst einen auf einem Träger, z. B. einer Folie aufgebrachten
elektrischen Leiter, dessen elektrischer Widerstand sich bei
Deformation des Leiters verändert. Es kann ein handelsüblicher
Dehnungsmessstreifen, wie beispielsweise ein Metall-
Dehnungsmessstreifen oder ein Halbleiter-Dehnungsmessstreifen
Anwendung finden. Der Dehnungsmessstreifen wird fest auf die
Oberfläche des Elastizitätskörpers aufgebracht, so dass er bei
einer Deformation des Elastizitätskörpers gestaucht oder
gedehnt wird. Hierdurch verändert sich der elektrische
Widerstand des Leiters. Der elektrische Widerstand ist somit ein
Maß für die Deformation des Elastizitätskörpers und daher auch
für die Stellung des Stellorgans. Der Dehnungsmessstreifen
wird auf die Oberfläche des Elastizitätskörpers beispielsweise
aufgeklebt, wobei er zum Schutz gegen äußere Einwirkungen mit
einer Schutzschicht abgedeckt sein kann. Der
Dehnungsmessstreifen kann aber auch in einen beispielsweise mehrschichtig
aufgebauten Elastizitätskörper eingearbeitet sein. Die
Genauigkeit eines solcherart ausgestalteten Deformationssensors ist
sehr hoch, wobei die mit dem Stellorgan zusätzlich zu
bewegende Masse des Sensors sehr gering ist. Mit einem
Dehnungsmessstreifen als Deformationssensor lässt sich die Position des
Stellorgans sehr genau und weitgehend unabhängig von äußeren
Einflüssen ermitteln. Außerdem ist ein Dehnungsmessstreifen
besonders einfach in der Handhabung und preiswert in der
Anschaffung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der
Deformationssensor ein Bragg-Gitter-Sensor. Ein Bragg-Gitter-
Sensor ist ein glasfaseroptischer Messfühler, der einen
Lichtleiter, wie z. B. eine Glasfaser, umfasst, in den eine Anzahl
von in Axialrichtung äquidistant angeordnete Reflexionsebenen
eingearbeitet sind. Zur Deformationsmessung mit einem Bragg-
Gitter-Sensor wird Laserlicht eines relativ breiten
Wellenlängenbereichs in den Lichtleiter eingestrahlt. Das an den
Reflexionsebenen reflektierte Licht interferiert konstruktiv, wenn
die Wellenlänge dem doppelten Ebenenabstand der
Reflexionsebenen entspricht oder einem Vielfachen davon. Wird der Teil des
Lichtleiters, in dem sich die Reflexionsebenen - das Bragg-
Gitter - befinden, gedehnt oder gestaucht, so ändert sich der
Gitterabstand. Die konstruktiv reflektierte Wellenlänge
verschiebt sich somit. Es lässt sich somit aus der
Wellenlängenverschiebung des reflektierten Lichts auf die Änderung des
Gitterabstands und somit auf die Längenänderung des
Lichtleiters schließen. Ist der Bragg-Gitter-Sensor mit dem
Elastizitätskörper fest verbunden, so wird er mit der Deformation des
Elastizitätskörpers gestreckt oder gestaucht, wodurch sich der
Gitterabstand der Reflexionsebenen verschiebt. Aus der
Wellenlängenverschiebung des reflektierten Lichts lässt sich somit
die Längenänderung des Teils des Elastizitätskörpers
bestimmen, auf dem die Glasfaser aufgebracht ist. Durch die
Bestimmung des Zusammenhangs zwischen einer Position des Stellorgans
und einer Deformation des Elastizitätskörpers lässt sich mit
dem Bragg-Gitter-Sensor die Position des Stellorgans äußerst
schnell und exakt bestimmen. Ein Bragg-Gitter-Sensor zeichnet
sich außerdem dadurch aus, dass er unempfindlich gegen
elektromagnetische Einflüsse ist und auch dadurch, dass jederzeit
nach Einbau des Sensors Absolutwerte der Längenänderung
abgefragt werden können, indem Licht eines geeigneten
Wellenlängenbereichs eingestrahlt wird und das reflektierte Licht
spektral analysiert wird. Außerdem benötigt ein Bragg-Gitter-
Sensor keine umfangreiche elektrische Verschaltung, was ihn
besonders zuverlässig auch in einer mechanisch, chemisch oder
elektromagnetisch besonders beanspruchten Umgebung macht. Des
Weiteren lässt sich mit einem Bragg-Gitter-Sensor
außerordentlich exakt messen, wodurch eine sehr genaue
Positionsbestimmung des Stellorgans möglich ist.
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Ein Bragg-Gitter-Sensor kann sowohl auf der Oberfläche des
Elastizitätskörpers aufgebracht sein, was besonders einfach
ist, als auch in den Elastizitätskörper selbst eingearbeitet
sein. Durch das Einbringen in den Elastizitätskörper hinein
ist der Bragg-Gitter-Sensor besonders geschützt gegen äußere
mechanische Einwirkungen. Eine solche Anordnung ist dann
besonders vorteilhaft, wenn der Elastizitätskörper selber in
seinem Aufbau Fasern umfasst, wie beispielsweise mit einem
Harz gebundene Kohlefasern oder Glasfasern oder beides. Der
Lichtleiter des Bragg-Gitter-Sensors kann dann auf einfache
Weise in den Elastizitätskörper eingearbeitet werden, so dass
er äußerst haltbar ist und sehr zuverlässig und unabhängig von
äußeren Einflüssen sehr exakte Messwerte liefert.
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Zweckmäßigerweise sind mit dem Elastizitätskörper mehrere
Deformationssensoren verbunden. Durch das Anbringen oder
Zuordnen von mehreren Deformationssensoren an den bzw. zum
Elastizitätskörper lässt sich die Positionsbestimmung des
Stellorgans sehr exakt und zuverlässig ausführen. Es können jedoch
auch mehrere Deformationssensoren an mehreren
Elastizitätskörpern der Vorrichtung angebracht sein. So ist zweckmäßigerweise
auf beiden Federn eines Gaswechselventils einer
Brennkraftmaschine jeweils ein oder mehrere Deformationssensoren
angeordnet. Mit einer solchen Anordnung lässt sich die Position des
Stellorgans sehr genau und auch noch bei einem Ausfall eines
der Sensoren sehr sicher ermitteln.
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Der Lichtleiter kann derart ausgestaltet sein, dass er entlang
seiner Länge zwei oder sogar mehrere Bragg-Gitter-Sensoren
enthält. Ein Bragg-Gitter-Sensor umfasst somit zwei oder
mehrere Lichtleiterabschnitte mit jeweils einer Anzahl von
äquidistant eingearbeiteten Reflexionsebenen. Ohne großen
konstruktiven Aufwand lassen sich in einem Lichtleiter mehrere
Sensoren positionieren und der Elastizitätskörper damit an
mehreren Stellen überwachen. Besonders vorteilhaft ist hierbei
eine Anordnung einer Anzahl von Bragg-Gitter-Sensoren
verschiedener charakteristischer Frequenz in dem Lichtleiter. Die
charakteristische Frequenz eines Bragg-Gitter-Sensors ist die
Frequenz des reflektierten Lichts in mechanisch
unbeeinflusstem Zustand des Lichtleiters. Jeder Bragg-Gitter-Sensor
reflektiert Licht einer Frequenz, die - hervorgerufen durch die
Deformation - leicht um die dem jeweiligen Sensor zugeordnete
charakteristische Frequenz schwankt. Haben verschiedene
Sensoren unterschiedliche charakteristische Frequenzen, also
unterschiedlichen Reflexionsebenenabstand, so lässt sich aus der
Frequenz des reflektierten Lichts schließen, an welchem Bragg-
Gitter-Sensor das Licht jeweils reflektiert wurde. Hierdurch
lässt sich sowohl der räumliche Ort der Deformation als auch
die Stärke der Deformation genau bestimmen.
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Vorzugsweise ist der Elastizitätskörper Teil eines
Federmechanismusses des Aktuators. Der Federmechanismus des Aktuators
erfährt bei Betätigung des Stellorgans eine besonders große
Auslenkung. Hierdurch ist eine genaue Messung der Position des
Stellorgans möglich.
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Der Elastizitätskörper kann zweckmäßigerweise eine
Schraubendruckfeder oder in einer alternativen Ausgestaltung eine
Drehstabfeder sein. Die Auslenkung dieser Federn und somit deren
messbare Deformation ist abhängig und ggf. sogar proportional
zur Auslenkung beispielsweise eines Gaswechselventils. Durch
das Messsignal des Deformationssensors lässt sich somit auf
einfache Weise auf die Deformation der Feder und daraus
wiederum auf die Position des Ventils zurückschließen. Eine
solche Anordnung ermöglicht eine genaue, zuverlässige und
besonders einfach zu handhabende Messung der Position des Ventils.
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Zweckmäßigerweise ist mit dem Deformationssensor eine
Auswerteeinheit zur Ermittlung der Deformation des
Elastizitätskörpers verbunden. Diese Auswerteeinheit, beispielsweise ein
Halbleiterbaustein, ist vorteilhafterweise auch gleichzeitig
zur Ermittlung der Stellung des Stellorgans aus der
Deformation des Elastizitätskörpers vorgesehen. Hierdurch wird die im
Wesentlichen kontinuierliche Ermittlung der Deformation bzw.
der Position des Stellorgans ermöglicht.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden
Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der
Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln
betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen
zusammenfassen.
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Es zeigen:
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen schematisch
dargestellten Aktuator und
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Fig. 2 ein vergrößert dargestelltes Detail des Aktuators.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen schematisch
dargestellten Aktuator 1 zur Betätigung eines Gaswechselventils 2
einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine. Der
Aktuator 1 besitzt eine elektromagnetische Einheit mit zwei
Elektromagneten 4, 6, einem Öffnungsmagneten 4 und einem
Schließmagneten 6. Jeder der Elektromagneten 4, 6 besitzt eine auf
einem nicht näher dargestellten Spulenträger aufgewickelte
Magnetspule 8, 10 und einen Spulenkern 12, 14 mit zwei
Jochschenkeln, die mit ihren Stirnseiten Polflächen 16, 18 bilden.
Zwischen den Polflächen 16, 18 ist ein Schwenkanker 20 um
eine Achse hin und her schwenkbar gelagert. Der Schwenkanker 20
wirkt über ein Spielausgleichselement 22 und über einen
Ventilschaft 24 auf das Gaswechselventil 2. Der Ventilschaft 24
ist über eine Schaftführung 26 in einem Zylinderkopf 28 der
Brennkraftmaschine axial verschiebbar gelagert.
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Der Aktuator 1 umfasst außerdem einen Federmechanismus mit
zwei vorgespannten Ventilfedern, und zwar mit einer als
Drehstabfeder 30 (siehe Fig. 2) ausgebildeten, in
Öffnungsrichtung 32 wirkenden Ventilfeder und mit einer als
Schraubendruckfeder 34 ausgebildeten, in Schließrichtung 36 wirkenden
Ventilfeder.
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In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 2 liegt der
Schwenkanker 20 an der Polfläche 18 des erregten
Schließmagneten 6 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 6
spannt die in Öffnungsrichtung 32 wirkende Drehstabfeder 30
weiter vor. Um das Gaswechselventil 2 zu öffnen, wird der
Schließmagnet 6 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 8
eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung 32 wirkende Drehstabfeder 30
beschleunigt den Schwenkanker 20 über die Gleichgewichtslage
hinaus, so dass dieser von dem Öffnungsmagneten 8 angezogen
wird. Der Schwenkanker 20 schlägt an die Polfläche 16 des
Öffnungsmagneten 8 an und wird von diesem festgehalten. Um das
Gaswechselventil 2 wieder zu schließen wird der Öffnungsmagnet
8 ausgeschaltet und der Schließmagnet 6 eingeschaltet. Die in
Schließrichtung 36 wirkende Schraubendruckfeder 34
beschleunigt den Schwenkanker 20 über die Gleichgewichtslage hinaus
zum Schließmagneten 6. Der Schwenkanker 20 wird vom
Schließmagneten 6 angezogen, schlägt auf die Polfläche 18 des
Schließmagneten 6 auf und wird von diesem festgehalten.
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Auf der Schraubendruckfeder 34 sind drei Deformationssensoren
38 aufgebracht. Diese Deformationssensoren 38 sind
Dehnungsmessstreifen. Die Deformationssensoren 38 sind fest mit der
Oberfläche der Schraubendruckfeder 34 verklebt, so dass sie
fest mit der Oberfläche verbunden sind. Die drei
Deformationssensoren 38 sind jeweils mit einer nicht näher dargestellten
Schutzschicht zum Schutz gegen äußere Einwirkungen überzogen.
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Bei einem Öffnungsvorgang des Gaswechselventils 2 wird die
Schraubendruckfeder 34 zusammengepresst und die drei
Deformationssensoren 38 werden jeweils mit deformiert. Bei einem
Schließvorgang des Gaswechselventils 2 entspannt sich die
Schraubendruckfeder 34 in Schließrichtung 36, wobei die
Deformationssensoren 38 wiederum leicht deformiert werden. Die
Deformationssensoren 38 weisen einen elektrischen Leiter mit
einem elektrischen Widerstand auf. Je nach geometrischen Lage
des elektrischen Leiters auf dem Dehnungsmessstreifen wird der
elektrische Widerstand bei einer Deformation des
Dehnungsmessstreifens in die eine oder andere Richtung größer oder
kleiner. Aus einem Widerstandswert eines jeden der
Dehnungsmessstreifen ist somit eine Verformung der Schraubendruckfeder 34
und daraus die Position des Gaswechselventils 2 ermittelbar.
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Die Deformationssensoren 38 sind mit einer in der Figur nicht
näher gezeigten Auswerteeinheit zur Ermittlung der Deformation
der Schraubendruckfeder 34 elektrisch verbunden. Diese
Auswerteeinheit ist auch zur Ermittlung der Stellung des
Gaswechselventils 2 aus der Deformation der Schraubendruckfeder 34
vorgesehen.
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Bei einer Bewegung des Gaswechselventils 2 in Öffnungsrichtung
32 oder Schließrichtung 36 wird neben der Schraubendruckfeder
34 auch die Drehstabfeder 30 deformiert. Diese Deformation
wird durch zwei in Fig. 2 gezeigte Deformationssensoren 42,
44 erfasst, die als Bragg-Gitter-Sensoren ausgestaltet sind.
Sie umfassen jeweils äquidistant in einem Lichtleiter 46
angeordnete Reflexionsebenen. Der Lichtleiter 46 und die Bragg-
Gitter-Sensoren sind in einer Prinzipdarstellung schematisch
gezeigt. Bei einem Öffnungs- oder Schließvorgang des
Gaswechselventils 2 wird die Drehstabfeder 30 jeweils durch
Verdrehung deformiert. Der Lichtleiter 46, der an der Drehstabfeder
30 vorgestreckt angeordnet ist, wird bei einer Verdrehung der
Drehstabfeder 30 mehr oder weniger stark gestreckt. Hierdurch
werden die Reflexionsebenen des Deformationssensors 42
gestreckt. An der Stelle des Lichtleiters 46, an der der
Deformationssensor 44 angeordnet ist, ist der Lichtleiter 46 mit
der Drehstabfeder 30 fest verklebt. Er verläuft an dieser
Stelle nicht senkrecht zur Axialrichtung der Drehstabfeder 30,
so dass der Deformationssensor 44 bei einer Verdrehung der
Drehstabfeder gestreckt oder gestaucht wird.
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Während des Betriebs des Aktuators 1 wird Laserlicht eines
relativ breiten Wellenlängenbereichs von einem in einer
Auswerteeinheit 48 integrierten Laser in den Lichtleiter 46
eingestrahlt. Dieses Licht wird von den Deformationssensoren 42, 44
jeweils teilweise reflektiert. Die Wellenlänge des
reflektierten Laserlichts beträgt das Doppelte eines Ebenenabstands oder
ein Vielfaches davon. Wird der Lichtleiter 46 und mit ihm die
Deformationssensoren 42, 44 gestreckt, so vergrößert sich der
Abstand der äquidistanten Reflexionsebenen im Lichtleiter 46.
Hierdurch wird auch die Wellenlänge des reflektierten Lichts
länger. Das reflektierte Laserlicht wird von der
Auswerteeinheit 48 spektral analysiert. Eine von der Auswerteeinheit 48
ermittelte Wellenlänge wird zu einem Ausgangssignal
verarbeitet, das einer weiteren Auswerte- und Steuereinheit, die in
der Figur nicht näher dargestellt ist, zugeleitet wird. Diese
Einheit verarbeitet das Ausgangssignal zu einem der Stellung
des Gaswechselventils 2 entsprechenden weiteren Signal, das
zur Steuerung des Aktuators 1 verwendet wird.
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Der Lichtleiter 46 umfasst zwei Deformationssensoren 42, 44,
deren äquidistant angeordnete Reflexionsebenen jeweils einen
unterschiedlichen Ebenenabstand aufweisen. Das breitbandig
eingestrahlte Laserlicht wird sowohl vom Deformationssensor 42
als auch vom Deformationssensor 44 mit der jeweils
charakteristischen Frequenz zurückgestrahlt. Aus der Frequenz des
reflektierten Laserlichts wird von der Auswerteeinheit 48
ermittelt, von welchem der beiden Deformationssensoren 42, 44 das
reflektierte Licht stammt. Aus der durch die Deformation
resultierenden Verschiebung der Wellenlänge des reflektierten
Lichts ist somit die Deformation der Drehstabfeder 30 an jedem
Ort ermittelbar, an dem sich einer der Deformationssensoren
42, 44 befindet.
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Mit Hilfe sowohl des Deformationssensors 38 als auch der
Deformationssensoren 42, 44 ist die Position des
Gaswechselventils 2 sehr einfach und sehr präzise sowie auch sehr
zuverlässig bestimmbar. Die Deformationssensoren 38, 42, 44 sind
unempfindlich gegen mechanische und thermische Belastungen und
sind außerdem zur gegenseitigen Überwachung geeignet. Die mit
Hilfe der Deformationssensoren 38, 42, 44 ermittelte Position
des Gaswechselventils 2 wird zur Steuerung und Regelung des
Aktuators 1 verwendet.